時速160km剛性懸掛接觸網的可行性分析

陸佳

摘? 要：近年來，我國的發展有了日新月異的變化，城鎮化率越來越高，人口生活圈更加集中緊密。隨著城市圈的不斷擴大，為了滿足人們便利的出行要求，城市軌道線路規劃越來越多，線路慢慢由城市中心向周邊輻射，長大型的城市軌道交通線路逐漸增多，城市軌道交通提速提上議程。文章分析了時速160km剛性懸掛接觸網在城市軌道交通中的應用情況，并對影響剛性懸掛提速的關鍵結構進行了逐個分析，最后確定了關鍵結構的選型，以滿足城市軌道交通線路提速的要求。

關鍵詞：剛性懸掛;接觸網;受電弓;城市軌道交通;有限元分析

Abstract： In recent years， the development of our country has changed with each passing day， the urbanization rate is higher and higher， and the population life circle is more concentrated. With the continuous expansion of the city circle， in order to meet people's convenient travel requirements， more and more urban rail lines are planned. The lines radiate from the city center to the surrounding area slowly. The growth of urban rail transit lines gradually increases， and the acceleration of urban rail transit is put on the agenda. This paper analyzes the application of 160km/h rigid suspension catenary in urban rail transit， analyzes one by one the key structures affecting the rigid suspension acceleration， and finally determines the selection of key structures to meet the requirements of urban rail transit line acceleration.

1 概述

剛性懸掛普遍適用于城市軌道交通，采用1500V直流電源供電，一般設計時速為80km。但自2006年以來，剛性懸掛在25kV交流電氣化鐵路中逐步得到運用，最高設計時速達到160km，實際運營速度還未達到160km。

相對柔性懸掛而言，剛性接觸網懸掛剛度較高，拉出值小，對于受電弓的磨損相對較大，在線路較長的隧道中，受電弓異常磨損更加明顯，就受流效果來看，柔性懸掛更具優勢。但剛性懸掛接觸網對隧道凈空要求降低，能極大延長的接觸網維護周期;剛性懸掛的結構更加穩固，接觸線無張力，不存在斷線的風險;受溫度等其它因素的影響較小，整個剛性懸掛接觸網運營的可靠性更好。其系統零部件少，結構簡單，因此建設和維護的成本也大大降低，具有顯著的經濟和社會效益。[1]

2 國內外應用情況

國外剛性懸掛在25kV交流電氣化鐵路中應用較早，國外剛性懸掛接觸網懸掛系統的技術更加成熟、先進，主要以瑞士FF公司、法國加朗公司為首，擁有一整套的時速160km及以下隧內剛性懸掛接觸網系統零部件，在國內外多條線路上投入使用。例如：奧地利Sittenberg隧道剛性接觸網試驗時速260km、運行時速200km。瑞士Kerenzerzberg隧道的剛性接觸網設計時速為160km，初期試驗時速達到了185km。[2]

國內剛性懸掛最早在25kV交流電氣化鐵路中應用的線路是2006年開通的蘭新鐵路的烏鞘嶺隧道，設計時速達到160km，實際運營時速140km。國內剛性懸掛接觸網在25kV交流系統中應用情況如表1。

3 相關研究

文獻[3]研究了跨距跟運營速度的關系，全面計算了各跨距下的弓網動態接觸壓力頻譜，最終得出了為滿足運營時速達到120km以上，剛性懸掛接觸網的跨距應≤8m。

文獻[4]研究了定位線夾帶一定的彈性對改善弓網關系起到的良好作用，并且通過仿真分析得出彈性定位線夾的彈性系數宜選7.6×104N/m。

文獻[5]則是研究了適用于時速160km剛性接觸網的受電弓，分析了4種工況條件下受電弓的受力情況，研究表明弓頭剛度在10000N/m時，在一定速度范圍內容易發生共振，應避免選用該參數。

