剛性接觸網拉出值布置與磨耗分析

白凱元

(重慶市軌道交通設計研究院有限責任公司,400020,重慶∥工程師)

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剛性接觸網拉出值布置與磨耗分析

白凱元

(重慶市軌道交通設計研究院有限責任公司,400020,重慶∥工程師)

從地鐵接觸網單“八”字拉出值布置方式入手,并結合重慶地鐵6號線剛性懸掛拉出值布置方式,依據更合理利用受電弓滑板的原則,對接觸網拉出值布置進行優化,得到變坡“八”字拉出值布置方案。全面統計并分析不同拉出值區段匯流排的分布,并采用全線統一考慮的設計思路,實現增加受電弓的使用壽命、提高授流質量的目的。

地鐵; 剛性接觸網; 受電弓; 拉出值

Author′s address Chongqing Rail Transit Design and Research Institute Co.,Ltd.,400020,Chongqing,China

目前,我國地鐵剛性接觸網主要采用正弦波以及“八”字拉出值布置方式。采用傳統正弦波拉出值布置方式易產生受電弓磨耗不均情況,而“八”字拉出值布置方式可保證受電弓兩側的兩個半弓磨耗一致,增加受電弓使用壽命,提高授流質量[1]。故從簡述單“八”字拉出值的布置入手,基于提高受電弓的使用壽命,結合重慶地鐵6號線剛性接觸網拉出值布置及受電弓實際磨耗情況,提出較合理的優化方案。

1 單“八”字拉出值布置方式

此種剛性接觸網拉出值布置形狀近似“八”字,并且1個錨段之內只有1個“八”字,故稱之為單“八”字拉出值布置方式(如圖1所示)[1]。在單“八”字拉出值布置方式中,曲線區段及直線區段均統一按照直線區段考慮; 只考慮匯流排相對于受電弓中心的相對軌跡; 讓懸掛點在受電弓中心兩側均勻分布;在最大拉出值位置設置中錨; 中錨兩側的半錨段內,根據錨段長度的不同,一般按照2.5～10.0 mm/m的拉出值變化率布置。這種布置方式在中錨及兩側最近的一個懸掛點仍按照正弦波曲線布置,且一般以2個錨段為1個周期。

注:A、B、C、D為關鍵懸掛點圖1 剛性懸掛單“八”字拉出值布置方式示意圖

2 重慶地鐵6號線“八”字拉出值布置

重慶地鐵6號線剛性接觸網(以下簡稱“6號線”)采用了改進的單“八”字的拉出值布置方式。6號線接觸網最大拉出值為250 mm,設置于中錨位置;中錨兩側的匯流排按照一定的拉出值變化率布置;每個半錨段的拉出值變化率又根據錨段長度的不同,大致按照2.5～5.0 mm/m選用;關節處按2.5 mm/m的拉出值變化率統一設置。與傳統單“八”字拉出值布置方式不同的是,6號線的改進單“八”字拉出值布置方式沒有利用正弦波曲線,而采用4個錨段為1個周期的布置方式,并通過改變周期及關節等設置,對傳統“八”字拉出值布置方式進行了優化。圖2為6號線1個周期的典型錨段布置圖。

磨耗距離表示一定線路范圍內受電弓接觸到的匯流排長度。實際分析中,假定各懸掛點以及各跨中都與受電弓均勻良好地接觸,故本文分析中均以一定線路范圍內的匯流排長度表示磨耗距離。錨段末端上翹部分不與受電弓接觸,故不計入磨耗距離。

圖2 6號線1周期的典型錨段布置示意圖

單位磨耗距離表示每毫米拉出值區間內的匯流排分布長度。

根據圖2的各半錨段拉出值變化率,在拉出值為0～10 mm、10～70 mm、70～130 mm、130～190 mm及190～250 mm等5個區間,單位磨耗距離分別為2.42 m/mm、2.05 m/mm、1.75 m/mm、1.45 m/mm及1.21 m/mm。

