市域(郊)鐵路時速160 km接觸網(wǎng)研究

余 韜

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司 北京 102600)

1 引言

第七次全國人口普查數(shù)據(jù)顯示我國城鎮(zhèn)化率63.89%，正處于城鎮(zhèn)化快速發(fā)展的中后期，推動現(xiàn)代都市圈建設(shè)是順應(yīng)我國新型城鎮(zhèn)化的必然要求。由于現(xiàn)代化都市圈需要市域(郊)鐵路支撐和引領(lǐng)，因此賦予了市域(郊)鐵路發(fā)展使命和生命力。市域(郊)鐵路主要布局在經(jīng)濟發(fā)達、人口聚集的都市圈內(nèi)的中心城市，滿足1 h通勤圈需求，平均站間距原則上不小于3 km。

市域(郊)鐵路都市圈和通勤兩個特征確定了其速度宜為100～160 km/h[1]1。與城際鐵路相比，市域(郊)鐵路客流具有潮汐現(xiàn)象，早晚高峰明顯，行車密度大、站間距較小。與城市軌道交通相比，市域(郊)鐵路設(shè)計速度高，運輸組織模式靈活，舒適性、經(jīng)濟性更高，既可組織“站站?！?，也可組織“快慢車”運行[2]，滿足乘客不同距離快速通勤需要。因此增強市域(郊)鐵路運營供給能力，可以為完善城市綜合交通體系、引領(lǐng)都市圈發(fā)展提供有力支撐。目前京津冀、粵港澳大灣區(qū)、長三角、成渝、長江經(jīng)濟帶等都市圈正在大力推進市域(郊)鐵路。

根據(jù)國家發(fā)展改革委等部門《關(guān)于推動都市圈市域(郊)鐵路加快發(fā)展意見》，新建市域(郊)鐵路的敷設(shè)原則上以地面建設(shè)為主，進出樞紐的路段可研究采用地下方式。作為市域(郊)鐵路重要組成部分之一的接觸網(wǎng)，需相應(yīng)滿足地上和地下兩種線路的應(yīng)用。不同速度時，因為工程造價等因素，牽引供電制式不盡相同[3]，導(dǎo)致接觸網(wǎng)安裝方式也各不相同。速度為100～120 km/h的市域(郊)鐵路接觸網(wǎng)設(shè)計已較為成熟。而速度為160 km/h的已運營市域(郊)鐵路僅有北京新機場線，因此該時速的地上和地下區(qū)段的接觸網(wǎng)需要重點研究。

2 牽引供電制式及授流方式

牽引供電制式主要指電流制式、電壓等級。市域(郊)鐵路有3種供電制式，分別為:直流制式750 V、直流制式1 500 V和交流制式25 kV。當(dāng)速度140 km/h及以上時，結(jié)合空氣動力學(xué)效應(yīng)和技術(shù)經(jīng)濟比選后，宜采用交流制式，電壓為25 kV。

接觸網(wǎng)的授流方式體現(xiàn)了載流能力和機械接觸的特點[4]，可分為架空接觸網(wǎng)和接觸軌兩種。接觸軌一般應(yīng)用于120 km/h速度及以下的線路。架空接觸網(wǎng)應(yīng)用很廣，在100～160 km/h速度范圍均有使用，包含了剛性懸掛架空接觸網(wǎng)和柔性懸掛架空接觸網(wǎng)兩種。國內(nèi)接觸網(wǎng)系統(tǒng)主要應(yīng)用現(xiàn)狀見表1所示。

表1 國內(nèi)接觸網(wǎng)系統(tǒng)主要應(yīng)用現(xiàn)狀

速度160 km/h接觸網(wǎng)宜采用架空方式授流。

3 地下段接觸網(wǎng)安裝

國內(nèi)160 km/h速度市域(郊)鐵路目前已開通運營的只有北京新機場線，正在施工的有結(jié)合珠三角城市交通建設(shè)的廣州地鐵18和22號線。為了減少隧道斷面開挖的工程量，通過技術(shù)經(jīng)濟比較后，上述線路接觸網(wǎng)均采用懸臂式剛性懸掛架空接觸網(wǎng)。

