城市軌道交通新型剛柔結合接觸網研究

張宗芳，劉文正，張 堅，孫 成

(1. 西安鐵路職業技術學院 機電工程學院，陜西 西安 710026；2. 北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044)

目前城市軌道交通中，由于車輛牽引功率較大，所以多采用直流1 500 V架空供電方式進行供電。而且在城市中心的隧道線路，一般采用架空剛性懸掛接觸網進行供電。如北京地鐵6號線、廣州地鐵2號線等。由于遠郊地鐵線路一般為地上明線，所以普遍使用柔性接觸網。如西安地鐵3號線、成都地鐵5號線等。

隨著社會經濟的不斷發展，部分城市不斷向郊外擴展。尤其是北、上、廣、深等大城市，由于人們工作和出行的需求，地鐵不斷從市中心輻射到郊區，同時，為了節約人們出行時間，提高市民的工作效率，進一步提高城市軌道交通車輛的速度是目前急需解決的問題。尤其是像機場線、遠郊通勤線路，人們更希望不經過換乘，能以較快的速度直達目的地。

柔性懸掛接觸網雖然具有較好的受流特性，但是其結構高，需要有較大的安裝空間，一般不在地鐵隧道線路中使用。而適合于隧道內使用的架空剛性懸掛接觸網，受其自身彈性差且無法形成受電弓的抬升等因素的影響，當車輛以較高速度運行時，就會出現弓網分離，產生離線拉弧現象，因此運行速度一般不大于100 km/h。另外，剛性懸掛接觸網雖然具有結構簡單、便于維修等優點，但是存在匯流排連接處、錨段關節等特殊區段易產生硬點，使接觸線和受電弓滑板磨耗增大等缺點；以及由于接觸線和匯流排的材質不同，金屬膨脹系數差異較大，隨著溫度的變化，容易出現接觸線跳出匯流排夾槽等諸多問題[1]。

為了解決以上問題，本文根據剛性和柔性兩種不同接觸網的結構特征，提出新型剛柔結合接觸網結構，此結構可以滿足隧道內以較高速度平穩供電。同時采用仿真研究，分析了其弓網受流特性，在140 km/h速度時仍然可以平穩運行。

1 新型剛柔結合接觸網的特征

為了使列車在較高速度下取得平穩的電流，根據弓網受流理論，要求接觸網的彈性較大。新型接觸網在考慮接觸網結構高度的基礎上，從改變接觸網彈性方面，提出一種柔性接觸線和剛性承力索相結合的新型剛柔結合接觸網。

1.1 結構特點

圖1(a)所示為剛柔結合接觸網結構，此結構由接觸線、匯流排、電連接和能夠移動的絕緣吊弦四部分構成。此結構從兩個方面考慮，從剛性懸掛角度，可被視為把接觸線通過可移動吊弦從匯流排中分離出來，從而提高了接觸網的彈性；從柔性懸掛角度，可被視為把承力索換成了剛性匯流排，從而降低了接觸網的高度。

剛柔結合接觸網設計中，匯流排采用剛度較大的矩形鋁，不但能滿足電流的傳輸要求，而且在符合地鐵隧道里接觸網高度的基礎上，為可動吊弦提供了良好的安裝環境。接觸線采用銅合金材質，能改善接觸網的彈性性能，為受電弓的抬升創造條件，因此形成了良好的受流環境。接觸線和匯流排間的電氣連接通過電連接線實現，為了滿足列車電能要求，在接觸線和匯流排間每隔一段距離安裝一組電連接線，從而為列車運行過程中的電力牽引裝置及輔助設備提供電能保障。

剛柔結合接觸網結構設計中，關鍵結構是設計了可以移動的絕緣吊弦，如圖1(b)所示。隨著溫度的變化，金屬材料的熱膨脹系數變化不同，接觸線和匯流排由于膨脹系數的不同，導致吊弦在接觸線和匯流排的連接處產生偏移，吊弦由于水平分力的作用，使得接觸線在一個錨段中，錨段中部和錨段末尾的張力不同，造成接觸線弛度發生變化，影響了接觸線的彈性，導致受電弓不能平穩運行。所以本文設計了特殊結構的絕緣吊弦，避免了上述問題的出現。

