地鐵剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系與優(yōu)化策略分析

宋博瀚

（中鐵建電氣化局集團(tuán)軌道交通器材有限公司，江蘇 常州 213179）

作為地鐵工程最關(guān)鍵的構(gòu)成部分之一，剛性接觸網(wǎng)雖然比柔性懸掛有非常顯著的優(yōu)勢(shì)，但與此同時(shí)，其局部彈性較差及磨耗不均勻的問題也是不能忽略的，如果無法進(jìn)行弓網(wǎng)關(guān)系的及時(shí)優(yōu)化，則地鐵運(yùn)行的效率與安全性也無法得到保證。由此可見，作為接觸網(wǎng)專業(yè)技術(shù)人員，結(jié)合地鐵工程對(duì)剛性接觸網(wǎng)的施工要求，以及剛性施工網(wǎng)的特征對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化以減少磨耗已勢(shì)在必行。

1 地鐵剛性接觸網(wǎng)的構(gòu)成及其特征

剛性接觸網(wǎng)的主要構(gòu)成，即為接觸懸掛、支持定位裝置、絕緣部件和架空地線，其中接觸懸掛則主要有匯流排、接觸線、伸縮部件和中心錨結(jié)這四個(gè)組成部分；支持定位裝置需在隧道頂部或者壁上安裝；懸掛布置的整體形狀為正弦波，一個(gè)錨段形成半個(gè)正弦波，各懸掛點(diǎn)通常情況下和受電弓中心間距不會(huì)超過200mm（圖1）。

圖1 剛性懸掛網(wǎng)布置圖

雖然剛性接觸網(wǎng)出現(xiàn)的時(shí)間并不長，但卻憑借自身施工方便、安全穩(wěn)定、維護(hù)簡單、適應(yīng)速度強(qiáng)、成本低以及供電間距長等優(yōu)勢(shì)，以其結(jié)構(gòu)緊湊簡單、施工方便、工程造價(jià)低、安全可靠、可維護(hù)性高、供電間距長以及適應(yīng)速度較高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地鐵建設(shè)中。與此同時(shí)，剛性接觸網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在占空間小和無軸向張力上，其與受電弓共同組成地鐵架空剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)系統(tǒng)，使車輛在足夠能量的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 優(yōu)化地鐵剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的必要性

雖說電氣化鐵路柔性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)系統(tǒng)，與地鐵架空剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的功能沒有太大區(qū)別，但二者的線路條件、受電弓性能、行車組織以及接觸懸掛結(jié)構(gòu)類型卻是存在極大差異的，這導(dǎo)致各城市甚至同一城市各線路的特征都不同，進(jìn)而造成弓網(wǎng)關(guān)系惡化、接觸線磨耗分布嚴(yán)重不均的問題。如果無法及時(shí)檢測(cè)并優(yōu)化，則地鐵剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的穩(wěn)定性和安全性必然會(huì)降低，不僅會(huì)使運(yùn)維壓力大幅提高，對(duì)車輛行駛來講也是不能忽視的安全威脅。因此，地鐵運(yùn)維部門與技術(shù)人員使用專業(yè)的檢測(cè)技術(shù)，在掌握各線路弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行特征的基礎(chǔ)上，為相應(yīng)的優(yōu)化工作提供指導(dǎo)，制定完善、科學(xué)的策略并落實(shí)，達(dá)成提高運(yùn)維效率和水平的目的，為剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行創(chuàng)造良好環(huán)境。

3 剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的現(xiàn)狀

首先，經(jīng)實(shí)踐證明，剛性接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)，能為地鐵高效運(yùn)行提供高度保證，但與此同時(shí)，相比柔性懸掛技術(shù)來講，剛性懸掛網(wǎng)柔性差和拉出值調(diào)節(jié)困難的問題也很明顯，特別是地鐵工程的施工空間較小，所以弓網(wǎng)關(guān)系的優(yōu)化是目前此領(lǐng)域迫在眉睫的任務(wù)。

其次，在電弓磨耗不規(guī)則的情況下，接觸線磨耗不均勻也是正常的，進(jìn)一步在受電弓被磨后兩端形成的凹槽作用下，導(dǎo)致錨段中部接觸線也出現(xiàn)偏磨的問題。最后，接觸線工作面的平滑性無法保證，也會(huì)加重受電弓磨耗不規(guī)則的問題，長此以往，弓網(wǎng)關(guān)系惡化必然還會(huì)更加嚴(yán)重，進(jìn)而加大打火和拉弧及離線問題出現(xiàn)的概率，其甚至?xí)?dǎo)致接觸線、受電弓或接觸網(wǎng)設(shè)備受損，使機(jī)車受流質(zhì)量大幅下降。