3.1 懸臂式剛性懸掛組成

懸臂式剛性懸掛是采用吊柱上安裝絕緣子及定位線夾連接板，定位線夾根據(jù)設(shè)計拉出值可在定位線夾連接板上移動，定位線夾下方固定夾持接觸線的剛性匯流排，如圖1所示。列車通過受電弓和接觸線接觸授流運行。

圖1 懸臂式剛性懸掛

3.2 懸臂式剛性懸掛結(jié)構(gòu)參數(shù)對弓網(wǎng)動力特性的影響

3.2.1 接觸網(wǎng)拉出值及平面布置

剛性懸掛通常采用在一個錨段內(nèi)實現(xiàn)一次或多次周期性變化，且由于匯流排彎曲半徑限制，拉出值在極大位置上無法實現(xiàn)突變，因此容易出現(xiàn)受電弓磨耗不均勻的現(xiàn)象。

國內(nèi)的剛性接觸網(wǎng)平面布置一般采用半波方式或全波方式布置。

部分采用上述方案的線路開通運行一段時間后，受電弓碳滑板會出現(xiàn)嚴重磨損，并且磨耗呈現(xiàn)不均勻分布，部分嚴重區(qū)域出現(xiàn)磨損凹槽。靜態(tài)拉出值與受電弓磨耗對比，如圖2所示。

圖2 靜態(tài)拉出值與受電弓磨耗對比

通過測量受電弓磨損處相對受電弓中心的偏移值，可以得到磨損位置的接觸網(wǎng)拉出值，兩側(cè)在距離受電弓中心100～200 mm區(qū)域受電弓碳滑板磨耗較大，經(jīng)檢測數(shù)據(jù)以及計算分析，主要是三方面的原因。

(1)采用正弦波布置方式

剛性懸掛采用正弦波布置時，根據(jù)正弦波的公式計算可知一個完整的正弦波剛性懸掛錨段，波峰和波谷在拉出值190～200 mm范圍的導(dǎo)線長度占到整個錨段長度的20%左右。每1 mm拉出值匯流排分布的長度稱為拉出值單位磨耗長度，波峰和波谷處拉出值單位磨耗長度為其他部位的4倍以上，因此拉出值最大處的磨損大。

非波峰或波谷區(qū)段，拉出值變化率是一個變化的數(shù)值，該值在0～5 mm/m之間。即拉出值范圍雖然相同，但接觸線在受電弓碳滑板上的滑動距離不同，因此接觸線在碳滑板上不同的部位摩擦的概率也不相同，導(dǎo)致碳滑板的磨耗不均勻，磨損嚴重的地區(qū)就容易出現(xiàn)凹槽。

(2)曲線處布置方式

在曲線區(qū)段，剛性懸掛將匯流排設(shè)置在曲線的外側(cè)，接觸線均在線路一側(cè)的受電弓碳滑板上滑動，滑動范圍小。當(dāng)曲線線路較長或者環(huán)線線路，碳滑板線路兩側(cè)的磨耗不均勻問題非常突出。

(3)拉出值影響碳滑板表面的溫升

當(dāng)接觸網(wǎng)采用線路兩側(cè)相同的拉出值時，能讓懸掛點及接觸線在受電弓兩側(cè)相同分布，使兩側(cè)的磨耗一致。但是由于拉出值決定了接觸線在碳滑板的滑動距離，即決定哪些區(qū)域被磨耗。拉出值為200 mm時，受電弓碳滑板只有400 mm寬度范圍被利用，而其他區(qū)域與導(dǎo)線接觸很少，造成了碳滑板的磨損集中。

受電弓運行過程中接觸線和受電弓滑板只是接觸點授流[5]，授流面積小，大電流經(jīng)過時接觸點溫升較大[6]。如果拉出值較小，接觸線在小范圍內(nèi)與受電弓持續(xù)摩擦，電流及摩擦導(dǎo)致的溫升不能及時散發(fā)，導(dǎo)致受電弓快速磨損。

要解決剛性懸掛受電弓滑板磨損，需要減少碳滑板與接觸線的磨耗以及磨耗不均勻性。結(jié)合上述分析的原因，可采用相應(yīng)的優(yōu)化方案。

(1)采用折線布置方式

由于正弦波布置方式拉出值變化率不是固定數(shù)值，導(dǎo)致磨耗的不均勻。因此通過將接觸線按直線布置，采用固定拉出值變化率，使導(dǎo)線在碳滑板上具有固定變化速率，使碳滑板磨耗均勻。拉出值變化率根據(jù)錨段長度的要求，按照2.5～10 mm/m選取。

