城市軌道交通靴軌關(guān)系的安全測(cè)試評(píng)估方法

靳守杰，李鯤鵬，占 棟，萬(wàn)永勝，鐘 尉，馮 超

（1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510330；2.廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；3.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；4.成都唐源電氣股份有限公司，四川 成都 610046）

廣州地鐵21 號(hào)線鎮(zhèn)龍西—員村段線路全長(zhǎng)35.0 km，其中地上線路7.2 km，地下線路27.8 km，最高運(yùn)營(yíng)速度120 km/h，采用DC 1500 V 鋼鋁復(fù)合型接觸軌下部受流方式供電，接觸軌受流面距鋼軌頂面的垂直距離為(200 ± 5) mm，接觸軌中心至線路中心距離為(1550±5)mm.根據(jù)交通運(yùn)輸部2019 年印發(fā)的《城市軌道交通初期運(yùn)營(yíng)前安全評(píng)估管理暫行辦法》（交運(yùn)規(guī)【2019】1 號(hào)）[1]，城市軌道交通新建線路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)前須完成安全評(píng)估工作，未通過(guò)運(yùn)營(yíng)前安全評(píng)估的線路不得投入運(yùn)營(yíng).該文件明確了受電弓-接觸網(wǎng)（弓網(wǎng)）關(guān)系安全評(píng)估指標(biāo)要求，無(wú)集電靴-接觸軌（靴軌）關(guān)系安全評(píng)估指標(biāo)要求.因此，針對(duì)靴軌集電系統(tǒng)，如何給出靴軌集電系統(tǒng)安全評(píng)估測(cè)試方法及評(píng)估技術(shù)指標(biāo)，確定線路是否具備開(kāi)通條件，是靴軌集電系統(tǒng)目前面臨的突出問(wèn)題.

弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)試及評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)外均有標(biāo)準(zhǔn)可循.國(guó)外：EN 50317?2002[2]記載了弓網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)的測(cè)試方法和誤差要求；EN 50367?2012[3]規(guī)定了弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)相互作用技術(shù)指標(biāo)，明確了弓網(wǎng)接觸力、燃弧率、接觸線抬升等弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的允許范圍[2].國(guó)內(nèi)：TB 3271—2011[4]規(guī)定了弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)相互作用參數(shù)指標(biāo)范圍；TB 10761—2013[5]明確了弓網(wǎng)系統(tǒng)幾何參數(shù)、燃弧率、弓網(wǎng)接觸力和硬點(diǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；文獻(xiàn)[6]記載了城市軌道交通試運(yùn)行前的安全評(píng)估技術(shù)規(guī)范，指明了弓網(wǎng)關(guān)系的測(cè)試內(nèi)容和方法，但是缺乏靴軌關(guān)系的相關(guān)測(cè)試方法和評(píng)估指標(biāo)；TB 10621—2014[7]記載了關(guān)于弓網(wǎng)離線率、弓網(wǎng)接觸力和平均接觸力的技術(shù)指標(biāo)，各參數(shù)的制定主要針對(duì)中國(guó)高鐵的實(shí)際情況進(jìn)行確認(rèn)；CJJ/T 198—2013[8]記載了接觸軌的施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容主要集中在零部件的安裝布置和材料等相關(guān)內(nèi)容的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；文獻(xiàn)[9]記載了針對(duì)120 km/h 接觸軌的設(shè)計(jì)規(guī)范和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn).

綜上，目前僅有針對(duì)弓網(wǎng)集電系統(tǒng)初期運(yùn)營(yíng)前的安全評(píng)估指標(biāo)，有必要結(jié)合城市軌道交通的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)現(xiàn)狀提出城市軌道交通靴軌系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法.

廣州地鐵21 號(hào)線運(yùn)營(yíng)車靴軌關(guān)系檢測(cè)裝置屬國(guó)內(nèi)首次將檢測(cè)裝備安裝在運(yùn)營(yíng)電客車上，通過(guò)靴軌動(dòng)態(tài)參數(shù)在線檢測(cè)技術(shù)，采用激光攝像方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速?gòu)?fù)雜環(huán)境下接觸軌動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)的檢測(cè)；通過(guò)振動(dòng)、加速度等光纖光柵精密傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)靴軌動(dòng)態(tài)運(yùn)行中的壓力、硬點(diǎn)的描述；同時(shí)結(jié)合紫外光子數(shù)字探測(cè)技術(shù)對(duì)靴軌動(dòng)態(tài)受流中的燃弧參數(shù)進(jìn)行刻畫(huà)，為掌握靴軌動(dòng)態(tài)受流機(jī)理及全生命周期內(nèi)服役性態(tài)變化規(guī)律提供可靠數(shù)據(jù)參考.

