時速160 km城市軌道交通靴軌關系測試技術研究

林 建

0 引言

鋼鋁復合接觸軌系統(tǒng)具有導電性能好、載流量大、重量輕、安裝方便、耐腐蝕、耐磨性能好、使用壽命長等一系列優(yōu)點。隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，鋼鋁復合接觸軌系列產(chǎn)品已廣泛應用于第三軌、中低速磁浮、跨座式單軌、空中懸掛列車等軌道交通模式。

近幾年，由于軌道交通運營速度的提升需求，運營單位、設計單位、科研院校以及供貨廠商越來越關注高速運行下供電系統(tǒng)產(chǎn)品的適用性以及靴軌關系影響因素，并開展相關理論研究。隨著北京、長沙中低速磁浮線陸續(xù)開通，受流器與接觸軌作為磁浮列車供電載體，已逐漸積累了一定的工程運營經(jīng)驗。在此之前，國內(nèi)學者針對磁浮列車受流器及接觸軌的設計和試驗已開展較多的研究。文獻[1]公開了一種雙極受流器，設有電流進入端和回流端，為磁浮列車提供電源回路。文獻[2～4]設計出一種側向受流器，包含滑靴、擺動機構和地板，由 彈簧提供驅動力，通過球鉸和第二套擺桿件等擺動結構，能適應列車在橫向位移及偏擺幅度大的應用工況下保持靴軌受流。文獻[5，6]提出了一種中低速磁浮列車受流器的狀態(tài)監(jiān)測設備，監(jiān)測信息包括受流器的加速度、電流互感器信息、電壓互感器信息、接觸力、靴溫度、側接觸軌與車軌之間的水平距離、垂直距離。文獻[7，8]對中低速磁浮列車的受流方式進行了比較，認為側向受流方式是優(yōu)選方案，提出一種側向受流器的設計方案，并研制了相應的樣機。文獻[9]基于磁浮列車運行姿態(tài)，提出了磁浮列車受流器垂直和側向的平移位移計算模型。雖然在長期工程運營和設計過程中，針對中低速受流器與鋼鋁復合接觸軌之間的匹配，積累了大量的經(jīng)驗；然而在高速運行的軌道交通中，如何驗證鋼鋁接觸軌與集電靴之間匹配良好，依然是一個亟待解決的問題。

本文提出一種可高速、恒速運行的接觸軌-集電靴測試平臺搭建方法，對接觸軌振動位移和靴頭振動加速度、靴軌燃弧進行測試，并基于測試數(shù)據(jù)對接觸軌-集電靴匹配關系進行合理評估，以完善相關產(chǎn)品的設計。

1 靴軌關系測試平臺搭建及測試

1.1 測試原理

測試平臺上安裝有中速磁浮供電軌及附件、集電靴，確保接觸軌能夠提供中速磁浮運行線路狀況下集電靴需要的電流及電壓。集電靴按照中速磁浮的運行速度及壓力在接觸軌上平穩(wěn)運行。

通過測試平臺和測試方法，進行接觸軌幾何參數(shù)、集電靴加速度、燃弧、接觸軌磨耗等測試?；谠摐y試，提出以燃弧以及加速度等動態(tài)參數(shù)指標評價中速磁浮集電靴與接觸軌之間的相互作用關系，較好地模擬集電靴與接觸軌的靜動態(tài)關系，評價、驗證軌靴匹配性是否滿足正常運營要求。

1.2 平臺搭建

接觸軌-集電靴性能測試的試驗平臺由環(huán)形接觸軌線路、集電靴取流裝置、交直流電源、監(jiān)測系統(tǒng)及防護欄組成。試驗方案見圖1。

圖1 測試方案裝置

其中，環(huán)形接觸軌線路由4根預彎接觸軌、1套分段絕緣器、1套膨脹接頭、2套分段絕緣接頭及2套電纜連接板組成。環(huán)形接觸軌接觸面朝上，底部由可調絕緣支架支撐；2套電纜連接板分別設置在環(huán)形接觸軌線路的對稱點位，通過電纜連接直（交）流電源輸出端，給環(huán)形接觸軌線路供電；分段絕緣器與膨脹接頭設置在環(huán)形接觸軌線路的對稱點位，其連線與2套電纜連接板的連線正交；2套絕緣接頭設置在膨脹接頭兩端，分別與預彎接觸軌連接。集電靴取流裝置由動力機構、旋轉桿、2套集電靴及電連接銅排組成。動力機構設置在環(huán)形接觸軌線路圓心位置，控制著集電靴的走行速度；2套集電靴分別布置在旋轉桿兩端，通過絕緣子與旋轉桿連接，集電靴靴頭與環(huán)形接觸軌線路接觸面接觸取流；電連接銅排通過小絕緣子固定在旋轉桿上，兩端分別與集電靴連接，使2套集電靴與環(huán)形接觸軌線路形成完整回路。