由于最大拉出值處匯流排受最小半徑限制，無法采用折線方式，但是可以在最大拉出值懸掛點兩側(cè)兩跨范圍內(nèi)，按照匯流排允許的彎曲最小半徑進行布置，減少該處接觸線與碳滑板的接觸時間。

(2)曲線處采用線路中心兩側(cè)布置方式

當(dāng)曲線處剛性懸掛采用曲線外單側(cè)布置會導(dǎo)致磨耗不均勻，因此可以將曲線區(qū)段按照直線區(qū)段進行剛性懸掛的布置，根據(jù)接觸線與碳滑板中心的相對軌跡，以碳滑板為中心，讓定位點在兩側(cè)對稱且均勻分布，使得受電弓兩側(cè)的磨耗均勻且一致。

(3)增加最大拉出值

拉出值小時，接觸線在受電弓碳滑板同一位置長時間摩擦，溫升較大，碳滑板磨損快。通過加大拉出值，增加碳滑板與導(dǎo)線接觸面積，擴大散熱，減少溫升。

同時拉出值也不能過于加大，由于機車在運行時會左右晃動，受電弓動態(tài)包絡(luò)線有左右擺動量，拉出值過大時可能導(dǎo)致接觸線超出碳滑板的接觸范圍[7]，嚴重時會出現(xiàn)脫弓。其次當(dāng)拉出值加大時，會導(dǎo)致拉出值變化率的增加。通過現(xiàn)場比較，最大拉出值采用250 mm時，碳滑板磨損相對較小。

3.2.2 跨距

剛性架空接觸網(wǎng)，《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB 10623—2014)[8]要求最大跨距不宜大于12 m且相鄰跨距之比不宜大于1∶1.25；《市域鐵路設(shè)計規(guī)范》(T/CRS C0101—2017)[9]要求連續(xù)中間跨相鄰跨距之比不宜大于1∶1.25?！冻鞘熊壍澜煌芸战佑|網(wǎng)技術(shù)標準》(CJJ/T 288—2018)[10]要求懸掛點的跨距宜為6～10 m；《市域(郊)鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB 10624—2020)[1]125要求跨距應(yīng)根據(jù)行車速度、匯流排剛度與彈性、受電弓參數(shù)等綜合確定。

剛性接觸網(wǎng)錨段連接有兩種，一種是錨段關(guān)節(jié)，一種是膨脹接頭。通過比較DSA380型受電弓通過不同跨距下兩種錨段連接的弓網(wǎng)動態(tài)性能，對于不同跨距進行比選。

(1)錨段關(guān)節(jié)

受電弓以160 km/h運行速度通過不同跨距的剛性懸掛錨段關(guān)節(jié)，跨距8 m的接觸力波動相對較小。進一步統(tǒng)計接觸力特征值，跨距8 m的接觸力標準差最小，最小接觸力最大，說明跨距8 m剛性懸掛的接觸質(zhì)量最優(yōu)。

(2)膨脹接頭

受電弓以160 km/h運行速度通過不同跨距的剛性懸掛膨脹接頭，跨距6.4 m和跨距8 m的接觸力波動相對較小。進一步統(tǒng)計不同跨距接觸力特征值?？缇?.6 m的接觸力標準差最大，最小接觸力最小，說明跨距9.6 m剛性接觸網(wǎng)的接觸質(zhì)量最差；跨距6.4 m和8 m的接觸力標準差、最小接觸力和最大接觸力接近，但跨距8 m時，剛性懸掛支持裝置較少，經(jīng)濟性能較優(yōu)。

綜合上述兩種方案比較，160 km/h剛性懸掛宜使用8 m跨距。

3.2.3 硬點

接觸網(wǎng)硬點會導(dǎo)致受電弓和接觸線的非常態(tài)磨損，甚至可能在接觸部位產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧或火花，進而損壞受電弓和接觸線[11]。因此需要嚴格控制接觸線硬點。交流25 kV時接觸線硬點要求見表2。

