關于降低剛性架空接觸網(wǎng)磨耗不均勻的研究

任 杰

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610036)

0 引 言

剛性架空接觸網(wǎng)自2002年在廣州地鐵2號線隧道內(nèi)成功應用后，因其具有零部件少、接觸線無張力、安裝維護簡便、凈空要求低、載流量大、安全可靠性高、安裝費用低等優(yōu)點而逐步代替柔性接觸網(wǎng)，成為隧道內(nèi)架空接觸網(wǎng)的主要形式，在城市軌道交通和干線電氣化鐵路得到越來越廣泛的應用。成都地鐵1、2、3、4、5、6、7、8、9、10號線，合肥地鐵1、2、3號線，貴陽地鐵1、2號線，北京地鐵14號線、新機場線等工程隧道內(nèi)均采用了剛性架空接觸網(wǎng)。上海地鐵在1、2、3、4號線隧道內(nèi)采用了柔性接觸網(wǎng)，在之后的6、8、9、10、11、14、15、18號線隧道內(nèi)也都采用了剛性架空接觸網(wǎng)。

但剛性架空接觸網(wǎng)在實際運營過程中出現(xiàn)弓網(wǎng)磨耗大且磨耗不均勻等問題，主要表現(xiàn)在受電弓碳滑板磨耗不均勻，受電弓碳滑板工作面的形狀不規(guī)則且起伏不平，拉出值最大值(±200 mm)處和錨段關節(jié)(±100 mm)處受電弓磨耗嚴重，形成較深的凹槽，如圖1所示。車輛受電弓碳滑板出現(xiàn)不均勻磨耗，主要原因在于剛性架空接觸網(wǎng)的懸掛結構彈性和平面布置設計不盡合理，導致接觸線在受電弓碳滑板上的分布概率及磨耗時間不均勻。

圖1 剛性架空接觸網(wǎng)不均勻磨耗在受電弓碳滑板工作面上形成的凹槽

1 設計方案

1.1 懸掛結構彈性

目前國內(nèi)城市軌道交通剛性架空接觸網(wǎng)懸掛匯流排的方式主要采用剛性支撐件加瓷絕緣子固定方式,圖2所示。盡管該方式具有全線剛度統(tǒng)一、無特殊硬點等優(yōu)點，但由于懸掛結構欠缺彈性，因此對受電弓運行中由于震動產(chǎn)生的沖擊缺少緩沖，使得受電弓離線率增加，導致電氣磨耗加大，且磨耗不均勻。

圖2 剛性架空接觸網(wǎng)剛性支撐件加瓷絕緣子安裝圖

為了減小架空剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)間的磨耗，有必要對剛性架空接觸網(wǎng)懸掛裝置進行改進，增加支持裝置的彈性。上海地鐵18號線設計采用彈性絕緣組件替代瓷絕緣子，如圖3所示。彈性絕緣組件能在維持剛性懸掛結構穩(wěn)定性的基礎上，吸收受電弓對剛性懸掛結構的沖擊，降低受電弓離線率，減少電氣磨耗。

1.2 接觸網(wǎng)平面布置

目前剛性架空接觸網(wǎng)平面布置主要有兩種方式，一種是正弦波形狀布置方式，一種是八字形狀布置方式。

正弦波形狀布置方式最大拉出值不超過200 mm，最大錨段長度不超過250 m，非絕緣錨段關節(jié)處拉出值為±100 mm，如圖4所示。廣州地鐵2號線，成都地鐵1、2、3號線，上海地鐵6、8號線等工程均采用了這種平面布置方式。

圖3 剛性架空接觸網(wǎng)剛性支撐件加彈性絕緣組件安裝圖

圖4 剛性架空接觸網(wǎng)正弦波形狀布置示意圖

采用正弦波形狀布置時，每個錨段彎曲2次，將錨段中部最小拉出值處懸掛點設置為中心錨結。各懸掛點的拉出值變化率并不是比較恒定的數(shù)值，而是變化很大，即在不同線路區(qū)段，接觸線在受電弓碳滑板上的掃動頻率不一致，導致接觸線在受電弓碳滑板上不同部位的摩擦概率不同。因此，隨著運營時間增長，受電弓碳滑板上難免出現(xiàn)凹凸不平的情況。尤其在正弦曲線的波峰和波谷，即兩側(cè)最大拉出值處，拉出值變化率最小，而且連續(xù)跨距長，直接導致此處受電弓碳滑板磨損最嚴重。錨段關節(jié)處受電弓碳滑板磨損也較嚴重。

八字形狀布置方式最大拉出值不超過280 mm，最大錨段長度不超過250 m，非絕緣錨段關節(jié)處拉出值為±100 mm,圖5所示。成都地鐵4、5、7、9號線及上海地鐵9號線等工程均采用了這種平面布置方式。