測試系統(tǒng)由激光幾何參數(shù)檢測模塊、非接觸式靴軌燃弧檢測模塊（紫外傳感器）、靴軌加速度測量模塊、轉速定位模塊、電源轉換單元及數(shù)據(jù)處理單元組成。系統(tǒng)的各功能單元及檢測模塊安裝在集電靴取流裝置的旋轉桿上。通過無線局域網(wǎng)的傳輸方式將檢測到的數(shù)據(jù)實時傳輸至計算機中。圖2為測試系統(tǒng)的結構框圖。

圖2 測試系統(tǒng)結構框圖

在該裝置中，旋轉桿（包含特制輔助支架）長度為8 m，通過中間電機驅動，最大轉速可達106.2 r/min（線速度160 km/h），速度無級可調。彈性集電靴共有2套，集電靴的接觸壓力為70～150 N，彈性范圍±30 mm。短接觸軌處斷口尺寸最大可調整到100 mm。電源系統(tǒng)可提供電流500 A。鋼結構護欄的直徑為10 m，可通過視頻實時監(jiān)控。在測試系統(tǒng)中配備了轉速測試儀1臺，可測量旋轉桿實時轉速；接觸網(wǎng)檢測裝置1套，用于檢測集電靴狀況；熱電偶溫度傳感器1套，可測量接觸軌軌溫；非接觸式電弧檢測裝置（紫外傳感器）1臺，用于檢測燃弧情況；音量檢測儀1臺，用于檢測噪音；經(jīng)緯儀1臺，可檢驗接觸軌鋼帶面平整度。

測試平臺搭建完成，交直流電源及檢測系統(tǒng)連接調試正常后，啟動交直流電源向環(huán)形鋼鋁復合接觸軌線路供電，穩(wěn)步增加旋轉桿轉速。在20～160 km/h速度范圍內(nèi)，其中每間隔20 km/h勻速運行并測試，分別記錄相應速度下的接觸軌振動位移、靴頭振動加速度和靴軌燃弧數(shù)據(jù)。

2 測試結果及分析

本文提出的靴軌關系測試平臺主要針對高速運行的軌道交通線路。因此，在實際測試過程中的運行速度為120、140、160 km/h。

2.1 接觸軌與集電靴之間的振動及燃弧影響

圖3給出了不同速度下鋼鋁復合接觸軌振動位移和靴頭振動加速度試驗數(shù)據(jù)。

圖3 振動位移與加速度實時數(shù)據(jù)

從圖中可以看出，靴頭運行速度從120 km/h增至160 km/h時，靴頭振動加速度的平均振幅加大，并且在特定位置出現(xiàn)最大振幅上升的現(xiàn)象；同時，最大振幅出現(xiàn)的次數(shù)增加，最大振幅的衰減減緩。這表明隨著速度的增加，靴軌振動加劇。

圖4給出了在不同測試速度下的靴軌燃弧實時數(shù)據(jù)。隨著速度的增加，靴頭燃弧的數(shù)量和持續(xù)時間有了顯著的增加。在速度為140和160 km/h時，靴軌每次燃弧的持續(xù)時間最大值達到了110 ms，而速度為120 km/h時，每次燃弧的持續(xù)時間為1 ms。

圖4 靴軌燃弧實時數(shù)據(jù)

2.2 振動及燃弧原因分析

2.2.1 接觸軌垂向位移影響

以角度作為X軸，相應的檢測數(shù)據(jù)為Y軸作圖，以分析導致接觸軌振動和燃弧的原因。圖5給出了在相應速度下不同角度接觸軌垂向振動位移的所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。由圖可知，相同角度下的垂向位移基本相同，表明受流器在一定速度下運行時，其接觸軌上的振動不依賴于時間，而僅與振動位置相關，并具有較高的重復性和規(guī)律性。

