剛性懸掛接觸網系統分析及應用前景

閻 娜

1 剛性接觸網的國內外應用情況

剛性接觸網由匯流排、接觸線、懸掛與定位結構等組成，將接觸線夾持在匯流排中[1]，并靠其自身剛性保持接觸線的恒定位置，使其不因重力而產生弛度，并取消柔性接觸網的承力索和吊弦。

國外剛性接觸網的應用較早，如1895 年美國巴爾的摩第一條電氣化鐵路，1961 年日本營團地鐵日比谷線，1983 年法國巴黎RATPA 線，1988年瑞士辛普倫隧道使用1 100 m 剛性懸掛，這些線路的運營速度均低于160 km/h。目前200 km/h 及以上線路的剛性接觸網應用較少，2014 年奧地利開通的維也納—林茨城際鐵路，長4.8 km 的Sittenberg 隧道應用剛性懸掛，其運行速度達到250 km/h；2020 年瑞士的Ceneri-Base 隧道使用剛性懸掛，運營速度超過250 km/h。但總體來看，高速剛性接觸網多為既有內燃線路低凈空隧道的電氣化改造，在線路中的占比相對較低。

我國第一條剛性懸掛接觸網應用于2003 年建成的廣州地鐵二號線三元里—琶洲段，該段線路長18.4 km。隨后國內多條鐵路隧道內接觸網采用剛性懸掛，最早的25 kV 交流電氣化鐵路剛性懸掛應用于2006 年蘭新鐵路的烏鞘嶺隧道，之后青藏線的關角隧道、南疆線的中天山隧道、京九線電氣化改造工程、焦柳線電氣化改造工程、精伊霍鐵路的北天山隧道、蒙華鐵路運煤通道、北京新機場線等均采用剛性懸掛，其中北京新機場線的運營速度最高，為160 km/h。目前國內尚無200 km/h 及以上剛性接觸網的應用，其技術方案、裝備設計、施工安裝、運營維修等方案設計仍較欠缺。

2 剛性接觸網技術特點

2.1 跨距

剛性接觸網通常跨距為5～12 m，錨段長度為200～250 m，拉出值一般在500 m±200 mm 范圍內。剛性接觸網跨距與跨中弛度密切相關，跨距越小，弛度越小，則剛性接觸網的平順性越好。但跨距越小導致定位與懸掛結構較多，增加建設成本。剛性接觸網的跨距常見有3 種：6、8、10 m。10 m跨距的跨中弛度較大，一般用于80 km/h 以下的線路，8 m 跨距一般用于160 km/h 以下的線路。弓網仿真表明，跨距為6 m 的剛性接觸網系統接觸力波動幅度更小，能滿足最高運行速度為220 km/h 的線路，因此，200 km/h 剛性接觸網跨距可考慮采用6 m。

跨距與匯流排通過速度有關。匯流排一般由鋁材制成，約12 m 一段，安裝時用魚尾板將其連接為一體。接觸線上安裝剛柔過渡匯流排然后直接接入剛性接觸網。每一段匯流排之間用匯流排中間接頭連接，構成剛性懸掛的每個錨段。對于剛性接觸網在隧道內懸掛安裝，匯流排選擇π 型結構比T型結構更適合（圖1）。

圖1 π 型匯流排

標準π 型匯流排一般有PAC110 和PAC80 兩種。我國的烏鞘嶺隧道剛性懸掛接觸網采用的是π型匯流排PAC110 型。PAC110 匯流排通過速度與跨距的關系如表1 所示。

表1 PAC110 匯流排通過速度與跨距

2.2 錨段關節

目前，在我國城市軌道交通剛性接觸懸掛中，剛性錨段關節（絕緣與非絕緣）多采用2 根匯流排終端平行并列、互相錯開重疊而成。在重疊范圍內采用懸掛定位點對導高、匯流排間距進行調整。圖2 為上海地鐵6 號線剛性懸掛錨段關節示意圖[2]。其中，非絕緣錨段關節間距200 mm，絕緣錨段關節間距300 mm。

圖2 剛性懸掛錨段關節示意圖

對比剛性懸掛，柔性接觸網通過“三跨”接觸線立面的交叉，“四跨”一段距離的接觸線平面等高進行過渡，柔性懸掛的錨段關節相對繁瑣。圖3所示為350 km/h 接觸網柔性懸掛常見的四跨非絕緣錨段關節（b= 200 mm）。