表2 交流25 kV時接觸線硬點要求

懸臂式剛性懸掛產(chǎn)生硬點主要有兩類:

(1)定位器固定點、分段絕緣器、膨脹接頭等與匯流排連接處因零部件和設(shè)備單位質(zhì)量增加，導(dǎo)致弓網(wǎng)壓力突變。

(2)施工過程中因為施工誤差過大，造成接觸線彎曲變形而導(dǎo)致的硬點。

為了減少硬點的產(chǎn)生，可以通過控制接觸網(wǎng)零部件和設(shè)備的誤差要求以減少硬點的產(chǎn)生。

(1)兩匯流排連接處，夾槽不平順度不大于0.3 mm。

(2)兩個相鄰懸掛點導(dǎo)線高度誤差不大于3 mm。

(3)膨脹接頭和分段絕緣器的懸掛點及兩端相鄰懸掛點導(dǎo)高調(diào)整到等高，誤差不大于2 mm。膨脹接頭和分段絕緣器與匯流排、軌平面平行且水平，誤差不大于0.1°。

4 地上段接觸網(wǎng)安裝

由于地上段不受凈空限制，結(jié)合建設(shè)經(jīng)濟性、施工檢修方便性和運營設(shè)備可靠性，160 km/h速度市域(郊)鐵路一般采用柔性懸掛架空接觸網(wǎng)。

4.1 柔性懸掛組成

柔性懸掛架空接觸網(wǎng)主要由棒式絕緣子、平斜腕臂、承力索座、定位管及定位器組成，如圖3所示。

圖3 柔性懸掛組成

4.2 柔性懸掛結(jié)構(gòu)參數(shù)對弓網(wǎng)動力特性的影響

4.2.1 接觸網(wǎng)拉出值及平面布置

接觸網(wǎng)柔性懸掛時，為了保證接觸線與受電弓充分摩擦接觸，直線區(qū)段采用“之”字型布置，以線路中心線為中點，接觸線在線路兩側(cè)的拉出值和變化率均相等。曲線半徑小于4 000 m區(qū)段，接觸網(wǎng)一般采用曲線外側(cè)布置。當(dāng)線路曲線比例較大，接觸線在碳滑板同一位置長時間摩擦，溫升較大，碳滑板磨損快，如圖4所示。

圖4 柔性懸掛受電弓磨損

為了減少磨損，通過分析線路最小曲線半徑，計算曲線處跨中拉出值的偏移量和懸掛點定位器的受力要求，在曲線半徑大于2 800 m的區(qū)段，根據(jù)接觸線與碳滑板中心的相對軌跡，以碳滑板為中心，讓定位點按兩側(cè)250 mm拉出值布置，以減少受電弓磨損。

4.2.2 剛?cè)徇^渡

由于接觸網(wǎng)連續(xù)性要求，地下段出口處剛性懸掛和柔性懸掛接觸網(wǎng)必須平順銜接。剛?cè)徇^渡有錨段關(guān)節(jié)式過渡和貫通式過渡兩種[12]，經(jīng)仿真分析弓網(wǎng)動力性能，貫通式剛?cè)徇^渡能滿足160 km/h速度要求。

通過減少剛?cè)徇^渡處定位點剛度和提高施工精度，可以有效改善弓網(wǎng)動態(tài)性能。

5 結(jié)束語

市域(郊)鐵路的建設(shè)方興未艾，但160 km/h速度的線路目前應(yīng)用較少。結(jié)合空氣動力學(xué)效應(yīng)、技術(shù)比選及國內(nèi)市域(郊)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，確定160 km/h速度接觸網(wǎng)采用交流制式25 kV的架空懸掛接觸網(wǎng)。

通過研究已開通運營的北京新機場線和在建廣州地鐵18、22號線，詳細介紹了地下段懸臂式剛性懸掛架空接觸網(wǎng)的組成。結(jié)合相關(guān)線路在弓網(wǎng)動力特性上遇到的問題，對剛性懸掛接觸網(wǎng)拉出值及平面布置、跨距和硬點等主要方面進行了分析并提出了優(yōu)化方案。

地上段介紹了柔性懸掛架空接觸網(wǎng)的組成，分析接觸網(wǎng)拉出值和剛?cè)徇^渡存在的問題，形成優(yōu)化方案。