1、城市轨道交通架空刚性接触网平面布置优化设计摘要：本文以广州地铁二号线受电弓碳滑板异常磨耗为切入点，分析了既有城市轨道交通架空刚性接触网各种平面布置方案对碳滑板机械磨耗的影响，并在此基础上提出一种新的架空刚性接触网平面布置方案，以达到减少受电弓碳滑板异常磨耗，改善弓网关系的目的。 关键词：城市轨道交通；架空刚性接触网平面布置；优化设计 中图分类号：F291.1 文献标识码：A 文章编号： 引言 架空刚性接触网是城市轨道交通架空接触网授流方式的一种，具有结构简单，安装方便，运营维护工作量小，安全可靠性高等优点。自2003 年广州地铁二号线首次采用并实现国产化以来，架空刚性悬挂技术已在广州、上海、南
2、京、深圳、成都、苏州、宁波等国内多个城市地铁线路中得到推广应用，现已成为我国地铁隧道内架空受流方式的首选。 我国的架空刚性悬挂技术经历了十分系统的研究过程，是在借鉴国外技术经验的基础上经自我创新而成，经过十多年的研究与应用，总体上已十分成熟，实际运营中架空刚性接触网运行效果良好，未发生一次弓网事故。但任何事物都不是尽善尽美的，架空刚性接触网也不例外。通过对已开通线路的调研，运营部门普遍反映受电弓碳滑板出现了不同程度的不均匀磨耗，其中以广州地铁二号线最为严重（见图 1） 。 图 1 广州地铁二号线受电弓碳滑板磨耗情况 碳滑板异常磨耗的主要表现为碳滑板表面出现不平滑凹槽，尤以两侧为甚。凹槽的出现极
3、大降低了碳滑板的使用寿命，增加车辆的维修成本，同时碳滑板表面高低不平也会增加钻弓、刮弓等事故发生的概率，降低地铁运营的安全性。本文旨在通过对受电弓碳滑板不均匀磨耗的原因分析，找出现有架空刚性悬挂技术的不足，并提出一些优化改进的建议，使之更加完善。 受电弓碳滑板磨耗不均的原因分析 一般来说，良好的弓网受流关系取决于两方面因素：一是受电弓和接触网均具备优良的技术性能，二是受电弓和接触网之间具有良好的匹配性，两者缺一不可。因此对于受电弓碳滑板磨耗异常的原因分析也应从接触网和受电弓两方面入手。 1）接触网 根据现场调查结果，刚性悬挂接触线普遍磨耗良好（见图 2） ，属正常机械磨耗，因此可以说受电弓碳滑
4、板的异常磨耗也主要是由弓网间机械磨耗造成的。对接触网而言，影响碳滑板机械磨耗的主要因素在于接触网的平面布置，即接触线相对于受电弓的分布情况。 图 2 接触线磨耗正常现场照片 下面以广州地铁二号线为例进行具体分析。广州地铁二号线刚性悬挂每个锚段基本呈近似半个正弦波状布置，为定性地研究接触网平面布置对受电弓碳滑板机械磨耗的影响，我们可将一个锚段等效为半个正弦波。等效模型见下图 3。 图 3 等效模型 等效模型数学函数如下： y=a*sin(/L*x)。 其中，a：最大拉出值（a 取 0.2m） L：锚段长度（L 取 243m） 将受电弓在200mm 范围内分成若干等分，并计算出每一等分内接触线的长
5、度，从而得出一个锚段内受电弓各个区段与接触网接触长度的分布图（见图 4） 。 图 一个锚段内受电弓接触长度分布图 从图中我们可以形象地看出在 0180mm 范围内接触长度基本相等，在 180200mm 范围内接触长度明显增多，约占全部接触长度的 32%，因此可以预见受电弓两侧机械磨耗要明显多于中间部分，这与受电弓实际磨耗效果基本吻合。 综上所述，接触网拉出值的分布对受电弓碳滑板的机械磨耗有影响，拉出值分布不均会造成受电弓碳滑板机械磨耗的不均，碳滑板与接触网接触时间长的区段易形成凹槽。 ）受电弓 为验证受电弓自身对弓网磨耗的影响，在一列广州地铁二号线列车上更换一架广州地铁一号线车辆受电弓，进行了
