張芳志

摘要：目前市域軌道交通的供電系統(tǒng)采用架空接觸網(wǎng)授流時(shí)，最高運(yùn)行速度可達(dá)到100～120km/h，但采用接觸軌方式授流時(shí)，目前僅有中低速接觸軌技術(shù)被普遍應(yīng)用于城市軌道交通，高速120km/h接觸軌系統(tǒng)國內(nèi)尚無應(yīng)用先例。文章以上海軌道交通16號線工程為例，從接觸軌技術(shù)國內(nèi)的應(yīng)用、接觸軌系統(tǒng)研究、靴網(wǎng)關(guān)系、撓度校驗(yàn)及受力等方面進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：120km/h接觸軌；市域軌道交通；上海16號線；受力分析；弓網(wǎng)（靴軌）受流質(zhì)量 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U212 文章編號：1009-2374（2016）16-0098-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.047

1 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)已建成或在建的列車最高運(yùn)行速度大于或等于120km/h的市域軌道交通線路：香港新機(jī)場快線，連接香港國際機(jī)場與香港商業(yè)中心最快捷的交通工具，列車最高運(yùn)行速度為135km/h；廣州3號線，從北向南貫穿廣州市區(qū)新城市中軸線，列車最高運(yùn)行速度為120km/h；均采用架空接觸網(wǎng)供電方式。而接觸軌供電方式最早在倫敦地鐵采用，由于其構(gòu)造簡單、安裝方便、可維護(hù)性好，并對隧道建筑結(jié)構(gòu)的凈空要求低，因此得到廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)外早期應(yīng)用的接觸軌系統(tǒng)均為DC750V。隨著工業(yè)技術(shù)及電氣技術(shù)的發(fā)展，2006年開通的廣州市軌道交通四號線大學(xué)城專線段首次在國內(nèi)外采用了DC1500V接觸軌供電系統(tǒng)，最高運(yùn)營速度達(dá)90km/h，開創(chuàng)了DC1500V接觸軌供電系統(tǒng)正式運(yùn)營的新記錄。另外，接觸軌供電電壓為DC750V的車輛最高運(yùn)行速度等級多為80～90km/h；在120km/h速度等級下接觸軌系統(tǒng)的軌道交通線路目前尚無應(yīng)用先例。

2 項(xiàng)目應(yīng)用情況

上海軌道交通十六號線（十一號線南段工程）工程線路全長58.96km，最高運(yùn)營速度為120km/h，供電系統(tǒng)采用DC1500V接觸軌系統(tǒng)，既是上海首條接觸軌線路，同時(shí)也是國內(nèi)首條設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)到120km/h接觸軌系統(tǒng)的軌道交通線路，在我國城市軌道交通建設(shè)史上將起到非常重要的里程碑作用和巨大的示范效應(yīng)。

3 研究目標(biāo)

通過對120km/h接觸軌系統(tǒng)進(jìn)行研究，確定影響系統(tǒng)運(yùn)營速度的關(guān)鍵因素，并針對關(guān)鍵因素提出解決方案，最終形成一套完善的120km/h接觸軌系統(tǒng)技術(shù)方案

4 研究內(nèi)容及核心關(guān)鍵點(diǎn)

進(jìn)行系統(tǒng)理論計(jì)算、仿真研究，確定高速度下影響弓網(wǎng)（靴軌）關(guān)系的主要因素，以期從整體上提高靴軌受流質(zhì)量，保證系統(tǒng)的安全、可靠性。

4.1 系統(tǒng)研究

圖1為現(xiàn)有鋼鋁復(fù)合接觸軌系統(tǒng)應(yīng)用示意圖，主要包括接觸軌、中間接頭、電連接中間接頭、膨脹接頭、防爬器、端部彎頭以及絕緣、防護(hù)等產(chǎn)品。

對一定速度下影響弓網(wǎng)（靴軌）關(guān)系的因素進(jìn)行分析研究，主要有三點(diǎn)：（1）跨距及接觸軌撓度；（2）系統(tǒng)硬點(diǎn)處膨脹接頭；（3）斷口。

4.1.1 跨距及接觸軌撓度。接觸軌的撓度直接影響到受流面的平順度，如果不能滿足速度運(yùn)營要求，有可能會引起拉弧放電現(xiàn)象，影響接觸軌及車輛集電靴的使用壽命。