圖5 剛性架空接觸網(wǎng)八字形狀布置示意圖

采用八字形狀布置時，每個錨段只彎曲1次，將錨段最大拉出值所在懸掛點設置為中心錨結。各懸掛點的拉出值在順線路方向按2～5 mm/m的恒定變化率設置，接觸線在受電弓碳滑板上的掃動頻率基本一致，接觸線在受電弓碳滑板上的摩擦概率大致相同，受電弓碳滑板上相對平整。但在中心錨結和錨段關節(jié)處，受電弓碳滑板在拉出值±250～±280 mm和±100 mm范圍內(nèi)磨耗的概率要高于其他位置，隨著運營時間增長，直接導致此處受電弓碳滑板磨損最嚴重，受電弓碳滑板上還是難免出現(xiàn)凹凸不平的情況。

為了使受電弓碳滑板磨耗均勻,延長其使用壽命，上海地鐵18號線設計在八字形狀布置方式基礎上進行了優(yōu)化，將錨段關節(jié)處拉出值調(diào)大與中心錨結處保持一致，如圖6所示，使得±100 mm范圍內(nèi)磨耗的概率與其他位置一致，避免了受電弓碳滑板中間部位出現(xiàn)異常磨耗。

圖6 剛性架空接觸網(wǎng)八字形狀布置優(yōu)化示意圖

1.3 受電弓工作高度

各城市軌道交通剛性架空接觸網(wǎng)受電弓工作高度主要在4 040～4 050 mm，盾構隧道主要采用內(nèi)徑為5 400 mm的斷面，剛性架空接觸網(wǎng)安裝凈空是520 mm，在曲線區(qū)段凈空尤其緊張，而現(xiàn)場安裝調(diào)整時易受盾構隧道施工誤差和沉降等因素影響而出現(xiàn)受電弓工作高度低于4 000 mm的情況，剛性架空接觸網(wǎng)不得不進行變坡調(diào)整，影響弓網(wǎng)間的關系。

上海地鐵18號線采用內(nèi)徑5 900 mm的大斷面盾構隧道，受電弓工作高度采用4 100 mm，剛性架空接觸網(wǎng)安裝凈空是850 mm，如圖7所示，安裝空間比較富余，能夠消化盾構隧道施工誤差和沉降等土建因素影響，更有利于剛性架空接觸網(wǎng)的安裝，更能保障受電弓工作高度恒定不變化，增加了受電弓工作穩(wěn)定性，改善了弓網(wǎng)關系，有利于受電弓碳滑板均勻磨耗。

圖7 剛性架空接觸網(wǎng)高凈空盾構隧道安裝圖

2 運營效果

上海地鐵18號線于2020年12月26日開通運營一期工程南段(御橋站至航頭站)，在2021年2月20日現(xiàn)場察看了受電弓碳滑板的磨耗情況，如圖8所示。

圖8 受電弓碳滑板現(xiàn)場照片

3 結論及建議

根據(jù)運營后的檢查結果，受電弓碳滑板在拉出值±250 ～±250 mm范圍磨耗均勻，解決了受電弓碳滑板中間部位一直存在的異常磨耗，但在±250～±280 mm范圍磨耗還是比較明顯。±250～±280 mm范圍主要集中在中心錨結附近，匯流排自身結構不能像柔性接觸網(wǎng)之字形布置，中心錨結兩側(cè)拉出值變化率最小，而且連續(xù)跨距長，直接導致此處受電弓碳滑板磨損最明顯。

為了徹底解決中心錨結處的磨耗問題，可以將剛性架空接觸網(wǎng)錨段布置成直線形，如圖9所示，即將錨段首末兩端懸掛點的拉出值設置為最大拉出值，其他懸掛點的拉出值在順線路方向按一定的變化率設置，每個錨段不彎曲，每個錨段中部的最小拉出值所在懸掛點設置為中心錨結。

圖9 剛性架空接觸網(wǎng)直線形狀布置示意圖

如此設置后，每個錨段各懸掛點的拉出值在順線路方向的變化率是相同的，接觸線在受電弓碳滑板上的掃動頻率完全一致，接觸線在受電弓碳滑板上的摩擦概率完全相同，受電弓碳滑板磨耗均勻。此外，每個錨段不彎曲，匯流排呈直線布置，在施工時匯流排不易發(fā)生變形，接觸線架設時放線小車不易卡滯，從而保證施工質(zhì)量。但為了保證受電弓碳滑板與接觸線不發(fā)生燒蝕，各懸掛點的拉出值在順線路方向須按2～5 mm/m的變化率設置，錨段長度應適當縮短，錨段關節(jié)數(shù)量會適當增加。

4 結束語

弓網(wǎng)磨耗是機械磨耗和電氣磨耗的耦合整體結果，剛性架空接觸網(wǎng)由于自身結構彈性小、車輛取流大、線路曲線多等原因加劇了弓網(wǎng)磨耗，使得受電弓碳滑板磨耗不均勻。這個問題在各城市軌道交通運營過程中都表現(xiàn)突出，亟待解決。本文從剛性架空接觸網(wǎng)的平面布置方式、懸掛結構彈性等方面進行了一些改善優(yōu)化措施，并在上海地鐵18號線成功得到應用，取得了比較好的效果，可供類似工程借鑒參考，但受電弓碳滑板仍存在磨耗不均勻的問題,需要同行們不斷努力加以研究和解決。