錨段的最后1個懸掛點一般都要求抬高,而且理論上這個點是不與受電弓接觸的。但是,受施工誤差及匯流排終端上翹工藝等因素的影響,很多時候,受電弓從這里開始即接觸到匯流排。為了便于分析,假定受電弓與錨段內的每個懸掛點及跨中部分都均勻良好地接觸。6號線關節處2個懸掛點間距為2 m,根據圖2的關節拉出值數據,關節處的單位磨耗距離為0.4 m/mm。也就是說,在拉出值為10～15 mm、70～75 mm、130～135 mm及190～195 mm的區間內,會疊加1個0.4 m/mm的單位磨耗距離。結合關節外的單位磨耗距離可以看出,最大的單位磨耗距離為2.45 m/mm,出現在拉出值為10～15 mm區間。

綜上,6號線的拉出值設置基本上保持了對稱性。經過對6號線受電弓磨痕(見圖3)的觀察也可看出,采用該方式的受電弓磨痕較平滑,其授流質量能得到保證。

圖3 現拉出值布置方式的受電弓磨痕

3 拉出值布置優化方案

雖然6號線的拉出值布置比較合理,但由于半錨段采用統一的拉出值變化率,而且受關節處拉出值設置的影響,仍出現了受電弓中部磨耗大、兩側利用率低的問題。根據計算,在假設懸掛點及各跨中都與受電弓均勻良好接觸的前提下,6號線在1個周期內的磨耗距離為837.6 m,最大單位磨耗距離為2.45 m/mm。折算可得,在1 000 m的磨耗距離下,最大單位磨耗距離為2.93 m/mm。在1 000 m的磨耗距離下,且最大拉出值按照250 mm設置時,理想狀態下的單位磨耗距離為2.00 m/mm。故拉出值布置存在很大的改進空間。為此,本文提出了一種變坡“八”字拉出值布置方案作為拉出值布置優化方案。

3.1 優化原則

變坡“八”字拉出值布置方案遵循以下幾點優化原則:

(1) 繼承6號線中關于最大拉出值及中錨設置、典型錨段、曲線區段的處理原則,以及4個錨段為1個周期等設計思路。

(2) 將拉出值分為不同的區段。雖各區段的拉出值變化率不一致,但可使每個區段內的拉出值變化率保持一致,以做到拉出值的對稱分布。

(3) 數據分析均不考慮匯流排的剛度。所有區段全部按照理想的直線段考慮。

(4) 假定受電弓與錨段內的每一個懸掛點以及跨中部分的接觸都均勻良好。

(5) 為減小絕緣關節和非絕緣關節間距不一致對匯流排分布的影響,全部關節的間距均按絕緣關節的要求設置。

(6) 按照半個錨段長度不大于125 m,并將拉出值變化率控制在2.5～5 mm/m的原則進行優化。

3.2 優化方案的單位磨耗距離計算及分析

借鑒6號線的經驗,將關節和中間懸掛點分開討論。可以看出,關節的拉出值變化率設定對整體的影響比較大。關節拉出值變化率取值越大,關節對最大單位磨耗距離的影響就越小。本文取10 mm/2 m的關節拉出值變化率進行分析。

根據改進原則及關節拉出值變化率的設置思路,假定某方向拉出值為正,另一向拉出值為負,并將拉出值劃分為18個區間。優化方案1個周期的設置如圖4所示。考慮到拉出值平滑,而且單位磨耗距離以拉出值為0的位置為中心向兩側遞減,故得到變坡“八”字拉出值的計算結果(見表1)。根據表1,在磨耗最嚴重的區段,單位磨耗距離為1.78 m/mm,1個周期內的磨耗距離為838 m。折算得到1 000 m磨耗距離對應的最大單位磨耗距離為2.12 m/mm。