圖1 剛柔結合接觸網結構示意圖

在吊弦的材料方面，考慮吊弦彈性和剛度的需求，采用重量輕的銅合金絞線；在列車運行過程中，為避免由于弓網分離使得吊弦燒斷，吊弦上設置了絕緣子，形成了絕緣吊弦。同時，在結構設計中，考慮隧道內接觸網的高度受限，吊弦被安裝在匯流排內部；為了使剛柔結合接觸網施工過程中吊弦安裝方便，在匯流排上，預留吊弦安裝的間隙。在受電弓運行過程中，考慮受電弓的抬升，設置吊弦長度為200 mm左右，也可結合線路特點和列車速度進行設計。

1.2 錨段和錨段關節

錨段是組成接觸懸掛的基本元素。為提高接觸網的平滑度，減小接觸線的弛度，吊弦與吊弦間的距離為8 m。在本結構中，錨段長度可以大于1 000 m，是因為在本結構中設置了可動吊弦，從而使得錨段中部與末端間的張力差減小，同時，考慮到接觸線會竄動，剛柔結合接觸網在錨段的中部設定中心錨結。

張力補償裝置如圖2所示，參考柔性懸掛結構，在錨段長度較長，接觸線下錨時，把接觸線通過轉向滑輪拉到軌道的一邊，通過動滑輪和定滑輪組成的滑輪組、補償繩、墜砣等組成的補償裝置對接觸線進行張力補償。在錨段長度較短時，采用可以節省安裝空間和成本的彈簧補償器。

圖2 張力補償裝置示意圖

剛柔結合接觸網的錨段關節示意圖如圖3所示，為了確保接觸網從一個錨段過渡到另一個錨段，錨段關節的設計尤為重要。在剛柔結合接觸網錨段關節設計中，過渡處兩接觸網高度相同，并且兩接觸網間設置有100～200 mm的水平距離，兩個錨段之間由電連接線導通。錨段關節的過渡長度為5～10 m。為了保證受電弓安全運行，非工作時被抬高200 mm。

圖3 錨段關節示意圖

1.3 布置安裝方式

剛柔結合接觸網在線路布置設計中，采用直鏈形懸掛。為改善受電弓磨耗不均勻情況，在錨段長度較短時，設計一個錨段單位長度，每一個錨段設置為一個“之”字形。當錨段較長時，在一個錨段中，接觸網被劃分為幾個單位長度的“之”字形。兩種結構的定位裝置不同，第一種設計不用定位器；第二種設計要求對接觸線水平定位，同時把定位裝置安裝固定在隧道頂部。

圖4所示為剛柔結合接觸網的安裝結構，匯流排經過絕緣子固定在隧道頂部。對于剛柔結合接觸網，匯流排的弛度不直接影響弓網受流質量，因此定位裝置的安裝距離較大。同時，若匯流排之間可以不連續敷設，兩匯流排之間可以通過銅導線連接，這種設計方式不但可以防止熱脹冷縮現象，而且節約了設計成本。剛柔結合接觸網的跨距長度需要進一步計算匯流排單位長度重量確定。

圖4 懸掛安裝方式示意圖

結合上面的不同結果分析，可知剛柔結合接觸網的重要條件之一是采用可動懸掛輪的絕緣吊弦。從結構設計特點可知，剛柔結合接觸網和柔性接觸網對比，最大的優勢是結構高度低，彈性均勻度好；與剛性接觸網對比，最大特點是接觸網的彈性大，受電弓磨耗均勻，列車的運行速度高；并且剛柔結合接觸網在剛柔過渡處彈性差異小，有利于列車平穩運行。

2 剛性接觸網與剛柔結合接觸網的接觸壓力特性比較

接觸壓力是衡量弓網受流質量好壞的標志性指標[2-5]。利用MSC.Marc有限元商業仿真軟件，可以進行弓網受流特性分析[6-9 ]。因此采用仿真模擬計算的方法，通過在相同運行條件下，對比剛性接觸網與剛柔結合接觸網接觸壓力，檢驗剛柔結合接觸網的優越性。

2.1 弓網模型的建立及參數設計

圖5所示為弓網耦合仿真模型。弓網之間通過接觸壓力FC耦合在一起[10-18]，兩種接觸網的耦合模型均采用歐拉-伯努利梁單元建立。

圖5 弓網耦合模型

剛性接觸網的微分方程為

(1)

模型中剛柔結合接觸網接觸線的運動方程為

kd(um-uc)δ(x-xn)=FCδ(x-vt)

(2)

