集電靴與接觸軌集電系統研究綜述

李鯤鵬，黃德亮，關金發，陳偉杰，馮 超，陳吉剛

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集電靴與接觸軌集電系統研究綜述

李鯤鵬1, 3, 4，黃德亮2，關金發1，陳偉杰2，馮 超3, 4，陳吉剛3, 4

（1. 西南交通大學電氣工程學院，成都 610031；2. 廣州地鐵集團有限公司，廣州 510000；3. 廣州地鐵設計研究院有限公司，廣州 510000；4. 城市軌道交通系統安全與運維保障國家工程實驗室，廣州 510000）

闡述集電靴與接觸軌的結構改進、運行現狀和標準建設，以及集電靴、接觸軌和靴軌接口的測試與仿真技術，并展望集電靴與接觸軌集電系統的發展方向。現有集電靴種類較多，尚未形成通用的力學模型，需進一步構建集電靴動態性能試驗臺獲取其關鍵力學參數。集電靴與接觸軌的動態測量裝置尚需進一步標定，以確保測試數據的準確性。集電靴與接觸軌的動態仿真尚需實際測量數據驗證其有效性。集電靴與接觸軌系統接口的標準尚需進一步完善。

軌道交通；集電靴；接觸軌；結構；仿真；測試；標準

接觸軌，又稱第三軌，是安裝于軌道旁地面上的供電裝置。集電靴，又稱受流器，是安裝于電氣列車轉向架上的取流裝置。集電靴與接觸軌集電系統，又稱靴軌系統，屬于最古老的電氣列車供電方式，是地鐵牽引供電系統的重要組成部分。

1879年的柏林工業博覽會上，SIEMENS & HALSKE公司聯合開發并展出了使用集電靴與接觸軌集電系統的試驗列車[1]。1890年開通的倫敦地鐵是世界第一條使用接觸軌供電的地鐵。19世紀90年代開始，接觸軌的供電方式被廣泛采用，當時最高運行速度達174 km/h[2]。早期的靴軌系統結構如下：文獻[3]提出的上接觸式靴軌系統如圖1所示，文獻[4]提出的下接觸式接觸軌系統如圖2所示，形成了當代接觸軌系統的雛形。

圖1 上接觸式靴軌系統結構

圖2 下接觸式靴軌系統結構

Fig. 2 Lower contact mode for the collector and rail system structure

1971年1月15日投入運營的北京地鐵1號線是國內首條應用集電靴與接觸軌集電系統的線路。2004年7月28日投入運營的武漢地鐵1號線是國內首條應用鋼鋁復合接觸軌的線路。2005年12月25日投入運營的廣州地鐵4號線是國內首條應用DC1500V電壓等級接觸軌系統的線路。2013年12月29日投入運營的上海地鐵16號線是國內首條設計運行速度達120 km/h的接觸軌線路。至今，第三軌系統在中國城市軌道交通的應用相當廣泛。

文獻[5]回顧了中國接觸軌技術從1965年至2004年的發展歷程，但尚未涉及集電靴、靴軌接口方面的研究綜述，不夠完整，且從2004年至今，集電靴與接觸軌系統技術有了較大的發展。另外，隨著我國城軌建設規模越來越大，既有靴軌系統的使用一般速度限制在120 km/h以下，顯然已滿足不了長線路區間的要求，研制速度160 km/h及以上的靴軌系統勢在必行。從集電靴與接觸軌的系統結構、運行現狀、計算機仿真技術、狀態參數測試技術、標準建設等方面的應用現狀進行了梳理與歸納，對研究速度更高的靴軌系統提出了一些有益建議。

1 集電靴研究現狀

集電靴的結構形式多樣，從靴軌接觸方向分類，有上接觸式、下接觸式、側部接觸式集電靴，其通用結構為滑板及托架、擺臂、驅動彈簧、絕緣支架、取流電纜和熔斷器，其中絕緣支架的作用是使轉向架與第三軌電氣絕緣，其絕緣距離應與第三軌的電壓等級一致。集電靴在使用中具有3種空間姿態，分別為脫靴位置、工作位置和止動位置。脫靴位置的集電靴處于不工作狀態。當集電靴處于工作狀態時，若與接觸軌接觸時為工作位置，若離開接觸軌處于斷軌區時為止動位置。集電靴的結構雖然多種，但按照驅動方式分類，一般分為2種，文獻[6]提出的一種扭轉彈簧驅動的集電靴（見圖3）和文獻[7]提出的一種拉伸彈簧驅動的集電靴（見圖4），兩種驅動方式均為擺臂提供一定的扭矩，進而轉化為靴軌接觸點的接觸力。

