地鐵剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系與優(yōu)化策略分析

宋博瀚

（中鐵建電氣化局集團軌道交通器材有限公司，江蘇 常州 213179）

作為地鐵工程最關(guān)鍵的構(gòu)成部分之一，剛性接觸網(wǎng)雖然比柔性懸掛有非常顯著的優(yōu)勢，但與此同時，其局部彈性較差及磨耗不均勻的問題也是不能忽略的，如果無法進行弓網(wǎng)關(guān)系的及時優(yōu)化，則地鐵運行的效率與安全性也無法得到保證。由此可見，作為接觸網(wǎng)專業(yè)技術(shù)人員，結(jié)合地鐵工程對剛性接觸網(wǎng)的施工要求，以及剛性施工網(wǎng)的特征對弓網(wǎng)關(guān)系進行優(yōu)化以減少磨耗已勢在必行。

1 地鐵剛性接觸網(wǎng)的構(gòu)成及其特征

剛性接觸網(wǎng)的主要構(gòu)成，即為接觸懸掛、支持定位裝置、絕緣部件和架空地線，其中接觸懸掛則主要有匯流排、接觸線、伸縮部件和中心錨結(jié)這四個組成部分；支持定位裝置需在隧道頂部或者壁上安裝；懸掛布置的整體形狀為正弦波，一個錨段形成半個正弦波，各懸掛點通常情況下和受電弓中心間距不會超過200mm（圖1）。

圖1 剛性懸掛網(wǎng)布置圖

雖然剛性接觸網(wǎng)出現(xiàn)的時間并不長，但卻憑借自身施工方便、安全穩(wěn)定、維護簡單、適應速度強、成本低以及供電間距長等優(yōu)勢，以其結(jié)構(gòu)緊湊簡單、施工方便、工程造價低、安全可靠、可維護性高、供電間距長以及適應速度較高等優(yōu)點，被廣泛應用于地鐵建設中。與此同時，剛性接觸網(wǎng)的優(yōu)勢還體現(xiàn)在占空間小和無軸向張力上，其與受電弓共同組成地鐵架空剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)系統(tǒng)，使車輛在足夠能量的驅(qū)動下實現(xiàn)穩(wěn)定運行。

2 優(yōu)化地鐵剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的必要性

雖說電氣化鐵路柔性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)系統(tǒng)，與地鐵架空剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的功能沒有太大區(qū)別，但二者的線路條件、受電弓性能、行車組織以及接觸懸掛結(jié)構(gòu)類型卻是存在極大差異的，這導致各城市甚至同一城市各線路的特征都不同，進而造成弓網(wǎng)關(guān)系惡化、接觸線磨耗分布嚴重不均的問題。如果無法及時檢測并優(yōu)化，則地鐵剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的穩(wěn)定性和安全性必然會降低，不僅會使運維壓力大幅提高，對車輛行駛來講也是不能忽視的安全威脅。因此，地鐵運維部門與技術(shù)人員使用專業(yè)的檢測技術(shù)，在掌握各線路弓網(wǎng)系統(tǒng)運行特征的基礎上，為相應的優(yōu)化工作提供指導，制定完善、科學的策略并落實，達成提高運維效率和水平的目的，為剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)系統(tǒng)的可靠運行創(chuàng)造良好環(huán)境。

3 剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的現(xiàn)狀

首先，經(jīng)實踐證明，剛性接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強，能為地鐵高效運行提供高度保證，但與此同時，相比柔性懸掛技術(shù)來講，剛性懸掛網(wǎng)柔性差和拉出值調(diào)節(jié)困難的問題也很明顯，特別是地鐵工程的施工空間較小，所以弓網(wǎng)關(guān)系的優(yōu)化是目前此領(lǐng)域迫在眉睫的任務。

其次，在電弓磨耗不規(guī)則的情況下，接觸線磨耗不均勻也是正常的，進一步在受電弓被磨后兩端形成的凹槽作用下，導致錨段中部接觸線也出現(xiàn)偏磨的問題。最后，接觸線工作面的平滑性無法保證，也會加重受電弓磨耗不規(guī)則的問題，長此以往，弓網(wǎng)關(guān)系惡化必然還會更加嚴重，進而加大打火和拉弧及離線問題出現(xiàn)的概率，其甚至會導致接觸線、受電弓或接觸網(wǎng)設備受損，使機車受流質(zhì)量大幅下降。