式中：mc為接觸線單位質量；EIc為接觸線抗彎剛度；Tc為接觸線張力；δ為沖擊函數；uc為接觸線位移；um為匯流排位移；xn為吊弦點與運動點間的距離；x為運動點處的位置；t為運動時間；v為列車速度。

在剛柔結合接觸網模型中，匯流排的微分運動方程為

δ(x-xn)=0

(3)

式中：mm為匯流排單位質量；EIm為匯流排抗彎剛度；kd為吊弦剛度。

在模型中受電弓被等效為三質量塊的模型，各質量塊的運動方程為

(4)

(5)

(6)

式中：M1、M2、M3，C1、C2、C3,R1、R2、R3,K1、K2、K3分別為受電弓模型中質量、阻尼、干摩擦和剛度；y1、y2、y3為對應質量塊位移；F0為靜態抬升力。

弓網間接觸壓力通過接觸界面剛度KS和接觸點處受電弓滑板與接觸線相應節點的垂直位移差求得。

FC=KS(y1-y(x,v))

(7)

通過以上弓網耦合仿真模型，采用有限元法對剛性接觸網與剛柔結合接觸網接觸壓力特性進行比較分析。

2.2 兩種接觸網的接觸壓力特性

設定剛性接觸網的跨距為8 m，其他設計參數見表1。

表1 剛性懸掛接觸網參數

設定剛柔結合接觸網的吊弦間距為8 m，接觸線張力為12 kN，其余參數見表2。

表2 剛柔結合接觸網參數

表3為仿真計算中采用的SBS81型受電弓的參數。

表3 受電弓參數

圖6所示為列車行駛速度分別為80、100、120 km/h時的接觸壓力變化曲線。

由圖6可知，剛性接觸網的接觸壓力以跨距為周期呈周期性變化，剛柔結合接觸網的接觸壓力以吊弦間距為周期呈周期性變化。兩種接觸網的接觸壓力最大值均出現在懸掛點處，最小值在兩個懸掛點中部，分布特點一致。

接觸壓力的產生是由受電弓抬升接觸網產生的，當受電弓抬升剛性接觸網時，受電弓抬升匯流排和接觸線兩部分重量，當受電弓抬升剛柔結合接觸網時，受電弓僅抬升接觸線的質量，所以剛性接觸網的接觸壓力大于剛柔結合接觸網的接觸壓力。又因為懸掛點承擔接觸線和匯流排等整個接觸網的質量，所以懸掛點的接觸壓力大，懸掛點之間的接觸壓力較小。

當列車速度提高時，造成受電弓振動幅度增大，因此兩種接觸網的振動幅度均增大。由于剛性接觸網的剛度大，當列車運行速度為100 km/h時，剛性接觸網的接觸壓力幅值變化劇烈，當速度為120 km/h時，剛性接觸網的接觸壓力最小值顯著減小，而剛柔結合接觸網的接觸壓力幅值變化較小。

由上述分析可知，在列車速度較低時，兩種接觸網的受流質量差距不大。當速度增大時，剛柔結合接觸網的受流質量明顯比剛性接觸網的受流質量好。

3 剛柔結合接觸懸掛的弓網受流特性

在上述分析的基礎上，計算剛柔結合接觸網當列車行駛在正常區間、錨段關節處的接觸壓力，設計列車運行速度為140、160、180 km/h。

3.1 較高速度時接觸壓力變化

在剛柔結合型弓網耦合模型的基礎上，如圖7所示為列車在不同速度等級下運行在區間線路時接觸壓力變化曲線。

根據圖7可知，當列車速度從140 km/h提高到180 km/h時，弓網間的接觸壓力幅值變化不大，接觸壓力最大值從120 N增加至130 N；接觸壓力最小值從78 N減小至60 N；平均值從93 N減小至83 N；標準偏差從11增加至20。根據接觸壓力的數據可以看出，進一步增大列車運行速度，剛柔結合接觸網仍然具有較好的受流質量。

在列車運行過程中，錨段關節處弓網受流質量較差。弓網理論模型根據2.1節模型建立，結構設置根據錨段關節結構設置7 m的過渡區間，建立剛柔結合接觸網錨段關節處的仿真模型，圖8所示為錨段關節處接觸壓力變化曲線。