圖3 扭轉彈簧驅動式集電靴

圖4 拉伸彈簧驅動式集電靴

集電靴的靜動力學性能對于靴軌系統相互作用十分重要，需通過測試或計算機仿真分析其力學模型。文獻[8]在實驗室內測量了某型集電靴的力學性能參數，如：扭轉彈簧剛度和阻尼，為集電靴的設計與維修提供數據資料。文獻[9]從靜力學角度分析了廣州地鐵4號線用集電靴的運行軌跡與地鐵建筑設備限界的關系。文獻[10-11]研究了集電靴試驗臺，主要功能為測試集電靴輸出的接觸力與集電靴運行高度的關系，以及標定集電靴的3種空間姿態。總的來說，集電靴的靜動力學研究已有一定進展，但至今尚沒有一個集電靴的通用力學模型，或一系列能表征集電靴動力學性能的指標。

集電靴在運行過程中容易出現燒傷、拉弧和主電路熔斷器故障等問題[12-14]。為減小集電靴發生的故障，可利用集電靴的監測系統，實時采集集電靴的電流信息和熔斷器的電壓信息，判斷集電靴的運行狀態[15]。

2 接觸軌研究現狀

自接觸軌被應用于牽引供電系統，其主要的發展在于零部件材料上。接觸軌的固定支架和底座由傳統的木材變為玻璃鋼材料。絕緣子由傳統的瓷瓶變為復合材料。接觸軌由傳統的低碳鋼變為鋼鋁復合材料。本章節對接觸軌系統關鍵構件的研究現狀進行梳理，并重點介紹了用于評估接觸軌系統狀態的一些測量技術。

2.1 接觸軌的結構

接觸軌由導電軌本體、膨脹接頭、端部彎頭、普通接頭、絕緣支架、保護罩、絕緣子等結構組成。

鋼鋁復合接觸軌以其重量較輕、電能損耗小、變電所數量減少等優勢，在新建地鐵線路中被廣泛地應用。文獻[16-18]中介紹了鋼鋁復合接觸軌的結構與應用。

文獻[19]發明了一種鋼帶嵌入鋁軌的復合接觸軌，如圖5(a)所示。文獻[20]發明了一種鋼帶包圍鋁軌的復合接觸軌，如圖5(b)所示。兩種鋼鋁復合軌在地鐵建設中均有應用，我國一般采用圖5(a)所示的接觸軌。

接觸軌有3種安裝方式，分別為上部接觸、下部接觸和側部接觸。上部接觸為較老式線路使用，現代一般設計為下部接觸，側部接觸則多用于單軌列車或磁懸浮列車的集電系統。

接觸軌供電方式與架空接觸網最大的區別是接觸軌有斷軌結構。集電靴脫離接觸軌進入斷軌區域時集電靴帶電切斷負載，產生拉弧現象。集電靴從斷軌區域進入接觸軌時，集電靴通過帶有一定斜率的端部彎頭過渡到平直軌面，此時容易產生較大的水平和垂直沖擊力。文獻[21-22]闡述了DC1500V第三軌供電的設計原則、跨距布置、端部彎頭等幾項關鍵技術。文獻[23]介紹了上海16號線120 km/h接觸軌系統的設計與施工過程，重點討論了接觸軌斷軌處端部彎頭的受流效果。文獻[24]介紹了廣州地鐵接觸軌端部彎頭的技術參數、結構組成和維護要點。文獻[25]提出了不同速度等級端部彎頭斜率的選取，如表1所示，可以看出速度越高，端部彎頭的斜率越小。文獻[26-27]討論了接觸軌的斷軌間距與接觸軌平面布置、車輛集電靴布置的關系。