分析：單純從受流角度來講跨距越小受流質(zhì)量相對越好，但是跨距越小，所需支撐機(jī)構(gòu)越多，成本大大增加。目前，國內(nèi)接觸軌系統(tǒng)按照3～5m跨距布置支撐?，F(xiàn)按照跨距為標(biāo)準(zhǔn)軌枕間距625mm的整數(shù)倍，分別取3750mm、4370mm、5000mm進(jìn)行撓度理論計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果見表1：

列車最高允許速度與接觸軌撓度有著密切的關(guān)系，具體可以理解為：在高速運(yùn)行下，接觸軌撓度最大處，仍要保證集電靴與接觸軌存在實(shí)際接觸力，且集電靴的下壓力與集電靴、接觸軌實(shí)際接觸力的差值越小越好，計(jì)算出最佳的跨距。上海16號線選用4370mm跨距布置時(shí)，撓度可以滿足要求。

4.1.2 膨脹接頭的影響。由于膨脹接頭自重影響，有可能發(fā)生此處撓度較正常值大而出現(xiàn)硬點(diǎn)，影響授流質(zhì)量，所以應(yīng)考慮如何避免這樣的問題發(fā)生。分析：膨脹接頭處撓度與其自身結(jié)構(gòu)及跨距有關(guān)，而在結(jié)構(gòu)型式已定的前提下，只能調(diào)整跨距的布置來滿足其撓度要求。先確定膨脹接頭處撓度與接觸軌的撓度相同，按照接觸軌跨距為4370mm進(jìn)行計(jì)算得出：膨脹接頭處跨距布置3695mm可達(dá)到同樣的受流效果。

4.1.3 斷口。目前，在正線、車場線接觸軌斷口處、岔區(qū)、電氣分段處均采用機(jī)械斷口形式，接觸軌端部設(shè)置端部彎頭實(shí)現(xiàn)機(jī)車平滑過渡。作為過渡部件，端部彎頭引導(dǎo)集電靴可靠過渡到接觸軌的受流面。由于集電靴從“離軌”到“觸軌”與行車速度、線路條件相關(guān)，并且在帶電狀態(tài)下完成，因此端部彎頭的設(shè)計(jì)也必須考慮適應(yīng)不同的速度和線路條件，并盡可能減少斷口設(shè)置。

接觸軌端部彎頭選取不當(dāng)時(shí)，“觸軌”時(shí)易造成集電靴與端部彎頭的強(qiáng)烈沖擊及拉弧放電現(xiàn)象，燒損端部彎頭的同時(shí)，影響到接觸軌的安全性和穩(wěn)定性。所以必須重點(diǎn)研究端部彎頭的構(gòu)造，以降低強(qiáng)烈沖擊帶來的不良影響。

4.2 全線接觸軌斷口處端部彎頭與車輛集電靴適應(yīng)性系統(tǒng)性研究

通過研究集電靴運(yùn)行軌跡與接觸力曲線走向，分析出不同坡度比接觸軌力的變化程度，最終確定端部彎頭的坡度比。為了解決端部彎頭與集電靴強(qiáng)烈沖擊的問題，我們從物理意義上對集電靴和端部彎頭的相互作用進(jìn)行分析，關(guān)系如下：

Ft=mv

式中：F為集電靴對端部彎頭的沖擊力；t為作用的時(shí)間；v為行車速度；a為沖擊加速度。為減少集電靴對端部彎頭的沖擊加速度，需要減少沖擊力F，而F與端部彎頭的坡度有關(guān)，坡度較陡時(shí)沖擊力加大，作用時(shí)間t減少，沖擊加速度a增大，不利于集電靴的運(yùn)營和使用壽命，甚至還可視為“硬點(diǎn)”，出現(xiàn)打火、拉弧的現(xiàn)象。

所以，要改善集電靴對端部彎頭的沖擊，可通過兩方面入手：（1）降低坡度、減小沖擊力F；（2）延長作用時(shí)間，減小沖擊加速度。

一定速度下，不同端部彎頭坡度對沖擊效果的影響不同，實(shí)驗(yàn)在120km/h速度下，選取坡度比為1∶50、1∶60、1∶70的端部彎頭，模擬仿真出集電靴運(yùn)行軌跡與接觸力曲線。