靴軌在線監(jiān)測(cè)裝置充分考慮地鐵復(fù)雜線路環(huán)境中的各種因素，運(yùn)用先進(jìn)傳感與圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)具有強(qiáng)適應(yīng)性的高精度靴軌在線檢測(cè)，滿足120 km/h 及以下速度電客車的使用.本研究基于靴軌在線檢測(cè)裝置的檢測(cè)結(jié)果提出復(fù)雜線路靴軌關(guān)系的安全評(píng)估方法，為城市軌道交通初期運(yùn)營(yíng)前安全評(píng)估提供參考.

1 靴軌關(guān)系安全測(cè)試方法

采用裝有具有精確定位功能的運(yùn)營(yíng)車靴軌關(guān)系檢測(cè)裝置的電客車在待測(cè)線路完成測(cè)試，以列車ATO（automatic train operation）模式運(yùn)行，對(duì)測(cè)試線路全線進(jìn)行測(cè)試，以反映真實(shí)工況.

1.1 靴軌關(guān)系測(cè)試參數(shù)定義

1.1.1 接觸軌動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)

接觸軌動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)是指測(cè)量接觸軌中心位置距軌道中心位置的水平距離和接觸軌受流面與相鄰走行軌頂面的垂直距離[10-11].接觸軌幾何參數(shù)的安裝不精確或部分區(qū)段接觸軌在水平或垂直方向上出現(xiàn)偏離預(yù)定正常值，易使集電靴不能正常與接觸軌接觸，從而影響受流質(zhì)量[12].

1.1.2 靴軌燃弧

根據(jù)EN 50317?2002[2]和GB/T 32592—2016[13]，用燃弧最大持續(xù)時(shí)間、燃弧次數(shù)、燃弧率3 個(gè)指標(biāo)衡量靴軌電氣作用過(guò)程[14-15]：燃弧最大持續(xù)時(shí)間為測(cè)試區(qū)段內(nèi)最大燃弧的持續(xù)時(shí)間；燃弧次數(shù)是測(cè)試區(qū)段內(nèi)發(fā)生所有燃弧的總次數(shù)；燃弧率為所測(cè)區(qū)段的燃弧總時(shí)間與測(cè)量時(shí)間的比值，是反映靴軌關(guān)系受流質(zhì)量的重要指標(biāo).靴軌燃弧發(fā)生時(shí)，瞬間釋放大量熱量，造成接觸軌和集電靴碳滑板嚴(yán)重的電氣侵燭和損傷[16].

1.1.3 靴軌動(dòng)態(tài)接觸力

靴軌動(dòng)態(tài)接觸力指集電靴施加到接觸軌垂直力，是所有接觸點(diǎn)的力之和，反映靴軌集電系統(tǒng)高速運(yùn)行時(shí)靴軌接觸狀態(tài)，用靴軌動(dòng)態(tài)接觸力量化表征[17].

1.1.4 集電靴硬點(diǎn)

集電靴硬點(diǎn)指所測(cè)區(qū)間內(nèi)集電靴對(duì)接觸軌的垂向加速度，是反映接觸軌平順性的重要指標(biāo).

1.2 靴軌關(guān)系參數(shù)測(cè)試方法

靴軌關(guān)系參數(shù)的測(cè)試方法如表1 所示.

表1 靴軌關(guān)系各參數(shù)測(cè)試方法Tab.1 Test methods for each parameter about collector shoe-rail

2 靴軌關(guān)系安全評(píng)估方法

本文提出各項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合《供電系統(tǒng)專業(yè)管理評(píng)價(jià)辦法》[18]提出適用于時(shí)速120 km/h 及以下接觸軌動(dòng)態(tài)檢測(cè)綜合評(píng)價(jià)計(jì)分方法，綜合評(píng)估靴軌受流質(zhì)量，為新建線路工程是否具備開(kāi)通條件提供技術(shù)參考.

2.1 各參數(shù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)各個(gè)參數(shù)指標(biāo)單獨(dú)給出各參數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，線路檢測(cè)出的各參數(shù)需滿足表2 所示參數(shù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求.表中：Fm,max、Fm,min分別為平均接觸力的最大值、最小值；V為受電弓運(yùn)行速度，km/h；σ 為靴軌接觸力標(biāo)準(zhǔn)差.

