城市軌道交通架空剛性懸掛技術的應用與改進

黃德亮，趙 勤，李金華，趙海軍

0 引言

架空剛性懸掛是城市軌道交通架空接觸網受流方式的一種，具有運行可靠性高、結構簡單、運營維護方便、安裝空間小等優點，適合在城市地鐵隧道內應用。到2008年底，架空剛性懸掛技術在國內研究與應用的時間已達10年。目前廣州、上海、南京等多條地鐵線路采用了架空剛性懸掛技術，北京、成都、蘇州、寧波、鄭州等多條地鐵計劃采用架空剛性懸掛技術。架空剛性懸掛已成為國內地鐵隧道內架空受流方式的首選。

架空剛性懸掛技術在國內經歷了一個從無到有的系統研究過程。作為主要技術研究人員，筆者將架空剛性懸掛的研究歷程及實際應用效果通過本文與同行共享，希望增進國內對該項技術的深入了解，解除業內部分人士對架空剛性懸掛關鍵技術的疑惑，更好地推廣該項技術在國內的應用。

1 架空剛性懸掛技術的提出

在廣州地鐵二號線建設之前，國內地鐵架空接觸網只有柔性懸掛一種模式。由于架空柔性懸掛的組成線材—承力索、接觸線、輔助饋線均帶有張力，一旦斷線直接影響地鐵的安全運營。如果工程中出現隧道漏水腐蝕線材、有機絕緣材料老化等問題，則架空柔性懸掛存在斷線隱患。

為提高接觸網系統的安全可靠性，1998年廣州地鐵二號線首次提出了采用架空剛性懸掛技術方案，并成立由廣州市地下鐵道總公司、中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司、中鐵電氣化局集團有限公司組成的聯合課題組對其進行系統研究。

2 架空剛性懸掛技術的研究起步

課題組首先對架空剛性懸掛進行了系統理論研究，對架空剛性懸掛弓網受流質量進行分析，確定弓網受流模型，開發了模擬計算軟件進行架空剛性懸掛弓網受流模擬。課題組在國內首次確定了架空剛性懸掛平面布置原則、錨段關節實施方案、剛柔過渡實施方案、道岔處交叉渡線處實施方案、懸掛安裝實施方案、異金屬間防止電腐蝕方案、施工工藝方案等。

架空剛性懸掛標準斷面由匯流排、接觸線、絕緣子、支持結構等組成，典型斷面見圖1。

為了使該項技術能夠在國內工程中推廣應用，必須在消化吸收國外技術精髓的基礎上進行產品國產化。為此，該課題組依據“建立架空剛性懸掛示范段→主要零部件設備國產化→建立試驗段”的研究思路進行了國產化研究。以上3步分別于1999年8月、2000年3月和2000年4月成功完成。

2000年12月18日，鐵道部科教司與廣東省科技廳聯合組織技術鑒定會，通過了對架空剛性懸掛研究成果的鑒定。

圖1 架空剛性懸掛典型斷面示意圖

3 架空剛性懸掛的工程實例

2003年6月28日，廣州地鐵二號線投入運營，這是國內第一條采用架空剛性懸掛技術的地鐵線路。該線采用垂直懸吊安裝方式，跨距為6～8 m；錨段長度為250～300 m，錨段中間設置中心錨結，中心錨結獨立設置；拉出值采用了“近似半正弦波”布置方案；架空剛性懸掛跨中弛度5 mm左右。

廣州地鐵二號線開通至今，接觸網運行效果良好，未發生一次弓網事故，驗證了架空剛性懸掛的可靠性和安全性。但客觀地說，由于是第一條采用架空剛性懸掛技術的地鐵線路，從接觸網設計、施工、監理到車輛受電弓匹配等方面均存在經驗不足，導致在運營過程中出現了一些技術問題，這也在業內引起了較大的爭議。

3.1 個別區段接觸線磨耗量偏大

接觸線磨耗由機械磨耗和電氣磨耗 2部分組成。對于架空剛性接觸網的接觸線與碳滑板的機械磨耗問題，課題組于2000年11月在鐵道部科學院產品質量監督檢驗中心進行了弓網磨耗模擬試驗，得出在Vmax= 80 km/h條件下接觸線和受電弓滑板機械磨耗的檢測數據，見表1。

表1 每萬弓架次接觸線的磨耗比值表

廣州地鐵二號線碳滑板與接觸線間靜態壓力為120 N，架空剛性懸掛接觸線的允許磨耗量為接觸線截面積的 2/3，以 120 mm2接觸線、每年 40萬弓架次進行估算，能夠滿足50年的使用年限。根據檢測數據統計分析，該線絕大部分架空剛性懸掛的接觸線實際磨耗量與試驗值基本吻合，說明架空剛性懸掛接觸線正常磨耗為機械磨耗。