圖5 接觸軌垂向位移統(tǒng)計規(guī)律

考慮角度對應的位置，X軸數(shù)據(jù)按照0°～360°記錄，其中，40°的位置對應接觸軌膨脹接頭部件，130°的位置對應接觸軌中間接頭部件，220°的位置對應接觸軌分段絕緣器部件，310°的位置對應接觸軌中間接頭部件。由圖5可以看出，垂向位移變化較大的區(qū)域主要集中在225°附近，即絕緣接頭處，這表明絕緣接頭結構具有較高的彈性，與接觸軌力學性能的差異較大（考慮到高速軌道交通，絕緣接頭結構應增加一定的結構剛度）。在不同測試速度下，接觸軌通過兩處中間接頭時，垂向運動位移變化很小，說明受流器對接觸軌的形變影響很小，中間接頭對測試系統(tǒng)具有較好的匹配能力。另外，出現(xiàn)靴頭振動加速度最大的區(qū)段均在膨脹接頭斷點附近，說明接觸軌斷點是引起靴軌振動、接觸力不平穩(wěn)的主要因素。

2.2.2 接觸軌靴軌燃弧位置及時間影響

圖6給出了在相應速度下不同角度接觸軌靴軌燃弧所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。從圖中可以看出，靴軌燃弧的分布沒有一定的規(guī)律性，并沒有出現(xiàn)在接觸軌斷點的位置，不同速度等級均存在一定的燃弧，但燃弧的次數(shù)和持續(xù)時間各有不同。標準EN 50317[10]對燃弧率進行了相關規(guī)定，燃弧持續(xù)時間大于5 ms的燃弧才計算在燃弧率中。當運行速度為120、140、160 km/h時，出現(xiàn)了個別燃弧持續(xù)時間大于5 ms的燃弧點，并隨著運行速度的增加，燃弧次數(shù)和持續(xù)時間也有所增加。當速度為160 km/h時，受流器運行一圈的燃弧平均持續(xù)時間總和為0.002 s，結合試驗臺的結構特點，存在膨脹接頭和分段絕緣器2個接觸軌斷點，受流器在試驗臺上運轉一圈可等效實際受流器通過2個連續(xù)接觸軌錨段，長度按100 m計算，則受流器在實際線路上等效的運行總時間為2.25 s，燃弧率為0.089%，滿足標準TB/T 3271[11]中對DC 1.5 kV供電系統(tǒng)的燃弧要求。

圖6 靴軌燃弧位置及時間統(tǒng)計規(guī)律

2.2.3 靴頭振動加速度的影響

對比不同加速度的振動情況，如圖7所示。

圖7 靴頭振動加速度統(tǒng)計規(guī)律

當受流器以120 km/h運行速度通過接觸軌時，除了在角度為40°、130°、220°、310°的接觸軌斷點附近靴頭振動加速度較大外，其他區(qū)域出現(xiàn)靴頭振動加速度較大的點也顯著增多，已經(jīng)不再集中在接觸軌斷點處，但接觸軌斷點的靴頭振動加速度仍最大，說明當受流器運行速度達120 km/h以上時，通過接觸軌斷點后，靴頭的振動加劇，接觸質量變差，需要較長的無斷點運行距離后靴軌的劇烈振動才能衰減下來。當受流器以160 km/h運行速度通過接觸軌時，整個靴軌試驗臺出現(xiàn)靴頭振動加速度較大的點分布均勻，說明此時整個靴軌的振動劇烈。這可能與試驗臺的長度有限以及是環(huán)形循環(huán)試驗有關，實際軌道交通中，接觸軌連續(xù)區(qū)段較長，靴軌的振動將逐漸降低。

3 結論

通過以上測試和分析，該接觸軌系統(tǒng)能夠滿足時速160 km及以下的靴軌良好受流要求。

（1）不同速度等級下靴軌的最大燃弧率小于標準值。隨著運行速度的增加，燃弧次數(shù)和持續(xù)時間均有所增加，接觸軌振動和靴頭振動均有所加劇。膨脹接頭、分段絕緣器、中間接頭等接觸軌斷點附近的靴軌振動最大。

（2）隨著速度的增加，振動加劇，膨脹接頭和分段絕緣器的振動更顯著，建議優(yōu)化該兩類結構的動力學性能。

（3）在實際使用中，測試系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)有效地驗證了160 km/h速度下鋼鋁復合接觸軌的適應性，從而得出影響靴頭振動的關鍵因素，對后續(xù)接觸軌供電產(chǎn)品優(yōu)化及探索靴軌關系提供參考。