鑒于接觸網剛性懸掛的特殊性,并考慮施工誤差等因素,剛性接觸網無法完全做到如柔性接觸網“之”字布置下的均勻分布。

圖4 變坡“八”字拉出值布置方式的1周期錨段設置示意圖

拉出值區間/mm拉出值變化率/(mm/m)錨段1(100～-250～180mm)錨段2(-140～250～-180mm)錨段3(140～-250～220mm)錨段4(-100～250～-220mm)左半錨段長度/m右半錨段長度/m左半錨段長度/m右半錨段長度/m左半錨段長度/m右半錨段長度/m左半錨段長度/m右半錨段長度/m單位磨耗距離/m/mm250～2202.8010.7110.7110.7110.711.43220～2103.153.173.172.003.173.171.47210～1803.159.529.529.529.529.521.59180～1703.552.002.822.822.822.822.821.61170～1403.558.458.458.458.458.458.451.69140～1304.002.502.502.502.002.502.502.501.70130～1004.007.507.507.507.507.507.507.501.75100～904.502.002.222.222.222.222.222.222.221.7590～04.5020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.001.780～-904.5020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.001.78-90～-1004.502.222.222.222.222.222.222.002.221.75-100～-1304.007.507.507.57.507.507.507.501.75-130～-1404.002.502.502.002.502.502.502.501.70-140～-1703.558.458.458.458.458.458.451.69-170～-1803.552.822.822.002.822.822.821.61-180～-2103.159.529.529.529.529.521.59-210～-2203.153.173.173.173.172.001.47-220～-2502.8010.7110.7110.7110.711.43

3.3 典型錨段設計

錨段設計應采用標準化的設計思路。首先,根據表1,可分別畫出拉出值區間-100～0～250 mm、-140～0～250 mm、-180～0～250 mm及-220～0～250 mm等4個半錨段;然后,根據技術及經濟跨距進行半錨段內的懸掛點布置;布置完成之后,分別計算每個懸掛點的拉出值;最后,將這4個半錨段組合成1個周期內的4個典型錨段(見圖4)。

當懸掛點布置完成以后,會出現部分跨距跨越2個拉出值區間的問題。該跨距內的匯流排軌跡將發生變化,會略微加深小拉出值區間內的單位磨耗距離。故宜將最小拉出值區間作為關鍵懸掛點(按表1進行設置時,宜將拉出值為90 mm處設為關鍵懸掛點),以保證不增大最大單位磨耗距離。

3.4 整體設計的思路

在剛性接觸網的設計中,應盡量采用典型錨段。但受接觸網上網點位置及區間結構斷面等因素的影響,設計中會出現很多非典型錨段。在非典型錨段設計時,可根據典型錨段各拉出值區間的單位磨耗距離設定情況,減小單位磨耗距離較大的拉出值區間的匯流排布置比例,進一步降低整體的最大單位磨耗距離值。

4 結語

變坡“八”字拉出值布置方案主要通過改變拉出值在不同區間的變化率來實現。其拉出值變化率一般按照2.5～5.0 mm/m設置,且中錨附近的拉出值變化率很小。這對匯流排線夾及絕緣子的彎矩要求沒有大幅提高。而且,通過改變拉出值變化率的方式,可大幅優化采用確定拉出值變化率情況下的磨耗分布。這是一個不錯的設計方向。但受經濟及技術跨距的影響,不可能完全按照所設定的拉出值區間進行定位。由此會造成一定的不確定性磨耗。但是,通過設計過程中的統計和分析,可在非典型錨段布置時予以克服。因此,優化后的變坡“八”字拉出值布置方式是一種可控、可靠的拉出值布置方式。

[1] 尹魁元.接觸網剛性懸掛拉出值布置方式比較[J].城市軌道交通研究,2013(2):81-84.

[2] 于松偉,楊興山,韓連祥,等.城市軌道交通供電系統設計原理與應用[M].成都:西南交通大學出版社,2008.

[3] 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網[M].成都:西南交通大學出版社,2003.

Analysis of Rigid Catenary Stagger Layout and Wear

BAI Kaiyuan

Taking the subway catenary stagger layout with “zigzag” wire contact into account,combined with the modality of rigid catenary suspension stagger layout on Chongqing metro Line 6,a more optimal blue print of catenary stagger layout is proposed based on the principle of more rational use of the pantograph collector strip.A comprehensive statistical analysis of different segments stagger layout of the bus bar distribution is provided by using the full range of unified design ideas,in order to increase the service life of pantograph and improve the stream quality.

subway; rigid catenary; pantograph; stagger

U225.5；U226.5+4

10.16037/j.1007-869x.2017.06.033

2015-10-28)