時(shí)速160km剛性懸掛接觸網(wǎng)的可行性分析

陸佳

摘? 要：近年來(lái)，我國(guó)的發(fā)展有了日新月異的變化，城鎮(zhèn)化率越來(lái)越高，人口生活圈更加集中緊密。隨著城市圈的不斷擴(kuò)大，為了滿足人們便利的出行要求，城市軌道線路規(guī)劃越來(lái)越多，線路慢慢由城市中心向周邊輻射，長(zhǎng)大型的城市軌道交通線路逐漸增多，城市軌道交通提速提上議程。文章分析了時(shí)速160km剛性懸掛接觸網(wǎng)在城市軌道交通中的應(yīng)用情況，并對(duì)影響剛性懸掛提速的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了逐個(gè)分析，最后確定了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的選型，以滿足城市軌道交通線路提速的要求。

關(guān)鍵詞：剛性懸掛;接觸網(wǎng);受電弓;城市軌道交通;有限元分析

Abstract： In recent years， the development of our country has changed with each passing day， the urbanization rate is higher and higher， and the population life circle is more concentrated. With the continuous expansion of the city circle， in order to meet people's convenient travel requirements， more and more urban rail lines are planned. The lines radiate from the city center to the surrounding area slowly. The growth of urban rail transit lines gradually increases， and the acceleration of urban rail transit is put on the agenda. This paper analyzes the application of 160km/h rigid suspension catenary in urban rail transit， analyzes one by one the key structures affecting the rigid suspension acceleration， and finally determines the selection of key structures to meet the requirements of urban rail transit line acceleration.

1 概述

剛性懸掛普遍適用于城市軌道交通，采用1500V直流電源供電，一般設(shè)計(jì)時(shí)速為80km。但自2006年以來(lái)，剛性懸掛在25kV交流電氣化鐵路中逐步得到運(yùn)用，最高設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)到160km，實(shí)際運(yùn)營(yíng)速度還未達(dá)到160km。

相對(duì)柔性懸掛而言，剛性接觸網(wǎng)懸掛剛度較高，拉出值小，對(duì)于受電弓的磨損相對(duì)較大，在線路較長(zhǎng)的隧道中，受電弓異常磨損更加明顯，就受流效果來(lái)看，柔性懸掛更具優(yōu)勢(shì)。但剛性懸掛接觸網(wǎng)對(duì)隧道凈空要求降低，能極大延長(zhǎng)的接觸網(wǎng)維護(hù)周期;剛性懸掛的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，接觸線無(wú)張力，不存在斷線的風(fēng)險(xiǎn);受溫度等其它因素的影響較小，整個(gè)剛性懸掛接觸網(wǎng)運(yùn)營(yíng)的可靠性更好。其系統(tǒng)零部件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此建設(shè)和維護(hù)的成本也大大降低，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。[1]

2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況

國(guó)外剛性懸掛在25kV交流電氣化鐵路中應(yīng)用較早，國(guó)外剛性懸掛接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)的技術(shù)更加成熟、先進(jìn)，主要以瑞士FF公司、法國(guó)加朗公司為首，擁有一整套的時(shí)速160km及以下隧內(nèi)剛性懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)零部件，在國(guó)內(nèi)外多條線路上投入使用。例如：奧地利Sittenberg隧道剛性接觸網(wǎng)試驗(yàn)時(shí)速260km、運(yùn)行時(shí)速200km。瑞士Kerenzerzberg隧道的剛性接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)速為160km，初期試驗(yàn)時(shí)速達(dá)到了185km。[2]

國(guó)內(nèi)剛性懸掛最早在25kV交流電氣化鐵路中應(yīng)用的線路是2006年開(kāi)通的蘭新鐵路的烏鞘嶺隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)到160km，實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)速140km。國(guó)內(nèi)剛性懸掛接觸網(wǎng)在25kV交流系統(tǒng)中應(yīng)用情況如表1。

3 相關(guān)研究

文獻(xiàn)[3]研究了跨距跟運(yùn)營(yíng)速度的關(guān)系，全面計(jì)算了各跨距下的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力頻譜，最終得出了為滿足運(yùn)營(yíng)時(shí)速達(dá)到120km以上，剛性懸掛接觸網(wǎng)的跨距應(yīng)≤8m。

文獻(xiàn)[4]研究了定位線夾帶一定的彈性對(duì)改善弓網(wǎng)關(guān)系起到的良好作用，并且通過(guò)仿真分析得出彈性定位線夾的彈性系數(shù)宜選7.6×104N/m。

文獻(xiàn)[5]則是研究了適用于時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)的受電弓，分析了4種工況條件下受電弓的受力情況，研究表明弓頭剛度在10000N/m時(shí)，在一定速度范圍內(nèi)容易發(fā)生共振，應(yīng)避免選用該參數(shù)。