6、对比试验。通过近 3 个月、约 1.8 万公里的实验运行，得到如下测量数据。 换弓试验测量数据 表 经统计分析，二号线车辆受电弓上的碳滑板的平均磨耗率为 6.82 毫米/万公里，一号线受电弓碳滑板的平均磨耗率为 2.89 毫米/万公里。试验后的碳滑板照片见下图。 图 5 二号线受电弓磨耗后碳滑板 图 6 一号线受电弓磨耗后碳滑板 从试验后受电弓照片中可以看出，一号线受电弓也出现了不均匀磨耗，这也从侧面证明了接触网拉出值不均布对碳滑板机械磨耗的影响。另外两种受电弓磨耗率不相同，说明受电弓结构、弓头质量、碳滑板材质等受电弓自身因素与碳滑板磨耗量异常是相关的。 既有架空刚性接触网平面布置方案简析 目
7、前，我国刚性接触网平面布置主要有两种方案，一种为半波模式，即汇流排在一个锚段内呈半个近似“正弦波”布置（见图 7） ，广州地铁二号线即采用此种方式，对于锚段关节、最大拉出值等“关键悬挂点”严格规定了相应的拉出值，而“非关键悬挂点”受当时设计条件所限未给出具体拉出值。但要求施工单位根据现场情况将接触网调整成半个近似“正弦波”布置；一种全波模式，即汇流排在一个锚段内呈完整近似“正弦波”布置（见图 8） ，除广州地铁二号线外其他刚性悬挂线路均采用此种方式，对于锚段关节、最大拉出值等“关键悬挂点”严格规定了相应的拉出值， “非关键悬挂点”给出了参考拉出值。在施工中施工单位基本根据设计给出的拉出值进行安
8、装调整。 图 7 半波布置模式简图 图 8 全波布置模式简图 半波模式下一个锚段内受电弓与接触网接触长度的分布已在前文中得出，下面将全波模式下一个锚段等效为完整正弦波，得出受电弓各个区段与接触网接触长度的分布如图 9 所示。 图 9 全波模式下一个锚段内受电弓接触长度分布 由图 4 和图 9 可以看出，无论半波还是全波模式，相比与受电弓中部，受电弓两侧与接触线接触长度要长，使得受电弓两侧的机械磨耗较中间部位大。不同之处在于，在一个锚段内，半波模式下接触线只在半个受电弓上滑动；而全波模式下，接触线在整个受电弓上滑动，且与受电弓任一区域的接触长度是半波模式的一半。全波模式下，接触线在受电弓上的滑动
9、频率更快，从而使得碳滑板磨耗更趋均匀。这一点从实际运营线路受电弓碳滑板磨耗中也可以得到证明。 图 10 全波模式受电弓碳滑板磨耗情况 架空刚性接触网平面布置方案优化建议 根据上文所述，既有架空刚性接触网平面布置方案都会使得受电弓碳滑板产生不同程度的不均匀磨耗，这是由正弦波的特性决定的。但从半波变成全波后，受电弓磨耗明显改善，也说明接触线在受电弓上的滑动频率越快，磨耗越均匀。另外如果使接触网在受电弓两侧均匀分布也会使得受电弓磨耗均匀。基于以上思路，为改善受电弓碳滑板的机械磨耗，结合现有平面布置模式，提出以下两种优化方案。 方案一：双正弦波布置模式 图 11 双正弦波布置模式简图 双正弦波方案是在
10、一个锚段内汇流排成两个近似正弦波布置，对于正弦波而言，虽然从理论分析上依然是受电弓的机械磨耗两侧要大于中间，但是由于在一个锚段内接触线在受电弓上循环运动两次，使得接触线在受电弓横向上的移动速度加大，从而可以起到改善弓网间机械磨耗的作用。 方案二：折线布置模式 参照柔性接触网平面布置方案，将一个锚段内汇流排基本成折线布置，折线间以圆弧相连，圆弧半径不小于汇流排最小人工弯曲半径。由于汇流排主要以直线形式出现，且与受电弓中心对称布置，因此可以说在此种布置方式下接触线在受电弓上的分布基本平均，每段碳滑板的机械磨耗基本相当。 图 12 折线布置模式简图 相比较现有的平面布置模式，上述两种布置方式均可以达到更好地改善弓网间机械磨耗的目的，代表着架空刚性悬挂平面布置的发展方向。但需要注意的是，两种布置模式中汇流排弯曲次数更多，弯曲半径更小，易出现伸缩过程中汇流排与定位线夹卡滞的现象，因此需要在实际工程应用中对现有汇流排安装方式、零部件结构等加以优化改进。 结束语 本文通过对受电弓碳滑板不均匀磨耗问题成因的分析，提出了架空刚性接触网平面布置的优化设计方案，希望能为架空刚性悬挂技术的不断发展完善提供一些帮助。 参考文献： 1谭冬华.架空刚性接触悬挂弓网磨耗异常的原因分析与解决办法J .电气化铁道，2007