圖5 鋼鋁復合軌截面

表1 端部彎頭的斜率選用

為補償接觸軌溫度變化帶來的伸縮，并使接觸軌連續過渡，需要使用一種連接結構——膨脹接頭。膨脹接頭有2種類型，分別為有伸縮縫式和無伸縮縫式，如圖6、圖7所示。有伸縮縫式膨脹接頭中間留有伸縮縫，膨脹接頭通過側部或內部的連接板將兩端工作的接觸軌連接，連接板中間可安裝滑動板，也可無滑動板。滑動板增加了有伸縮縫式膨脹接頭的補償范圍。現有工程使用的膨脹接頭一般為有伸縮縫式的膨脹接頭。有伸縮縫式膨脹接頭有多種形式，文獻[28-30]分別給出了3種有伸縮縫式的膨脹接頭結構，區別在于滑動機構和電連接方式。為消除縫隙帶來的軌道不連續，文獻[31]發明了一種無伸縮縫式的膨脹接頭，兩接觸軌擠壓接觸面滑塊可往外部移動，完成接觸軌的伸縮，并保持接觸面滑塊和接觸軌的連接緊密。無伸縮縫式膨脹接頭尚未投入工程應用，其效果有待實踐檢驗。

圖6 接觸軌有伸縮縫式膨脹接頭

圖7 接觸軌無伸縮縫式膨脹接頭

相同靴軌結構下，運行速度越高，靴軌動力響應越明顯，尤其是集電靴高速進入接觸軌端部彎頭時，對靴軌的沖擊較大。為緩和靴軌的動力振動，有研究者在接觸軌懸掛結構上安裝了彈性結構，減小了接觸軌的懸掛剛度。文獻[32]通過加裝端部彎頭的彈性結構，如圖8所示，緩沖集電靴“觸軌”時對端部彎頭的沖擊力，改善了列車通過斷口時集電靴與端部彎頭間的沖擊作用和拉弧放電現象。文獻[33]公開了一種接觸軌彈性整體絕緣支架，與接觸軌配合的支架滑軌設置于軌道座內側，所述的軌道座內側于支架滑軌的下方設置有彈性元件，如圖9所示。

圖8 接觸軌端部彎頭處的彈性元件

圖9 接觸軌支架滑軌處的彈性元件

接觸軌的靜動力學性能對于靴軌系統相互作用十分重要。文獻[34]建立了第三軌系統的有限元模型，分析了不同錨段長度的固有頻率與模態，指出三軌系統與橋梁不會發生共振。

目前，中國的接觸軌系統使用DC 1 500 V電壓制式、鋼鋁復合接觸軌、絕緣支座、膨脹接頭等結構已趨于同質化，接觸軌的結構相對穩定。有研究者通過減小懸掛剛度，改善運行速度提高帶來的振動，但懸掛剛度如何選取，優化效果如何仍需進一步通過實踐確認。

2.2 接觸軌的幾何參數檢測技術

接觸軌幾何參數是評估接觸軌性能的重要參數，若接觸軌發生形變或表面出現凹凸不平，勢必影響靴軌的動態受流。文獻[35-36]提供了一種城市軌道交通接觸軌檢測系統及檢測方法，主要由主機系統、圖像采集系統、車體偏移補償系統和定位系統構成，該系統能進行接觸軌的幾何參數動態檢測，包括：接觸軌中心到軌道中心的水平距離和接觸軌受流面到走行軌軌頂平面的垂直距離。文獻[37]提出了一種軌道交通接觸軌測量裝置及測量方法，包括測量基準車架、圖像采集及處理系統，該裝置由單人推動操作。文獻[38]中介紹了廣州地鐵與MerMec公司合作開發的綜合檢測車第三軌幾何參數檢測系統。

綜上所述，針對接觸軌幾何參數的測量技術和裝備已日趨完善。

3 靴軌系統相互作用研究現狀

靴軌系統通過集電靴上的滑板與接觸軌上的鋼帶在機械、電氣和材料3個方面相互作用進行電能傳輸。靴軌系統的機械相互作用主要體現在兩者的動力行為，研究靴軌動力行為有兩種途徑，分別是靴軌動態仿真和靴軌動態測量。靴軌系統的電氣和材料這兩方面相互作用主要體現在兩者的載流摩擦磨損行為，同樣有兩種研究途徑，分別為靴軌摩擦試驗和研發新型集電材料。