根據(jù)曲線可以看出，當(dāng)集電靴通過第一個(gè)變軌點(diǎn)時(shí)，接觸力突然增加，集電靴進(jìn)入平直軌段后接觸力有所衰減，當(dāng)集電靴運(yùn)動至第二個(gè)變軌點(diǎn)后，接觸力突然增加但有減小的趨勢，一直到集電靴離開接觸軌。

根據(jù)曲線分析，不同坡度比接觸軌力的變化程度不同，坡度比越小，“觸軌”時(shí)接觸軌力變化越小，但是需考慮“離軌”時(shí)，接觸軌力的變化，從圖中可以看出，“離軌”時(shí)坡度比為1∶70時(shí)比1∶60接觸軌力變化大一些。坡度比為1∶50接觸力波動相當(dāng)明顯，且在平直段多次出現(xiàn)離線現(xiàn)象。

分析結(jié)果：在運(yùn)行速度120km/h下，端部彎頭的坡度為1∶60和1∶70均可以滿足使用要求，由于1∶70的“離軌”接觸力變化相對稍大，本項(xiàng)目實(shí)際選用坡度為1∶60的端部彎頭。

4.3 端部彎頭剛性與受流效果的關(guān)系研究

除上述的研究外，對改變端部彎頭剛性是否能改善端部彎頭受流質(zhì)量做討論，從如下方面考慮：（1）端頭支撐點(diǎn)處增加彈性；（2）兩個(gè)支撐點(diǎn)處都增加彈性。

上述兩種模型，本項(xiàng)目組對于端部彎頭坡度比均為1∶60，均在120km/h下計(jì)算其受流效果的變化：

4.3.1 端頭處固定點(diǎn)增加彈性，可以減小接觸軌的振動加速度，且接觸力符合規(guī)定要求。對比變化情況，固定點(diǎn)為增加彈性為80N/mm時(shí)，效果較好，但出軌點(diǎn)處對于接觸力變化優(yōu)化效果不是很明顯。

4.3.2 兩個(gè)固定點(diǎn)都增加彈性，能有效降低接觸軌的加速度，但接觸力均有較大波動，且伴有零值產(chǎn)生。這種模型雖然減少了接觸軌的沖擊力，但可能會帶來集電靴與接觸軌多次分離。

從上述討論可以看出端部彎頭端頭支撐點(diǎn)增加彈性，可有效減小接觸軌的振動加速度，但在離軌處接觸力變化優(yōu)化效果不是很明顯，該方案僅作為優(yōu)化方案在本項(xiàng)目中的試掛效驗(yàn)，是否對改善受流質(zhì)量有明顯的作用，有待進(jìn)一步跟蹤現(xiàn)場產(chǎn)品試掛情況。

5 施工精度的把控

施工方面，加強(qiáng)施工精度把控：（1）嚴(yán)格控制測量、安裝工藝，采用“初調(diào)、細(xì)調(diào)、精調(diào)三步流程”把控；（2）嚴(yán)格控制系統(tǒng)冷熱滑試驗(yàn)：分別采用低、中、高（低速5～20km/h、中速25～45km/h、高速60km/h以上）不等速度進(jìn)行冷滑試驗(yàn)。熱滑時(shí)，在集電靴支架上加裝高清紅外線攝像頭，配備整套監(jiān)控設(shè)備，用以觀察靴軌配合的動態(tài)狀況。

6 結(jié)語

上海軌道交通16號線正線采用高速接觸軌系統(tǒng)的實(shí)施，促成了以上的設(shè)計(jì)與研究。從上述幾個(gè)方面分析可以看出，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)，選擇符合要求的組件，高速DC1500V接觸軌應(yīng)用于市域軌道交通成為現(xiàn)實(shí)，也使我們相信接觸軌系統(tǒng)完全可以滿足120km/h時(shí)速的工程要求。本項(xiàng)目已于2014年底全線開通，經(jīng)過項(xiàng)目組近一年來的跟蹤回訪，至今運(yùn)營情況良好。這些技術(shù)的應(yīng)用及實(shí)踐檢驗(yàn)，將為類似高速軌道交通項(xiàng)目提供參考。

參考文獻(xiàn)

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