4 影響地鐵剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的主要因素

4.1 平面布置形式

由于剛性接觸網(wǎng)的主要特征就是較大的匯流排剛度，所以其在平面布置形式時無法選擇“之”字形，導致平面布置的均勻性與實際要求差距較大。就我國地鐵線路施工的目前情況來看，“S”和“八”字是剛性接觸網(wǎng)單個錨段平面布置最常見的兩種形式，其中前者又可以劃分成一次過零和三次過零這兩種方法，且拉出值通常會在±100mm或者是±200mm處呈集中狀態(tài)分布；而后者的拉出值分布均勻性相對較強。受電弓滑板在通過的過程中，會受到接觸線分布空間位置差異的影響，具體來講，接觸線接觸滑板的各位置并發(fā)生摩擦的概率不確定，所以滑板各位置的磨耗量也不同，進而導致滑板形狀被磨耗的不均勻。

此時，剛性接觸網(wǎng)采取不同的平面布置形式，也會受到拉出值分布特征的影響，致使受電弓滑板各處磨耗程度不同。

除此以外，為符合地鐵線路建設和匯流排伸縮的具體要求，一條線路一般情況下需采取一種及以上的平面布置形式，與此同時，各平面布置形式的占比差異，也會對受電弓滑板磨耗分布起到?jīng)Q定性的作用，再形成最終的滑板磨耗廓形。

對各地地鐵全線動態(tài)拉出值分布特征進行分析后可得出結(jié)論，其中除含括三類平面布置特征外，滑板磨耗形狀和用于分析的拉出值分布特征高度重合，由此可見，不同平面布置形式是受電弓滑板磨耗廓形受到影響的重要因素，進而影響剛性接觸網(wǎng)整體的弓網(wǎng)關(guān)系。

4.2 接觸線磨耗分布不均勻

剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)系統(tǒng)運行的原理，簡單來講，就是基于復雜的大氣環(huán)境，多場耦合作用下形成的載流摩擦磨損現(xiàn)象，而磨損機理則共有機械磨耗和電氣磨耗這兩個重點構(gòu)成部分，前者含括磨粒、疲勞以及黏著磨損這三種類型，后者以電弧熔融噴濺與電離子轉(zhuǎn)移為主要內(nèi)容。根據(jù)相關(guān)調(diào)查研究報告顯示，在接觸線與受電弓滑板材料固定的情況下，這兩種磨損是由剛性接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)接觸力和牽引電流決定的。另外，如果以剛性接觸網(wǎng)平順度足夠為前提，則弓網(wǎng)接觸力和運行速度間的聯(lián)系最密切，相關(guān)研究人員通過大量仿真與現(xiàn)場試驗得出的結(jié)果表明，以往傳統(tǒng)的地鐵線路剛性接觸網(wǎng)運行速度，最高只能達到120km/h，而在采取跨距優(yōu)化和彈性線夾安裝等策略后，運行速度最高可達到250km/h，由此可見，剛性懸掛接觸線的載流磨損分布情況，會受到車輛牽引電流分布特征的極大影響。

在地鐵車輛運行特殊性的作用下，其運行過程中的牽引電流相對較大，且電流會在駛出站區(qū)的時候出現(xiàn)驟增的現(xiàn)象，導致剛性接觸線在此區(qū)段受到嚴重磨耗。以某地鐵線路為例，在對其區(qū)間接觸線嚴重磨耗部位分布進行統(tǒng)計后，可明確全線區(qū)間共有27個，出站區(qū)第1個到第5個錨段，是剛性接觸網(wǎng)磨耗最嚴重的位置，這與上述所分析的牽引電流分析特征是相同的。其中有兩個區(qū)間因為間距大所以出站區(qū)的加速時間較長，所以其磨耗嚴重的錨段也更多，因此，技術(shù)人員可從此入手展開弓網(wǎng)關(guān)系的優(yōu)化。

5 優(yōu)化地鐵剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的有效措施

5.1 準確測量實際磨耗值

上述已經(jīng)提過，剛性接觸網(wǎng)平面布置是滑板磨耗的重要影響因素，但在受電弓橫向擺動量與車體晃動量的作用下，剛性接觸線和受電弓滑板中心的水平空間位置，和它與線路中心的不同，二者的拉出值分別是動態(tài)和靜態(tài)的，因此，僅掌握其靜態(tài)拉出值分布特征，受電弓滑板磨耗形狀檢測的準確性很難得到保證，動態(tài)拉出值的測量也是非常必要的。此時，技術(shù)人員還應充分考慮到，無論是同一車輛或者不同車輛，在載荷與運動速度存在差異的情況下，相對受電弓滑板中心來講，線路位置相同的接觸線與其的水平橫向位置也不是固定不變的，若想盡可能提高車輛受電弓滑板磨耗程度的準確性，就必須先確保檢測裝置能實現(xiàn)對接觸線與水平橫向位置的準確測量。