表2 靴軌關(guān)系各參數(shù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation standard for each parameter about collector shoe-rail

2.2 接觸軌動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量指數(shù)評(píng)價(jià)方法

依據(jù)接觸軌動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量各參數(shù)的特征，建立接觸軌動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)函數(shù)，選擇接觸軌工作高度、接觸軌偏移值、靴軌燃弧率和靴軌動(dòng)態(tài)接觸力4 項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用Topsis 評(píng)價(jià)方法[18]建立數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建接觸軌動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量指數(shù)（conductor rail quality index，CRQI）評(píng)價(jià)函數(shù).Topsis評(píng)價(jià)方法的基本原理為根據(jù)有限個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象與理想化目標(biāo)的接近程度進(jìn)行排序，在現(xiàn)有的對(duì)象中進(jìn)行相對(duì)優(yōu)劣的評(píng)價(jià).

定義參與評(píng)價(jià)的接觸軌線路總里程L，區(qū)間的里程為l，則區(qū)間權(quán)重系數(shù)為

接觸軌工作高度為一個(gè)錨段內(nèi)接觸軌受流面與軌平面的垂直距離標(biāo)準(zhǔn)差，其得分為

式中：σH為一個(gè)錨段內(nèi)接觸軌工作高度標(biāo)準(zhǔn)差.

接觸軌偏移值為一個(gè)錨段內(nèi)接觸軌中軸線與軌道中心線的水平距離標(biāo)準(zhǔn)差，其得分為

式中：σS為一個(gè)錨段內(nèi)接觸軌偏移值標(biāo)準(zhǔn)差.

由于靴軌燃弧參數(shù)不具備連續(xù)性，接觸軌燃弧評(píng)價(jià)以燃弧率作為計(jì)算指標(biāo)，燃弧率以錨段為計(jì)算步長(zhǎng)單位，其得分為

式中：γNQ為一個(gè)錨段內(nèi)靴軌燃弧率.

靴軌動(dòng)態(tài)接觸力是集電靴和接觸軌之間的接觸力，通過(guò)接觸力的最大值、標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)靴軌動(dòng)態(tài)接觸力進(jìn)行評(píng)價(jià)[17,19]，其綜合得分為如式（5）所示.

綜上，一個(gè)錨段內(nèi)CRQI 得分率qCRQI為[18]

線路區(qū)間i的CRQI 得分率qi為該線路各錨段qCRQI的平均值.則該線路CRQI 得分為

式中：pi為區(qū)間i的權(quán)重系數(shù)；M為線路區(qū)間數(shù)量.

當(dāng)Q≥90.00，該線路CRQI得分優(yōu)良；當(dāng)Q<90.00，CRQI 得分不合格，需要繼續(xù)整改.

2.3 線路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)條件

根據(jù)本文提出的安全測(cè)試評(píng)估方法，城市軌道交通新建線路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，需同時(shí)滿足兩個(gè)要求：全線各參數(shù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)滿足對(duì)應(yīng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)；Q≥90.00.

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

廣州地鐵21 號(hào)線鎮(zhèn)龍西—員村段為采用靴軌集電系統(tǒng)的新建項(xiàng)目，線路長(zhǎng)35.0 km，其中地上線路7.2 km，地下線路27.8 km，依據(jù)交通運(yùn)輸部頒發(fā)的文件規(guī)定，需要完成靴軌關(guān)系安全測(cè)試評(píng)估.按照測(cè)試方法要求，通過(guò)在AW0 工況下電客車上安裝的靴軌檢測(cè)裝置對(duì)測(cè)試線路工程正線靴軌關(guān)系進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試.

3.1.1 接觸軌動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)

運(yùn)營(yíng)車靴軌關(guān)系檢測(cè)裝置具備定位點(diǎn)識(shí)別功能，每個(gè)定位點(diǎn)對(duì)應(yīng)輸出1 組接觸軌動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)全線上、下行每個(gè)定位點(diǎn)的接觸軌動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)的實(shí)測(cè)值與設(shè)計(jì)值的各等級(jí)偏離值個(gè)數(shù)，如表3 所示.