4 影響地鐵剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的主要因素

4.1 平面布置形式

由于剛性接觸網(wǎng)的主要特征就是較大的匯流排剛度，所以其在平面布置形式時(shí)無法選擇“之”字形，導(dǎo)致平面布置的均勻性與實(shí)際要求差距較大。就我國地鐵線路施工的目前情況來看，“S”和“八”字是剛性接觸網(wǎng)單個(gè)錨段平面布置最常見的兩種形式，其中前者又可以劃分成一次過零和三次過零這兩種方法，且拉出值通常會(huì)在±100mm或者是±200mm處呈集中狀態(tài)分布；而后者的拉出值分布均勻性相對(duì)較強(qiáng)。受電弓滑板在通過的過程中，會(huì)受到接觸線分布空間位置差異的影響，具體來講，接觸線接觸滑板的各位置并發(fā)生摩擦的概率不確定，所以滑板各位置的磨耗量也不同，進(jìn)而導(dǎo)致滑板形狀被磨耗的不均勻。

此時(shí)，剛性接觸網(wǎng)采取不同的平面布置形式，也會(huì)受到拉出值分布特征的影響，致使受電弓滑板各處磨耗程度不同。

除此以外，為符合地鐵線路建設(shè)和匯流排伸縮的具體要求，一條線路一般情況下需采取一種及以上的平面布置形式，與此同時(shí)，各平面布置形式的占比差異，也會(huì)對(duì)受電弓滑板磨耗分布起到?jīng)Q定性的作用，再形成最終的滑板磨耗廓形。

對(duì)各地地鐵全線動(dòng)態(tài)拉出值分布特征進(jìn)行分析后可得出結(jié)論，其中除含括三類平面布置特征外，滑板磨耗形狀和用于分析的拉出值分布特征高度重合，由此可見，不同平面布置形式是受電弓滑板磨耗廓形受到影響的重要因素，進(jìn)而影響剛性接觸網(wǎng)整體的弓網(wǎng)關(guān)系。

4.2 接觸線磨耗分布不均勻

剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的原理，簡單來講，就是基于復(fù)雜的大氣環(huán)境，多場(chǎng)耦合作用下形成的載流摩擦磨損現(xiàn)象，而磨損機(jī)理則共有機(jī)械磨耗和電氣磨耗這兩個(gè)重點(diǎn)構(gòu)成部分，前者含括磨粒、疲勞以及黏著磨損這三種類型，后者以電弧熔融噴濺與電離子轉(zhuǎn)移為主要內(nèi)容。根據(jù)相關(guān)調(diào)查研究報(bào)告顯示，在接觸線與受電弓滑板材料固定的情況下，這兩種磨損是由剛性接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)接觸力和牽引電流決定的。另外，如果以剛性接觸網(wǎng)平順度足夠?yàn)榍疤?，則弓網(wǎng)接觸力和運(yùn)行速度間的聯(lián)系最密切，相關(guān)研究人員通過大量仿真與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出的結(jié)果表明，以往傳統(tǒng)的地鐵線路剛性接觸網(wǎng)運(yùn)行速度，最高只能達(dá)到120km/h，而在采取跨距優(yōu)化和彈性線夾安裝等策略后，運(yùn)行速度最高可達(dá)到250km/h，由此可見，剛性懸掛接觸線的載流磨損分布情況，會(huì)受到車輛牽引電流分布特征的極大影響。

在地鐵車輛運(yùn)行特殊性的作用下，其運(yùn)行過程中的牽引電流相對(duì)較大，且電流會(huì)在駛出站區(qū)的時(shí)候出現(xiàn)驟增的現(xiàn)象，導(dǎo)致剛性接觸線在此區(qū)段受到嚴(yán)重磨耗。以某地鐵線路為例，在對(duì)其區(qū)間接觸線嚴(yán)重磨耗部位分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，可明確全線區(qū)間共有27個(gè)，出站區(qū)第1個(gè)到第5個(gè)錨段，是剛性接觸網(wǎng)磨耗最嚴(yán)重的位置，這與上述所分析的牽引電流分析特征是相同的。其中有兩個(gè)區(qū)間因?yàn)殚g距大所以出站區(qū)的加速時(shí)間較長，所以其磨耗嚴(yán)重的錨段也更多，因此，技術(shù)人員可從此入手展開弓網(wǎng)關(guān)系的優(yōu)化。

5 優(yōu)化地鐵剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的有效措施

5.1 準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)際磨耗值

上述已經(jīng)提過，剛性接觸網(wǎng)平面布置是滑板磨耗的重要影響因素，但在受電弓橫向擺動(dòng)量與車體晃動(dòng)量的作用下，剛性接觸線和受電弓滑板中心的水平空間位置，和它與線路中心的不同，二者的拉出值分別是動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的，因此，僅掌握其靜態(tài)拉出值分布特征，受電弓滑板磨耗形狀檢測(cè)的準(zhǔn)確性很難得到保證，動(dòng)態(tài)拉出值的測(cè)量也是非常必要的。此時(shí)，技術(shù)人員還應(yīng)充分考慮到，無論是同一車輛或者不同車輛，在載荷與運(yùn)動(dòng)速度存在差異的情況下，相對(duì)受電弓滑板中心來講，線路位置相同的接觸線與其的水平橫向位置也不是固定不變的，若想盡可能提高車輛受電弓滑板磨耗程度的準(zhǔn)確性，就必須先確保檢測(cè)裝置能實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸線與水平橫向位置的準(zhǔn)確測(cè)量。