圖3 柔性懸掛四跨非絕緣錨段關節（單位：mm）

2.3 剛柔過渡

結合國外200 km/h 及以上剛性接觸網工程，高速架空剛性接觸網系統宜采用貫通式剛柔過渡，即剛性接觸網與柔性接觸網合為一支接觸懸掛，其工作原理是柔性接觸網進入隧道時承力索于隧道口或內部下錨。

剛柔過渡結構主要有兩種方式：錨段關節式和切槽貫通式。由于切槽貫通式膨脹元件對剛性懸掛系統的安裝和調試允許有更大的誤差范圍。國外200 km/h 及以上剛性懸掛，相鄰兩錨段銜接處采用貫通式錨段關節。

依據國外200 km/h 剛性接觸網運營資料，貫通式膨脹接頭其導高系統誤差上限為5 mm，受電弓以200 km/h 速度通過時，全里程弓網接觸力處于0～300 N 范圍，滿足標準要求，且受電弓經過膨脹接頭時弓網接觸力未出現很大波動，說明弓網受流質量良好，這是由于貫通式膨脹接頭允許更大的安裝誤差范圍。因此，200 km/h 剛性接觸網錨段關節可采用貫通式膨脹接頭。貫通式剛柔過渡平面布置如圖4 所示。

圖4 貫通式剛柔過渡平面布置

3 剛性接觸網運動分析及運動頻率

3.1 剛性接觸網系統運動方程

利用運動微分方程可以分析接觸網的運動狀態，求解其固有頻率、主振型、靜態曲線等，也可以結合仿真軟件進行分析。剛性接觸網匯流排與接觸線一體按錨段劃分，其截面相對長度之比很小，可等效為梁。匯流排上方通過定位線夾間隔一定跨距固定，定位線夾若沒有彈性元件，剛度很大，可假設為簡支固定，若有彈性元件，可采用一垂向彈簧替代。剛性接觸網整體為連續梁結構，采用動力微分方程表示剛性接觸網隨時間空間變化的垂向振動位移[3]，即

式中：ρ為剛性懸掛接觸線密度；A為梁單元截面面積；u(x,t)為拉力，x為運動點處的位置，t為運動時間；E為楊氏彈性模量；I為梁單元截面慣性矩；m為定位點個數，當錨段長度為100 m，跨距為10 m 時，定位點為9 個；kd為剛度常數，常取5×106N/m；δ(x)為狄拉克函數；上式等號右邊為弓網接觸力載荷與重力載荷，fc為弓網接觸力，弓網接觸力載荷是隨速度v移動的載荷，用狄拉克函數表示，其大小也隨時間t變化；t0為受電弓在接觸網上的初始時刻；x0為受電弓在接觸網上的初始里程；ρAg為重力荷載，沿連續梁分布施加。

3.2 接觸網系統運動頻率

任何振動系統均有其運動的固有頻率，其值由本身結構決定。接觸網振動系統存在大量固有頻率，結合接觸網運動方程及ANSYS 軟件，對剛性接觸網系統進行模態分析，求解其固有頻率。以某線路跨距10 m 的雙弓剛性接觸網系統為例進行統計分析[4]，剛性懸掛接觸網系統固有頻率如圖5 所示。

圖5 剛性接觸網固有頻率

由圖5 可知，剛性懸掛接觸網系統的前100 階振動頻率均小于10 Hz，到第236 階才到20 Hz。

對比剛性接觸網，結合ANSYS 軟件，對柔性簡單鏈形懸掛接觸網系統進行分析。彈性模量為1.2×1011，泊松比為0.3；銅合金接觸線密度設為8 282.82 kg/m3[5]，接觸線采用CTSH-120。以完整錨段作為研究對象[6]，建立錨段1 和錨段2 的有限元模型，錨段關節拉出值按圖3 設定[7]。錨段1 有限元模型：4 跨錨段關節（跨距40 m）+16 跨（跨距50 m）+4 跨錨段關節（跨距40m）= 1 120 m；錨段2 有限元模型：4 跨錨段關節（跨距50 m）+16跨（跨距60 m）+4 跨錨段關節（跨距50 m） =1 360 m。兩個模型的前100 階固有頻率見圖6。

圖6 柔性接觸網固有頻率

柔性接觸網系統的前10 階固有頻率不超過20 Hz。相比于短錨段，長錨段頻率較小，且長錨段在60 階才出現較大變化，短錨段在30 階出現較大變化，因此設計時盡量選長錨段，避免短錨段。