3.1 靴軌動態仿真技術

集電靴與接觸軌系統作為一個振動系統，通過建立兩者的動力學模型研究二者動力學特性的學者很多。文獻[39]建立了城軌車輛接觸軌集電系統垂向動力學模型，得出在地鐵車輛運行速度的范圍內，車輛隨機振動和軌道不平順是引起集電靴振動的主要原因，初步探索了集電靴與接觸軌接觸的振動規律。文獻[40]建立了集電靴與接觸軌的剛體動力模型，進行靴軌仿真，得出接觸力，研究集電靴模型的聲場噪聲變化規律。文獻[41]通過建立靴軌系統的運動模型，對集電靴和接觸軌的接觸特性進行分析，發現滑靴的接觸壓力與接觸軌表面的彎曲程度密切相關，要提高運行速度應盡量減小集電靴的動態質量。文獻[42]利用分形理論，研究集電靴表面粗糙程度與接觸剛度、接觸力之間的關系。文獻[43]以集電靴的擺臂為柔體，其他結構為剛體，接觸軌為剛體，建立了集電靴與接觸軌的剛柔耦合模型，并進行了靴軌動態仿真。文獻[44]從動力學角度重點研究了列車運行速度、三軌安裝精度對靴軌關系的影響。文獻[45]建立了集電靴與接觸軌的仿真模型，研究表明：改變集電靴系統的相關剛度，增加一定的阻尼以及改變接觸軌端部彎頭的形狀與坡度，可以改善滑靴的跟隨性。

綜上所述，靴軌動態仿真已有較大的發展，靴軌動力模型有全剛體和剛柔耦合兩種，其主要問題是模型參數的獲取以及弓網動態仿真結果的有效性確認。

3.2 靴軌動態測量技術

靴軌動態測量是研究靴軌系統機械相互作用最基礎的數據來源，并為靴軌動態仿真提供驗證數據。

國外對靴軌動態測量的研究有：文獻[46]研究了受電靴與第三軌的穩態和動態接觸，通過環形接觸軌試驗臺和列車實驗裝置，如圖10所示，對接觸力、扭簧扭矩和受電靴的跳動位移等數據進行了分析，得出了受電靴振動的主要影響因素；文獻[47-48]設計了集電靴動態測量系統，測量了滑板動態位移、接觸力以及動態加速度等數據，評估英國接觸軌系統的動態性能。文獻[49]由Stemman公司對雅典的Attiko地鐵的靴軌系統進行動態測試，測試數據主要是滑板的水平和垂直加速度。

圖10 靴軌動態試驗平臺

中國對靴軌動態測量的研究有：文獻[50]提出了第三軌參數檢測及評價系統，其中重點對接觸力、沖擊加速度、幾何參數、環境溫度和運行速度等參數進行測試方案設計。文獻[51]對集電靴的擺臂進行應變測試，發現集電靴在進入端部彎頭時擺臂出現較大的縱向載荷，集電靴脫離第三軌時擺臂出現較大的垂向載荷。

綜上所述，靴軌動態測量的測試項目主要集中在接觸力、滑板加速度和動態位移這幾個參數上，其主要問題是測量裝置獲取的弓網接觸力，是否與正常使用的集電靴結果一致，需進一步標定測量設備。

3.3 靴軌材料配合研究

集電靴與接觸軌是通過滑動摩擦維持電能傳輸，靴軌電氣與材料相互作用方面的研究成果有：文獻[52]在無電流通過摩擦的情況下，利用試驗機模擬不同材質的集電靴滑板與接觸軌之間在固定接觸壓力下磨耗的情況，對試驗結果進行分析比較；文獻[53]考察了固定電流條件下2種不同材料制造的受電靴的滑動摩擦磨損性能；文獻[54]研制了一種鐵制的集電靴滑板，試驗證明低碳鋼三軌的摩擦磨損效果比銅制滑板好；文獻[55]提出一種鋁青銅合金材料制作的滑板比普通銅合金滑板耐磨且電阻率低；文獻[56]提出一種靴軌載流摩擦磨損試驗臺（見圖11），比較了不同接觸力和電流下的靴軌摩擦情況。

圖11 靴軌載流摩擦磨損試驗平臺

已有靴軌摩擦磨損試驗均是針對DC750 V靴軌系統，滑板的材料一般為銅合金，接觸軌為低碳鋼，進行滑板材料優化。但實際上，我國目前廣泛使用的是DC 1500 V靴軌系統，滑板的材料一般為浸金屬碳，接觸軌為鋼鋁復合，因此有必要開發針對這一電壓等級系統的載流摩擦磨損試驗平臺，優化靴軌材料配合。

4 靴軌標準

英國與美國是應用集電靴與接觸軌作為牽引供電方式較早的國家，至今尚有大量的地鐵線路采用靴軌系統，其靴軌系統標準較完善。文獻[57]將集電靴維修檢查分為：外觀、機械、電氣、表面清潔和潤滑等5個方面，其中機械與電氣規定了接觸軌的接口要求。文獻[58]以集電靴的接口需求出發，從電氣和機械角度對接觸軌進行了要求。文獻[59]以接觸軌的接口需求出發，則從電氣、機械和絕緣3個方面對機車和集電靴進行要求。