具體來講，技術(shù)人員可以基于各類載荷工況，對(duì)運(yùn)營車輛的全線接觸線動(dòng)態(tài)拉出值數(shù)據(jù)，展開科學(xué)、全面、詳細(xì)的分布特征統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而最大程度地提高運(yùn)營車輛受電弓滑板磨耗值測(cè)量的準(zhǔn)確性。此外，技術(shù)人員還應(yīng)重視其他的檢測(cè)參數(shù)，例如，接觸線高度、導(dǎo)線水平和垂直間距、速度、距離以及拉出值等，這樣不僅對(duì)測(cè)量錨段關(guān)節(jié)等雙支接觸線高區(qū)段長度的順利展開非常有幫助，也使得滑板磨耗形狀結(jié)果更加準(zhǔn)確。

5.2 改良懸掛結(jié)構(gòu)剛度和系統(tǒng)彈性

根據(jù)國際相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果可知，如果能在使剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)的剛度降低的同時(shí)強(qiáng)化系統(tǒng)彈性，如使用彈性螺桿代替懸掛螺桿，使用彈性絕緣子與彈性定位線夾，則對(duì)地鐵剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的優(yōu)化而言能發(fā)揮極好的效果。

經(jīng)實(shí)踐證明，這些先進(jìn)器件能有效提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)懸掛的彈性，一方面，使剛性懸掛受電弓得匹配性得以提升；另一方面，也能使授流得到改善?，F(xiàn)如今，彈性絕緣子與彈性定位線在實(shí)際施工中應(yīng)用的最多，其原理簡單來講，就是基于結(jié)構(gòu)對(duì)高彈性特征，使懸掛接觸網(wǎng)的剛度盡量減小，進(jìn)一步減弱受電弓對(duì)接觸網(wǎng)可能造成的沖擊，最大程度上增強(qiáng)弓網(wǎng)授流的平穩(wěn)性，最終實(shí)現(xiàn)盡量避免接觸網(wǎng)電氣異常磨損與優(yōu)化弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流性能的目的。我國廣東省佛山市以及杭州等地鐵線路，均在剛性接觸網(wǎng)施工中使用了彈性絕緣子與彈性定位線，以通過降低剛度、強(qiáng)化彈性優(yōu)化接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系，進(jìn)而降低運(yùn)維的難度和壓力。

除此之外，彈性懸掛絕緣子與彈性定位線夾還可以組合使用，即技術(shù)人員需在彈性絕緣懸掛組件上安裝匯流排，同時(shí)，依靠剛性接觸線與匯流排本身的重量，使懸掛組件的彈性元件形狀變化，實(shí)現(xiàn)力量上的相互平衡。這樣一來，在電客車受電弓與剛性接觸網(wǎng)懸掛點(diǎn)相錯(cuò)的時(shí)候，就會(huì)由彈性元件抵消受電弓向上沖擊時(shí)產(chǎn)生的力，同時(shí)，橡膠材料還能吸收大部分車輛運(yùn)動(dòng)帶來的振動(dòng)，從而有效減少受電弓的離線率，使弓網(wǎng)磨耗得到大幅降低。

5.3 確保受電弓與接觸網(wǎng)的匹配性

地鐵線路剛性接觸網(wǎng)和受電弓屬于一個(gè)整體，因此，即使各線路的運(yùn)行速度不同，也必須確保接觸網(wǎng)類型及參數(shù)與之相適應(yīng)，且需有用于匹配接觸網(wǎng)類型的受電弓。另外，若想減少弓網(wǎng)磨耗，技術(shù)人員應(yīng)將受電弓靜態(tài)接觸壓力調(diào)整并控制在100～140N，在采取氣囊懸掛方式的同時(shí)，選擇質(zhì)量較小的弓頭，保證滑板能在弓投結(jié)構(gòu)的作用下和接觸線穩(wěn)定接觸，需使用電阻率小的滑板材料。相同線路的滑板材質(zhì)和種類最好相同，否則，剛性接觸線表層結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)差異，進(jìn)一步使接觸線與滑板所受的磨耗更加嚴(yán)重。技術(shù)人員應(yīng)對(duì)受電弓進(jìn)行日常檢查，如果發(fā)現(xiàn)碳滑板出現(xiàn)1～2mm的凹凸，則應(yīng)及時(shí)進(jìn)行打磨，確保工作面的平滑度與標(biāo)準(zhǔn)相符，從細(xì)節(jié)處為剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的優(yōu)化奠定牢固基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

綜上所述，對(duì)于地鐵剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系而言，其極易受到多方因素的影響，而導(dǎo)致出現(xiàn)接觸線磨耗不均勻分布等問題，如果無法有針對(duì)性地優(yōu)化改良，則必然會(huì)使弓網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性下降，進(jìn)而加大地鐵運(yùn)行系統(tǒng)整體的運(yùn)維難度。未來城市交通對(duì)地鐵的需求和要求還會(huì)不斷提高，從優(yōu)化剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系等細(xì)節(jié)處入手，來提高地鐵工程的整體質(zhì)量，也必須提上日程，這也是城市交通領(lǐng)域能實(shí)現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展的必要途徑。