第三軌供電系統受流質量評價指標研究*

戈春珍 劉艷豐 寧曉芳

(1.中鐵物總運維科技有限公司， 100036， 北京； 2.北京汽車研究總院有限公司， 101300， 北京；3.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室， 610031， 成都∥第一作者， 工程師)

GB/T 14894—2005《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗規則》[1]中第6部分對第三軌供電系統性能的描述如下：“運行試驗的供電系統的性能，原則上應由用戶與制造商雙方在開始簽定合同時議定?！盙B/T 32589—2016《軌道交通 第三軌受流器》[2]中對第三軌受流系統受流特性的描述可歸結為兩點：①受流時受流器對接觸軌應無損傷或非正常磨耗；②接觸壓力決定受流效果。從上述標準可知，第三軌供電系統受流性能評價在現有的標準中并沒有系統和明確的規定，標準的缺失導致受流器設計以及第三軌供電系統施工與維護中參數選取不準確，給施工驗收和后期維護帶來困擾。本文以無錫地鐵2號線(以下簡為“2號線”)為依托，從影響第三軌供電系統動態受流特性的主要因素入手，分析了各種因素對受流性能的影響，在此基礎上提出了初步的評價指標和評價方法。

1 第三軌供電系統受流質量評價內涵分析

受流質量屬于第三軌供電系統的功能特性范疇。狹義的受流質量特指列車運行狀態下負荷電流通過接觸軌和受流器滑板接觸面的持續流暢程度；而廣義的受流質量不僅要考慮受流器滑板與接觸軌表面動態接觸點所具有的持續導電能力，還包括為了維持這種能力所要付出的維護成本[3]。第三軌供電系統的受流質量主要取決于受流器和第三軌各自的物理特性，以及兩者之間的相互作用。受流器滑板沿著接觸軌滑行的運動是一個復雜的力學和電學過程，但其中的力學效應起主導作用。這是因為受流器滑板與接觸軌之間的相互作用會產生各種垂向和橫向作用力，并引起受流器滑板和接觸軌的振動，導致其接觸狀態不穩定，進而影響電流的傳遞效率[3]。

2 影響第三軌供電系統受流質量的要素

梳理第三軌供電系統結構與受流質量相關的各種物理特性，確定影響第三軌供電系統導電能力、磨耗、機械破壞、維護成本的主要因素，是研究和科學制定受流器滑板-接觸軌系統受流質量評價指標的重要環節。

2.1 標稱靜態接觸壓力

受流器上設置有彈簧或可調壓氣缸，使受流器滑板在正常工作位置與第三軌接觸面之間產生接觸壓力。接觸壓力是維持穩定受流的重要條件。車輛靜止狀態下的接觸壓力稱為靜態接觸壓力，靜態接觸壓力的標稱值稱為標稱靜態接觸壓力。標稱靜態接觸壓力是第三軌供電系統調試的基準，理論上要求在列車運行過程中受流器與第三軌始終以標稱靜態接觸壓力相接觸。

接觸壓力對導電和磨損有重要的影響。宏觀層面上接觸面是光滑平整的，但在顯微鏡下觀察時是凹凸不平的，存在大量的微凸體。粗糙表面法向接觸試驗表明，真實的接觸發生在微凸體之間，并且微凸體間的實際接觸面積僅是名義接觸面積的一小部分，并隨著接觸壓力的變化而改變[4]。如圖1所示，若將兩個產生放電現象的導電物體之間的最小間距dmin定義為臨界距離，則當接觸間隙ddmin時，兩導體間的接觸性質為電容性接觸[5]。受流器滑板與接觸軌是兩個導體，因此，受流器滑板和第三軌表面接觸區域的導電電路是由無數個微小電容、電阻并聯而成的。城市軌道交通通常采用直流供電，對于直流電路，微小電阻的導電能力要高于微小電容。因此，接觸壓力的法向力增大時，接觸表面上電阻性微凸體數量增加，導電能力趨于上升；反之，則電容性接觸微凸體數量增加，導電能力趨于下降[3]。

圖1 受流器滑板與接觸軌的微觀接觸面

電流從電阻性微凸體通過時產生焦耳熱，提高了接觸點的黏著系數，使得切向摩擦力增高，機械磨損增加；電流從電容性微凸體通過時可產生擁堵放電，接觸點溫度瞬間增高，導致材料熔化并產生火花，接觸點之間出現大量的離子介質，切向摩擦力下降，但在材料的熔化和燒蝕效應下，磨損體積也趨于增大。文獻[6]的研究成果表明，存在一個法向接觸壓力臨界值，當法向接觸壓力試驗值大于此臨界值時，摩擦系數隨電流增加出現較小增幅；而法向接觸壓力小于該臨界值時，摩擦系數隨電流增加則出現較大降幅。進一步研究表明，當法向接觸壓力小于該臨界值時，總磨損量隨著法向接觸壓力的增加而降低；當法向接觸壓力大于此臨界值時，總磨損量隨法向接觸壓力的增大而增大。因此，為了兼顧導電和磨損，標稱靜態接觸壓力應接近或等于臨界法向接觸壓力。