表3 全線接觸軌的工作高度、偏移值各等級(jí)偏離點(diǎn)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Deviation point quantity of different contact rail operation heights and different offsets for all sections 個(gè)

分析表3 可得：全線接觸軌幾何參數(shù)無(wú)偏離值大于5 mm 的數(shù)據(jù)，大部分偏離數(shù)據(jù)分布在0～4 mm，個(gè)別定位點(diǎn)偏離數(shù)據(jù)在4～5 mm，全線接觸軌幾何參數(shù)滿足評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求.

3.1.2 靴軌燃弧

各試驗(yàn)區(qū)間燃弧率分布和最大燃弧持續(xù)時(shí)間如表4 所示.

由表4 可知：下行線路燃弧率最大為0.022%，最大燃弧持續(xù)時(shí)間為53 ms，上行線路燃弧率最大為0.025%，最大燃弧持續(xù)時(shí)間為49 ms，表明全線靴軌燃弧與最大燃弧時(shí)間均滿足評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求.

表4 全線靴軌燃弧率與最大燃弧時(shí)間Tab.4 Arcing rate and maximum arcing time of collector shoe-rail for all sections

3.1.3 靴軌動(dòng)態(tài)接觸力

按照各試驗(yàn)區(qū)間統(tǒng)計(jì)靴軌動(dòng)態(tài)接觸力平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，如表5 所示.

由表5 可知：下行線路接Fm,max為135.6 N，F(xiàn)m,min為119.8 N，σ≤0.3Fm,max，上行線路Fm,max為130.3 N，F(xiàn)m,min為120.6 N，σ≤0.3Fm,max，表明全線靴軌動(dòng)態(tài)接觸力均滿足對(duì)應(yīng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求.

表5 全線靴軌動(dòng)態(tài)接觸力的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差Tab.5 Mean value and standard deviation of dynamic contact force of collector shoe-rail for all sections N

3.1.4 集電靴硬點(diǎn)

全線集電靴最大硬點(diǎn)如圖1 所示.由圖可知：下行、上行線路最大瞬時(shí)硬點(diǎn)分別為29.8、28.2 g，表明全線集電靴硬點(diǎn)滿足對(duì)應(yīng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求.

圖1 全線集電靴最大硬點(diǎn)Fig.1 Maximum hard spot of collector shoe for all sections

綜上，廣州地鐵21 號(hào)線鎮(zhèn)龍西—員村段工程各參數(shù)均滿足對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)要求.

3.2 CRQI 計(jì)算與評(píng)定

根據(jù)3.1 節(jié)各參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)全線CRQI 進(jìn)行計(jì)算.各試驗(yàn)區(qū)間根據(jù)里程計(jì)算的權(quán)重系數(shù)、CRQI 得分率、加權(quán)CRQI 得分率如表6 所示.根據(jù)表6 計(jì)算得到的該線路CRQI 為92.89 分，大于90.00 分[18].

表6 全線權(quán)重系數(shù)與CRQI 得分率Tab.6 Weight coefficients and score rates of CRQI for all sections

綜合3.1 節(jié)和3.2 節(jié)的分析結(jié)果可知，廣州地鐵21 號(hào)線鎮(zhèn)龍西—員村段全線各參數(shù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)滿足對(duì)應(yīng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn).

4 結(jié) 論

本文從廣州地鐵21 號(hào)線鎮(zhèn)龍西—員村段運(yùn)營(yíng)車全線靴軌檢測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，提出了靴軌關(guān)系安全測(cè)試評(píng)價(jià)方法.結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)情況可得到以下結(jié)論：

1）采用接觸軌動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)、靴軌燃弧、靴軌動(dòng)態(tài)接觸力、靴軌硬點(diǎn)4 項(xiàng)獨(dú)立參數(shù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)和基于Topsis 的接觸軌動(dòng)態(tài)運(yùn)行質(zhì)量指數(shù)評(píng)分的方法具有可行性，能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄩ_(kāi)通運(yùn)營(yíng)前靴軌關(guān)系安全評(píng)估工作提供技術(shù)參考.

2）采用本方法對(duì)廣州地鐵21 號(hào)線鎮(zhèn)龍西—員村段全線35.0 km 線路進(jìn)行安全評(píng)估，其各項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)指標(biāo)均符合對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)要求，且全線接觸軌運(yùn)行質(zhì)量指數(shù)評(píng)分Q >90.00 分，符合評(píng)估要求.

3）隨著檢測(cè)數(shù)據(jù)的積累以及本方法在實(shí)踐中的應(yīng)用，本方法能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄩ_(kāi)通運(yùn)營(yíng)前靴軌關(guān)系安全評(píng)估相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供前期基礎(chǔ)和有益探索.