圖8 不同速度時錨段關節處接觸壓力

結合圖8可知，列車運行在錨段關節過渡位置時，弓網受流質量明顯變差，接觸壓力幅值變化增大。產生上述結果的原因是在錨段關節處，接觸網剛度大于普通區段接觸網剛度。結合統計圖可以看出，當速度從140 km/h增大至180 km/h時，接觸壓力最大值從150 N增大至195 N，仍然小于200 N；最小值從38 N減小至34 N并未有離線現象發生。

結合上述分析可知，對于剛柔結合接觸網，當列車速度提高到180 km/h時，不管是正常區間還是錨段關節處，均能保證列車安全運行。

3.2 列車與軌道的耦合振動對接觸壓力影響

當列車高速運行時，由于存在軌道不平順情況，輪軌間振動會加劇，將對弓網接觸壓力產生直接影響[19-21]。根據研究可知，輪軌激擾振動有3個頻率段，分別為低頻段(0.5～5 Hz)，此頻段由于輪軌垂向作用力導致車體振動引起；中頻段(10～40 Hz)，由線路不平順引起；高頻段由高頻諧波因車輪經過軌枕造成的周期性沖擊產生[22-23]。

在下面研究中，設列車速度為140 km/h。圖9(a)所示為輪軌激擾頻率分別為2.5、25、50 Hz，振幅為5 mm時的接觸壓力曲線。從圖9(a)可知，接觸壓力曲線仍然以吊弦為周期變化，當激擾頻率為2.5 Hz時，接觸壓力最大值增大至137 N，最小值減小至58 N，接觸壓力幅值變化較大。當激擾頻率設定為50 Hz時，接觸壓力最大值為121 N，最小值為76 N，與低頻對比發現，接觸壓力幅值變化較小。所以可以驗證低頻激擾對接觸壓力幅值變化影響明顯。產生上述結果的原因是，剛柔結合接觸網的吊弦間距是8 m，當列車速度為140 km/h時，計算可知接觸壓力變化的頻率為4.86 Hz，此頻率和低頻激擾2.5 Hz最接近，因此對接觸壓力影響較大。但是，上述3種頻率下，接觸壓力的變化仍符合弓網受流質量的要求。

圖9 施加激擾時接觸壓力

同理，設定列車運行速度為140 km/h，圖9(b)所示為輪軌激擾頻率為25 Hz，振幅分別為5、10、15 mm時的接觸壓力曲線。從圖9(b)可知，當激擾信號的振幅從5 mm增大到15 mm時，接觸壓力最大值增大，最小值減小。最大值從123 N增大至138 N，最小值從73 N減小至50 N。造成接觸壓力幅值增大的原因是當振幅增大時，弓網間的振動加劇。

結合上面的曲線可以看出，受電弓運行在正常區間、錨段關節處、有輪軌激擾影響時，弓網間的接觸壓力值均滿足弓網受流質量的要求。因此，采用新型剛柔結合接觸網，可以滿足列車在隧道中以較高速度平穩運行。

4 結論

本文提出一種適用于隧道中列車以較高速度運行的新型剛柔結合接觸網，分析了此結構中的吊弦結構、張力補償裝置、錨段關節等。同時，采用MSC.Marc仿真軟件建立弓網耦合模型，分析剛性和剛柔結合接觸網在不同速度下的接觸壓力變化，并且對剛柔結合接觸網在車輛高速運行在錨段關節處和受輪軌激擾時弓網受流質量進行研究，得出以下結論：

(1)從結構設計發現，新型剛柔結合接觸網具有彈性均勻度好、結構高度低、受電弓滑板磨耗均勻、運行可靠性高等優點。并且當采用剛柔結合接觸網時，在剛柔過渡處剛柔結合接觸網和柔性接觸網的彈性差異小，有利于列車平穩取流。

(2)通過仿真得知，當列車運行速度為120 km/h時，剛性接觸網和剛柔結合接觸網受流質量差異較大，剛柔結合接觸網的接觸壓力幅值變化較小，更有利于列車取流。

(3)分別分析列車運行在正常區段、錨段關節處、受輪軌激擾時剛柔結合接觸網的弓網受流質量，當列車速度達到180 km/h時，新型剛柔結合接觸網能滿足列車平穩運行要求。

新型剛柔結合接觸網由于采用了具有可動懸掛輪的絕緣吊弦，有效減小了接觸網的結構高度。并且，新型接觸網可以有效降低當前隧道使用的剛性接觸網弓網離線頻率高、受電弓磨耗嚴重等缺陷。其既適用于新線建設也適合于老線路改造，為列車在隧道內高速運行提供了可靠保障。