4 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分析

剛性懸掛接觸網(wǎng)較柔性懸掛接觸網(wǎng)簡(jiǎn)單，零件種類少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要有匯流排及其附件、懸掛定位裝置、中心錨結(jié)裝置、錨段裝置、剛?cè)徇^(guò)渡裝置等組成。結(jié)構(gòu)及平面布置的合理性，將直接影響城市軌道車輛運(yùn)營(yíng)的速度。

4.1 懸掛裝置

懸掛定位裝置一般有懸吊式和懸臂式兩種，懸吊式（見(jiàn)圖1）由懸吊底座、T頭螺栓、懸吊角鋼、針式絕緣子、匯流排定位線夾等組成，適用于1500v直流供電系統(tǒng)。為滿足線路伸縮、膨脹要求，匯流排與線夾之間可竄動(dòng)，匯流排與線夾之間的間隙大，弓網(wǎng)匹配效果稍差，是制約車速的一個(gè)方面，適用速度等級(jí)低，一般設(shè)計(jì)時(shí)速為80km。

懸臂式（見(jiàn)圖2）一般由吊柱、旋轉(zhuǎn)底座、絕緣子、調(diào)整底座、定位線夾等組成，適用于25kV交流供電系統(tǒng)。懸臂可旋轉(zhuǎn)以應(yīng)對(duì)匯流排的伸縮和膨脹要求。該形式下弓網(wǎng)之間的匹配度好，可滿足軌道車輛較高的速度等級(jí)要求。

4.2 錨段裝置

為了減小事故面積，通常會(huì)將接觸網(wǎng)分成數(shù)個(gè)彼此分隔的區(qū)間，我們稱為錨段。各錨段之間互不干擾而又能協(xié)同工作，通常分為關(guān)節(jié)式和貫通式。

關(guān)節(jié)式錨段（見(jiàn)圖3）之間采用匯流排終端過(guò)渡，終端橫向間隔200-300mm排布，匯流排終端端部1.5m處折彎上翹70mm，避免受電弓打弓。

貫通式錨段（見(jiàn)圖4）采用膨脹接頭將兩個(gè)錨段連接在一起。

4.3 剛?cè)徇^(guò)渡裝置

地下段采用剛性懸掛，地上段采用柔性懸掛，連接剛性段和柔性段就需要?jiǎng)側(cè)徇^(guò)渡裝置，使得剛性和柔性之間有一個(gè)平順的過(guò)渡。剛?cè)徇^(guò)渡處的結(jié)構(gòu)是制約車速的另一個(gè)重點(diǎn)。一般分為關(guān)節(jié)式（見(jiàn)圖5）和貫通式（見(jiàn)圖6）。

文獻(xiàn)[6]研究了適用于時(shí)速160km的高速剛?cè)徇^(guò)渡安裝方式，通過(guò)有限元法，將剛性接觸網(wǎng)裝置離散成有限單元，建立一套符合實(shí)際工作情況的動(dòng)力學(xué)模型。利用有限元軟件仿真得到各條件下的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力曲線，通過(guò)對(duì)比分析認(rèn)為貫通式剛?cè)徇^(guò)渡能適應(yīng)160km/h的運(yùn)營(yíng)要求。

通過(guò)分析，為滿足160km/h的運(yùn)營(yíng)要求，建議選用25kV交流供電，懸掛裝置采用懸臂式，取消錨段式關(guān)節(jié)，剛?cè)徇^(guò)渡采用貫通式。

5 結(jié)論

隨著城市圈范圍的擴(kuò)大，目前我國(guó)三大城市群以及一些熱門(mén)城市已經(jīng)規(guī)劃了上千公里的市域鐵路，為滿足人們多樣化的出行方式，城市軌道交通的提速已是必然。而剛性懸掛可以適用于低凈空隧道斷面，有效的節(jié)約投資成本，并且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低等特點(diǎn)，成為主流的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

發(fā)展時(shí)速160km剛性懸掛接觸網(wǎng)的實(shí)際需求逐漸增多，國(guó)外有成熟的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究也越來(lái)越多，并且即將在北京、廣州等城市運(yùn)用，具有廣泛的市場(chǎng)推廣前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]賴聲鋼.剛性接觸懸掛在運(yùn)行中的常見(jiàn)問(wèn)題及分析處理[J].都市快軌交通，2004（02）：46-48.

[2]孫海東.剛性懸掛接觸網(wǎng)在城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2011（01）：35-38.

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[4]陳吉?jiǎng)?利用彈性線夾優(yōu)化剛性接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)性能[J].城市軌道交通研究，2014，17（8）：73-77.

[5]梁坤，楊文超，王秋紅，等.時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)市域動(dòng)車用受電弓及其力學(xué)性能分析[J].技術(shù)與市場(chǎng)，2019，26（05）：65-66.

[6]關(guān)金發(fā)，田志軍，吳積欽.基于弓網(wǎng)動(dòng)力仿真的160km/h剛?cè)徇^(guò)渡系統(tǒng)方案研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2018，40（9）：48-56.