通過對接觸線磨耗嚴重區段的調查分析，該區段的磨耗均為電氣磨耗造成的。該磨耗嚴重區段均為減振道床（軌道彈性較大）、變坡區段，同時車輛加速取流。在這幾種因素的共同作用下，車輛通過時，受電弓發生較大的震動，不能與接觸線可靠接觸，而該區段的受電弓取流又比較大。圖2為在紀念堂—越秀公園現場實際拍攝的接觸線磨耗照片，從中可以看出，受電弓與接觸線未能連續可靠接觸，產生火花，造成電氣磨耗嚴重。經測算，該區段每萬弓架次的接觸線磨耗量平均達到0.5 mm2，4年左右就需要進行接觸線更換，實際工程中3年后即進行了更換。

圖2 接觸線磨耗嚴重區段現場例圖

通過有限元分析法進行模擬分析，受電弓與接觸線不能可靠連續接觸可采取如下措施進行解決：一方面進行結構性優化，適當增加這些區段的彈性；另一方面提高受電弓的穩定性和追隨特性。

3.2 受電弓碳滑板磨耗不均勻

受電弓碳滑板磨耗不均勻與二號線錨段的布置有關。二號線接觸網在一個錨段（約250 m）布置成一個“近似半正弦波”。由于缺乏專用設計軟件，設計圖無法給出全部懸掛點的拉出值，只給出了關節處、最大拉出值處等關鍵懸掛點的拉出值，其余懸掛點的拉出值要求施工人員根據“近似半正弦波”布置進行現場調整。而工程安裝時，由于缺乏具體拉出值作為依據，部分錨段的實際布置不是“近似半正弦波”形，造成受電弓的磨耗不均勻。

目前“架空剛性懸掛平面布置軟件”已經開發成功，所有懸掛點的拉出值均能準確給出，能夠指導現場調整出“近似全正弦波”形布置。理論上定性地看，“近似半正弦波”和“近似全正弦波”形布置對接觸線的磨耗基本一致，“近似全正弦波”形布置模式可使受電弓滑板的磨耗更趨均勻。廣州地鐵三號線全部采用“近似全正弦波”形布置模式，通過實際測量，該線受電弓碳滑板磨耗的均勻度較二號線有了很大的提高。因此將二號線錨段的布置調整成“近似全正弦波”形布置，可改善受電弓碳滑板磨耗不均勻問題。

以上是廣州地鐵二號線架空剛性接觸網在實際運行中出現的最突出的2個問題。目前針對二號線接觸網及受電弓的整改方案正在研究實施之中。

4 時速120 km架空剛性懸掛技術與應用

廣州地鐵三號線是國內第一條最高運行速度120 km/h的快速地鐵線路，對接觸網的系統性能提出了更高的要求。主要體現在機車快速運行過程中接觸網的安全可靠性、弓網關系的匹配性。通過系統研究，地鐵三號線在二號線的基礎上，架空剛性懸掛采取了如下技術創新：

（1）國內首次采用“扁平式150 mm2銅銀接觸線”技術，解決快速運行時大電流及大弓網接觸面積的要求。

（2）國內首次采用“膨脹元件錨段關節”技術，同時將錨段長度由250 m延長至300 m，改善了錨段關節弓網受流薄弱環節，克服了快速運行時的離線問題。

（3）國內首次采用“近似全正弦波”形布置、“6 m標準跨距”、“中心錨結與懸掛點合并”等技術，將架空剛性懸掛跨中弛度由4 mm降為2 mm左右，改善了受流質量，滿足了快速受流的要求。

（4）國內首次開發成功“架空剛性懸掛平面布置軟件”，用于工程設計，保證了工程質量。

廣州地鐵三號線從2006年6月28日開通至今未發生一次弓網事故，驗證了120 km/h快速架空剛性懸掛接觸網系統的可靠性和安全性。針對120 km/h快速架空剛性懸掛而研發的多項關鍵技術均為國內首創，也解決了二號線的 2個技術難題。廣州地鐵三號線為國內今后地鐵運行速度的提升積累了寶貴的經驗。

5 架空剛性懸掛技術的應用

通過廣州地鐵二號線和三號線的成功應用，架空剛性懸掛技術得到了全國的普遍認同。目前廣州、上海、南京、北京、天津、重慶、沈陽、鄭州、長沙、寧波等20多條地鐵線路的隧道內采用了該項技術。

廣州地鐵一號線建設時采用了架空柔性懸掛技術，由于部分隧道漏水嚴重，污水腐蝕柔性懸掛承力索和接觸線，存在斷線的隱患。目前該區段已在不停運的條件下完成了從架空柔性到剛性的“柔改剛”技術改造，為架空柔性懸掛地鐵線路不停運條件下進行大修更換提供了很好的技術方案。電氣化鐵道隧道內也開始采用架空剛性懸掛技術。

6 結束語

架空剛性懸掛技術在我國通過了十分系統的研究過程，既借鑒國外技術經驗又獨立自我創新，保證了該技術在國內能夠廣泛推廣應用。

盡管廣州地鐵二號線存在一些技術問題，但作為國內第一條架空剛性懸掛的應用工程，在國內城市軌道交通發展史上的地位和作用是不容忽視。

從1998年到2009年，架空剛性懸掛技術在國內的研究與應用已經超過了10年。隨著應用工程的增多，架空剛性懸掛出現的技術問題也會更多、更加復雜，通過本文希望能起到拋磚引玉的作用，希望能與國內同行一起，為架空剛性懸掛技術在國內的更好應用不斷努力。