由剛性接觸網系統和柔性接觸網系統的固有運動頻率可見，接觸網為低頻系統，剛性接觸網固有頻率相對柔性接觸網更小，從運動的角度，剛性接觸網更具有優勢。同時，對固有頻率的分析，也為避免共振的研究提供一定依據。

4 剛性懸掛優缺點

4.1 優點

（1）懸掛高度低。目前160 km/h 及以上干線鐵路隧道內柔性接觸網結構高度一般不小于1 000 mm，也有結構高度為950、850 mm 等。AC 25 kV剛性接觸網結構高度一般為450 mm，如圖7 所示。

圖7 剛性接觸網的結構高度（單位：mm）

（2）減小隧道凈空，縮小隧道斷面，降低工程造價，利于生態環保。與柔性接觸網相比，剛性接觸網無縱向張力，減小了下錨補償裝置對隧道的需求，對隧道凈空要求低。不同結構高度對隧道凈空要求見表2。其中，A、B、C、D、E 分別代表海拔高度0～2 000 m（含）、2 000～3 000 m（含）、3 000～3 500 m（含）、3 500～4 000 m（含）、4 000～4 500 m（含）。

表2 不同結構高度對隧道凈空的要求 mm

剛性架空接觸網對隧道斷面的控制點：直線區段，由支撐裝置底座安裝及調整要求進行控制，海拔4 500 m 時，所需隧道最小斷面為6 955 mm。

對于單線隧道，較柔性懸掛斷面來說，剛性懸掛斷面高度可降低54.5 cm，凈空面積可減小5.99 m2。以IVa 型襯砌為例，開挖量可減少6.52 m2，圬工量減少0.64 m2。對于雙線隧道，相較柔性懸掛斷面，剛性懸掛斷面高度可降低24 cm，凈空面積可減少5.59 m2。以IVa 型襯砌為例，開挖量可減少4.91 m2，圬工量減少0.5 m2。這對于隧道占比較高的線路，單減小隧道凈空這一項，節約的投資相當可觀，同時可以減少棄渣，有利于生態環保。

（3）結構簡單、斷線隱患低。剛性接觸網因其結構特點，維護工作量小，從全生命周期的角度考慮，可靠性和免維護性是更重要的考慮因素。

以建設一條160 km/h 的線路為例，采用剛性接觸網時，隧道凈空為7 200 mm 即可滿足安裝要求，而采用柔性接觸網系統，隧道凈空應不低于7 600 mm，還需要土建預留下錨洞及絕緣關節等位置處的隧道局部開挖，這些土建方面的投資每公里可節約2 000 萬元以上。

因此，對新建的隧道占比大、特長隧道及隧道群密集的線路，在減小隧道凈空，縮小隧道斷面方面，剛性懸掛具有優勢。如川藏鐵路雅安—林芝段新建正線長度1 008.41 km，全線新建隧道72 座（851 km），占線路總長度的84.4%。另外，對既有低凈空隧道的改造，在不易改變隧道凈空和斷面的情況下，剛性接觸網同樣具有優勢。

4.2 缺點

（1）固定安裝點多，施工周期較長。剛性架空接觸網在狹小的隧道斷面內施工，作業面受限，且存在頻繁的不同專業交叉施工及較多的固定安裝點，作業效率低于柔性架空接觸網。以國內某工程為例，1 個錨段1 400 m 隧道內，柔性接觸網1天裝完約需205 人；2 個錨段1 000 m 隧道內剛性接觸網，1 天裝完約需344 人。

（2）施工安裝精度高。剛性接觸網誤差控制要求更高，施工質量和誤差控制對剛性接觸網影響明顯。

（3）氣動效應加大。采用剛性懸掛接觸網，現有200 km/h 隧道標準斷面所規定的隧道凈空面積將進一步減小，動車組在通過單線隧道及在雙線隧道交會時，空氣動力學效應進一步加大，引發列車及隧道氣動效應加強。

5 結語

對隧道較多的新建鐵路，如隧道占比達84%的川藏鐵路，在選擇接觸懸掛類型時，從技術可實現性、建設成本和運行安全等角度考量，采用剛性接觸網具有較明顯的優勢。同時，對既有線路隧道提速改造，采用剛性懸掛也有不可比擬的優勢。

目前，國內外暫無200 km/h 及以上鐵路隧道剛性懸掛的大規模應用，對于長大干線200 km/h高速剛性架空接觸網的技術標準、裝置設備、施工安裝、產品研制、環境適應性、工程應用等方面，仍缺乏完整的、系統化的資料及大量的實際運營經驗，還需進一步的研究和現場掛網測試。