具體來講，技術(shù)人員可以基于各類載荷工況，對運營車輛的全線接觸線動態(tài)拉出值數(shù)據(jù)，展開科學、全面、詳細的分布特征統(tǒng)計，進而最大程度地提高運營車輛受電弓滑板磨耗值測量的準確性。此外，技術(shù)人員還應重視其他的檢測參數(shù)，例如，接觸線高度、導線水平和垂直間距、速度、距離以及拉出值等，這樣不僅對測量錨段關(guān)節(jié)等雙支接觸線高區(qū)段長度的順利展開非常有幫助，也使得滑板磨耗形狀結(jié)果更加準確。

5.2 改良懸掛結(jié)構(gòu)剛度和系統(tǒng)彈性

根據(jù)國際相關(guān)學者的研究結(jié)果可知，如果能在使剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)的剛度降低的同時強化系統(tǒng)彈性，如使用彈性螺桿代替懸掛螺桿，使用彈性絕緣子與彈性定位線夾，則對地鐵剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的優(yōu)化而言能發(fā)揮極好的效果。

經(jīng)實踐證明，這些先進器件能有效提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)懸掛的彈性，一方面，使剛性懸掛受電弓得匹配性得以提升；另一方面，也能使授流得到改善。現(xiàn)如今，彈性絕緣子與彈性定位線在實際施工中應用的最多，其原理簡單來講，就是基于結(jié)構(gòu)對高彈性特征，使懸掛接觸網(wǎng)的剛度盡量減小，進一步減弱受電弓對接觸網(wǎng)可能造成的沖擊，最大程度上增強弓網(wǎng)授流的平穩(wěn)性，最終實現(xiàn)盡量避免接觸網(wǎng)電氣異常磨損與優(yōu)化弓網(wǎng)動態(tài)受流性能的目的。我國廣東省佛山市以及杭州等地鐵線路，均在剛性接觸網(wǎng)施工中使用了彈性絕緣子與彈性定位線，以通過降低剛度、強化彈性優(yōu)化接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系，進而降低運維的難度和壓力。

除此之外，彈性懸掛絕緣子與彈性定位線夾還可以組合使用，即技術(shù)人員需在彈性絕緣懸掛組件上安裝匯流排，同時，依靠剛性接觸線與匯流排本身的重量，使懸掛組件的彈性元件形狀變化，實現(xiàn)力量上的相互平衡。這樣一來，在電客車受電弓與剛性接觸網(wǎng)懸掛點相錯的時候，就會由彈性元件抵消受電弓向上沖擊時產(chǎn)生的力，同時，橡膠材料還能吸收大部分車輛運動帶來的振動，從而有效減少受電弓的離線率，使弓網(wǎng)磨耗得到大幅降低。

5.3 確保受電弓與接觸網(wǎng)的匹配性

地鐵線路剛性接觸網(wǎng)和受電弓屬于一個整體，因此，即使各線路的運行速度不同，也必須確保接觸網(wǎng)類型及參數(shù)與之相適應，且需有用于匹配接觸網(wǎng)類型的受電弓。另外，若想減少弓網(wǎng)磨耗，技術(shù)人員應將受電弓靜態(tài)接觸壓力調(diào)整并控制在100～140N，在采取氣囊懸掛方式的同時，選擇質(zhì)量較小的弓頭，保證滑板能在弓投結(jié)構(gòu)的作用下和接觸線穩(wěn)定接觸，需使用電阻率小的滑板材料。相同線路的滑板材質(zhì)和種類最好相同，否則，剛性接觸線表層結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)差異，進一步使接觸線與滑板所受的磨耗更加嚴重。技術(shù)人員應對受電弓進行日常檢查，如果發(fā)現(xiàn)碳滑板出現(xiàn)1～2mm的凹凸，則應及時進行打磨，確保工作面的平滑度與標準相符，從細節(jié)處為剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系的優(yōu)化奠定牢固基礎。

6 結(jié)語

綜上所述，對于地鐵剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系而言，其極易受到多方因素的影響，而導致出現(xiàn)接觸線磨耗不均勻分布等問題，如果無法有針對性地優(yōu)化改良，則必然會使弓網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性下降，進而加大地鐵運行系統(tǒng)整體的運維難度。未來城市交通對地鐵的需求和要求還會不斷提高，從優(yōu)化剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系等細節(jié)處入手，來提高地鐵工程的整體質(zhì)量，也必須提上日程，這也是城市交通領(lǐng)域能實現(xiàn)健康可持續(xù)發(fā)展的必要途徑。