2.2 動態接觸壓力和受流器離線

由受流器滑板和第三軌構成的動力學系統在各種激擾作用下會產生隨機振動，引起接觸壓力和滑板位移的變化。因此，列車運行過程中滑板和接觸軌間的接觸壓力不是恒定的，而是一個不斷變化的動態值。激擾源主要來自第三軌，包括接觸軌表面粗糙不平、接頭處存在間隙、制造時的尺寸偏差、安裝公差及自重產生的撓度等。接觸軌不平順產生的激擾具有隨機性，僅能用數學統計的方法進行描述。另外，受流器安裝座隨著轉向架構架一起振動，并通過彈性軸承和擺桿將這些振動傳遞到受流器滑板，這也構成了一種激擾。為了探明列車運行狀態下動態接觸力的分布規律，在2號線列車調試期間對其進行了動態接觸壓力測試。列車上安裝的受流器為德國下部作用式受流器，鋼鋁復合軌為國產軌，并由國內相關公司負責施工安裝。接觸壓力的測試采用間接法。圖2為受流器滑板的受力模型。其中：Fa是擺桿作用于滑板的剪切力，Fc是接觸軌作用于受流器滑板的接觸壓力，m是包含擺桿歸算質量在內的受流器滑板的慣性質量，g是重力加速度。

根據牛頓第二定律，受流器滑板的動力學方程如下：

(1)

(2)

式中:

圖2 受流器滑板的受力模型Fig.2 Force model of current collector slide

a) 正視圖

b) 側視圖

圖4和圖5是紡織城站—査橋站區間(該區間無端部彎頭)的動態接觸壓力和受流滑板動態垂向加速度測試結果。測試時，列車全程運行速度為60 km/h。

圖4 紡織城站—査橋站區間受流器滑板動態接觸壓力

圖6為紡織城站—査橋站區間(該區間無端部彎頭)的動態接觸壓力-概率密度曲線。由圖6可知，動態接觸壓力概率密度服從正態分布。這與文獻[7]中英國鐵路系統軌道車輛所采用的新型受流器進行的動態接觸壓力測試結果(見圖7)類似，因此可以確認動態接觸壓力概率密度符合正態分布。這表明標稱靜態接觸壓力是不可持續的理想值，在列車運行條件下接觸壓力會發生各種隨機波動。

圖5 紡織城站—査橋站區間受流器滑板動態垂向加速度

圖6 紡織城站—査橋站區間的動態接觸壓力-概率密度曲線

從圖4中還觀察到了大量的受流器離線現象(簡稱離線，接觸壓力為0)。第三軌表面的波狀磨耗和受流器滑板的微小振動可造成較短時間的離線；而受流器滑板由于跟不上第三軌的高度變化、接頭間隙等，可能會導致較長時間的離線。某測試區段內列車總的運行時間為461.74 s，初步統計離線時間約為5.54 s，占列車總運行時間的1.20%。離線狀態下電流傳輸中斷，并且在離線和重新接觸的瞬間反復產生拉弧現象，而拉弧也加速了表面磨耗。

2.3 端部彎頭

由于供電區間隔離的要求，或空間位置的局限性，接觸軌會產生斷點，并在斷點處設計端部彎頭。端部彎頭可分為低速端部彎頭和高速端部彎頭兩種類型，并通過中間接頭安裝于鋼鋁復合軌斷口的端部。高速端部彎頭的相關參數為：長度為5.2 m，下降坡度為1∶40。低速端部彎頭的相關參數為：長度為3.4 m，下降坡度為1∶30。端部彎頭安裝面有兩處平直槽，其外形與鋼鋁復合接觸軌基本相同。

圖7 第三軌供電系統端部彎頭Fig.7 Third-rail power supply system end bend

受流器滑板通過接觸軌斷點時要經歷出靴、再入靴的過程，導致電流和電壓的暫時中斷，容易引起拉弧現象[8]。受流器滑板進入端部彎頭斜面時受到斜面的瞬時沖擊，垂直于斜面的動量分量轉換為對受流器滑板的瞬態沖擊力。該瞬態沖擊力是造成受流器擺桿弱連接結構破壞的原因之一[9]。所謂弱連接結構其實是一種機械保護方案，當受流器擺桿在軌道上受到超過設計載荷時，為了保護整個受流器和轉向架，受流器擺桿會在弱連接處斷裂。圖8、圖9分別是列車運行速度為40 km/h時受流器滑板通過端部彎頭時的加速度和接觸壓力。由于沖擊碰撞作用，受流器擺桿弱連接處的動態應力存在一個明顯的峰值，是造成擺桿弱連接處機械疲勞破壞的主要原因之一，因此端部彎頭處滑板與第三軌的接觸狀態是影響整體導電能力的重要因素。