4 關鍵結構分析

剛性懸掛接觸網較柔性懸掛接觸網簡單，零件種類少，結構簡單，主要有匯流排及其附件、懸掛定位裝置、中心錨結裝置、錨段裝置、剛柔過渡裝置等組成。結構及平面布置的合理性，將直接影響城市軌道車輛運營的速度。

4.1 懸掛裝置

懸掛定位裝置一般有懸吊式和懸臂式兩種，懸吊式（見圖1）由懸吊底座、T頭螺栓、懸吊角鋼、針式絕緣子、匯流排定位線夾等組成，適用于1500v直流供電系統。為滿足線路伸縮、膨脹要求，匯流排與線夾之間可竄動，匯流排與線夾之間的間隙大，弓網匹配效果稍差，是制約車速的一個方面，適用速度等級低，一般設計時速為80km。

懸臂式（見圖2）一般由吊柱、旋轉底座、絕緣子、調整底座、定位線夾等組成，適用于25kV交流供電系統。懸臂可旋轉以應對匯流排的伸縮和膨脹要求。該形式下弓網之間的匹配度好，可滿足軌道車輛較高的速度等級要求。

4.2 錨段裝置

為了減小事故面積，通常會將接觸網分成數個彼此分隔的區間，我們稱為錨段。各錨段之間互不干擾而又能協同工作，通常分為關節式和貫通式。

關節式錨段（見圖3）之間采用匯流排終端過渡，終端橫向間隔200-300mm排布，匯流排終端端部1.5m處折彎上翹70mm，避免受電弓打弓。

貫通式錨段（見圖4）采用膨脹接頭將兩個錨段連接在一起。

4.3 剛柔過渡裝置

地下段采用剛性懸掛，地上段采用柔性懸掛，連接剛性段和柔性段就需要剛柔過渡裝置，使得剛性和柔性之間有一個平順的過渡。剛柔過渡處的結構是制約車速的另一個重點。一般分為關節式（見圖5）和貫通式（見圖6）。

文獻[6]研究了適用于時速160km的高速剛柔過渡安裝方式，通過有限元法，將剛性接觸網裝置離散成有限單元，建立一套符合實際工作情況的動力學模型。利用有限元軟件仿真得到各條件下的弓網動態接觸壓力曲線，通過對比分析認為貫通式剛柔過渡能適應160km/h的運營要求。

通過分析，為滿足160km/h的運營要求，建議選用25kV交流供電，懸掛裝置采用懸臂式，取消錨段式關節，剛柔過渡采用貫通式。

5 結論

隨著城市圈范圍的擴大，目前我國三大城市群以及一些熱門城市已經規劃了上千公里的市域鐵路，為滿足人們多樣化的出行方式，城市軌道交通的提速已是必然。而剛性懸掛可以適用于低凈空隧道斷面，有效的節約投資成本，并且其結構簡單、維護成本低等特點，成為主流的設計結構。

發展時速160km剛性懸掛接觸網的實際需求逐漸增多，國外有成熟的運營經驗，國內相關的研究也越來越多，并且即將在北京、廣州等城市運用，具有廣泛的市場推廣前景。

參考文獻：

[1]賴聲鋼.剛性接觸懸掛在運行中的常見問題及分析處理[J].都市快軌交通，2004（02）：46-48.

[2]孫海東.剛性懸掛接觸網在城市軌道交通牽引供電系統中的應用[J].鐵路技術創新，2011（01）：35-38.

[3]王洪林.設計時速120km線路架空剛性懸掛接觸網跨距選擇[J].城市軌道交通研究，2017，20（10）：79-83.

[4]陳吉剛.利用彈性線夾優化剛性接觸網的動態性能[J].城市軌道交通研究，2014，17（8）：73-77.

[5]梁坤，楊文超，王秋紅，等.時速160km剛性接觸網市域動車用受電弓及其力學性能分析[J].技術與市場，2019，26（05）：65-66.

[6]關金發，田志軍，吳積欽.基于弓網動力仿真的160km/h剛柔過渡系統方案研究[J].鐵道學報，2018，40（9）：48-56.