隨著靴軌系統的廣泛應用，中國也制定了一系列有關靴軌系統的相關標準。文獻[60]對接觸軌有一定的規定，如：接觸軌應采用鋼鋁復合材料等低電阻率產品；接觸軌的安裝位置及其安裝誤差，應根據車輛集電靴與接觸軌在相對運動中能可靠接觸來確定；接觸軌斷軌處應設端部彎頭；接觸軌應設防護罩，其電氣性能與物理性能應滿足技術要求。文獻[25]是接觸軌的行業標準，從接觸軌供電系統設計、施工、質量驗收和檢修維護等4個方面較全面地對120 km/h速度及以下的接觸軌單方面進行了規范。文獻[61]是集電靴的行業標準，其中規定了集電靴的工作條件和性能要求，以及提出了集電靴的相關試驗。

國外靴軌標準是針對靴軌接口制定的，其中包括系統各自的電氣、機械靜態幾何位置以及機械動態響應范圍等條款。而國內則單方面制定集電靴和接觸軌的標準，尚缺少接口標準，或尚欠缺從靴軌系統需求出發制定的相關標準。

5 結語

通過對集電靴和接觸軌系統結構、運行現狀和標準建設等方面分析，及其相互作用的狀態參數測量與仿真調研，得出若要研發更高速度等級的集電靴與接觸軌系統，需從以下幾個方面開展工作：

1）DC1500V接觸軌結構已具有一定的范式，結構調整主要是懸掛剛度、膨脹接頭結構、端部彎頭斜率和跨距，其動力學模型建立相對簡單。集電靴有多種結構，尚需建立一個通用的集電靴動力學模型，以及構建一個用于測量其關鍵參數的集電靴動態性能測試平臺，以便開展集電靴結構優化，以及靴軌動態仿真計算。

2）構建一個用于標定測量裝置的靴軌動態試驗平臺。利用標定后的靴軌動態測量裝置，獲取準確的靴軌動態數據，評估靴軌動態性能，且為靴軌動態仿真提供驗證數據。

3）建立集電靴與接觸軌的動態仿真模型，結合現場測試數據，確認集電靴與接觸軌的動態仿真系統。利用靴軌動態仿真，設計更高運行速度的集電靴與接觸軌結構，并進一步工程化應用，通過靴軌動態測量確認設計方案。

4）對比國內外靴軌標準，發現中國已有集電靴和接觸軌單方面的標準，尚未有靴軌接口方面的標準，應進一步增加靴軌接口的幾何、機械、電氣、材料方面的規范，補充靴軌動態測試和動態仿真的技術規范，完善集電靴與接觸軌的標準體系。

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（編輯：王艷菊）

A Technology Survey of the Current Collector and the Conductor Rail Power Supply System

LI Kunpeng1, 3, 4, HUANG Deliang2, GUAN Jinfa1, CHEN Weijie2, FENG Chao3, 4, CHEN Jigang3, 4

(1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031; 2. Guangzhou Metro Group Co., Ltd., Guangzhou 510000; 3. Guangzhou Metro Design and Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510000; 4.National Engineering Laboratory for System Safety and Operation Assurance of Urban Rail Transit, Guangzhou 510000)

This paper introduces a structural improvement, current status, and standard construction of current collectors and conductor rails, and the test and simulation technology of the interface between current collector and conductor rail. Additionally, the development direction of the current collector and conductor rail system is predicted. There are many kinds of current acceptors. A general mechanical model has not yet been developed. Furthermore, the dynamic performance of the test rig of the current collector must be constructed to obtain the key mechanical parameters. The dynamic measurement device for the current collector and conductor rail system must be further calibrated to ensure the accuracy of the test data. The dynamic simulation of current collector and conductor rail system requires actual data for verification. The standard of the interface between current collector and conductor rail needs must also be further improved.

urban rail transit; current collector; conductor rail; structure; simulation; measurement; standard

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.018

U231；N945.12

A

1672-6073(2018)05-0092-09

2017-11-18

2018-01-11

李鯤鵬，男，博士研究生，教授級高工，從事軌道交通領域供電系統的研究，leo-likunpeng@qq.com

國家自然科學基金（U1534209）