圖8 受流滑板通過端部彎頭時的加速度Fig.8 Acceleration of the slide passing through the end bend

3 第三軌供電系統受流質量評價指標的確定

綜合上述對于影響第三軌供電系統導電能力、磨耗、機械破壞及維護成本等主要因素的分析，確定受流質量評價指標主要包含：

圖9 受流滑板通過端部彎頭時的接觸壓力Fig.9 Contact pressure of the slide when passing the end bend

1) 接觸壓力。接觸壓力既影響第三軌受流系統的導電能力，也關系到其表面磨耗，是評價受流性能的核心指標。對接觸壓力的評價應區分其平均值和動態值。

2) 離線。輕微離線時第三軌表面與受流器滑板間產生電弧，電弧能繼續維持電流的持續性，使得列車供電不被中斷，但會導致燒蝕磨損加大；嚴重離線會造成列車供電的中斷，使得第三軌供電系統喪失導電能力。因此，離線是評價受流性能的重要指標。

3) 端部彎頭沖擊。端部彎頭沖擊是造成受流器擺桿弱連接結構破壞的主要原因，需要把沖擊過程中的受流器擺桿弱連接處的動態應力幅值作為結構可靠性的評價指標。

4 第三軌供電系統受流質量的評價方法

4.1 接觸壓力平均值評價

按照GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術條件》中第11.10條的要求，標稱靜態接觸壓力由供需雙方協商確定[10]。對于匹配良好的第三軌供電系統，如果測試線路足夠長，測得的接觸壓力算術平均值Fm應接近或等于標稱接觸壓力。標稱接觸力的偏差δ越小，表明受流滑板與第三軌的匹配越好。Fm與δ按式(4)進行評價:

(3)

(4)

式中：

Fi——測試線路的接觸壓力采樣值；

n——樣本量；

Fm——接觸壓力的算術平均值；

Fb——標稱靜態接觸壓力。

4.2 接觸壓力波動評價

接觸壓力的波動服從正態分布。借鑒城市軌道交通弓網系統的受流性能評估，最簡單且有效的方法是基于接觸壓力標準差σ和接觸壓力不均勻系數FCP進行評價。

σ的計算公式為：

(5)

σ反映的是Fm的動態波動情況，其值越小，接觸壓力動態波動越小，第三軌供電系統受流性能越好。

FCP的計算公式為：

(6)

式中：

Fi,max、Fi,min——分別為采樣區間內樣本點中接觸力的最大值與最小值。

由式(6)可見,FCP越小，表明接觸壓力波動越小，電流傳導越穩定。

4.3 受流器離線評價

第三軌受流系統關于離線的評價沒有相關技術條件支持。但在弓網系統中有較為成熟的方法，即采用離線率和單次離線持續時間這兩個指標來描述。在1個區段內，離線率S的表達式為：

(7)

式中：

k——采樣區段內受流滑板脫離第三軌的次數；

ti——第i次離線持續時間；

T——試驗總時間。

根據文獻[11]的相關規定，定義單次受流滑板與第三軌分離的持續時間為單次離線持續時間。離線時間0.1～0.5 ms為小離線，離線時間50～100 ms為中離線，離線時間大于100 ms為大離線。

4.4 端部彎頭沖擊評價

端部彎頭沖擊過程中擺桿弱連接處的動態應力幅值小于或等于結構的疲勞強度時為合格。對于試驗所測得的受流器擺桿弱連接處的動應力，通常采用雨流計數法進行循環計數處理，從而編制各個測點的應力譜。擺桿弱連接處的等效應力幅值主要依據Miner線性疲勞損傷法則和美國國家航空航天局針對變幅加載條件推薦的S-N曲線長壽命區形式計算[12]。等效應力幅值σacq計算方法為：

(8)

式中：

L——擺桿弱連接結構在設計壽命內允許的總沖擊次數；

L1——動應力測量時的實際沖擊次數；

ni——各測試點應力譜中各級應力的出現次數；

σa,i——應力譜中各級應力對應的幅值；

m0——S-N曲線方程的指數；

N——疲勞極限所對應的循環次數。

5 結語

標稱靜態接觸壓力的大小對負載電流通過受流器滑板和第三軌接觸表面的能力和載流磨損都有影響。第三軌表面幾何不平順會造成接觸壓力的隨機波動，產生不同程度的離線故障，而端部彎頭沖擊可能使受流器滑板弱連接處產生機械損壞，導致受流中斷。這些影響受流質量的因素無法根除，但可以通過對一些指標的限制，把其影響控制在可接受的范圍。本文提出以接觸壓力的算術平均值、接觸壓力的標準差、不均勻系數、離線率、離線時間，以及端部彎頭沖擊過程中弱連接處的動態應力幅值作為評價指標，并給出了評價方法，具有參數易測和應用方便的優點。后續將在運營經驗的基礎上，對各個指標影響受流質量的量化規律進行深入的理論和試驗研究，確定各評價指標的合理取值范圍，以完善評價體系。