白凱元

(重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,400020,重慶∥工程師)

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剛性接觸網(wǎng)拉出值布置與磨耗分析

白凱元

(重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,400020,重慶∥工程師)

從地鐵接觸網(wǎng)單“八”字拉出值布置方式入手,并結(jié)合重慶地鐵6號(hào)線(xiàn)剛性懸掛拉出值布置方式,依據(jù)更合理利用受電弓滑板的原則,對(duì)接觸網(wǎng)拉出值布置進(jìn)行優(yōu)化,得到變坡“八”字拉出值布置方案。全面統(tǒng)計(jì)并分析不同拉出值區(qū)段匯流排的分布,并采用全線(xiàn)統(tǒng)一考慮的設(shè)計(jì)思路,實(shí)現(xiàn)增加受電弓的使用壽命、提高授流質(zhì)量的目的。

地鐵; 剛性接觸網(wǎng); 受電弓; 拉出值

Author′s address Chongqing Rail Transit Design and Research Institute Co.,Ltd.,400020,Chongqing,China

目前,我國(guó)地鐵剛性接觸網(wǎng)主要采用正弦波以及“八”字拉出值布置方式。采用傳統(tǒng)正弦波拉出值布置方式易產(chǎn)生受電弓磨耗不均情況,而“八”字拉出值布置方式可保證受電弓兩側(cè)的兩個(gè)半弓磨耗一致,增加受電弓使用壽命,提高授流質(zhì)量[1]。故從簡(jiǎn)述單“八”字拉出值的布置入手,基于提高受電弓的使用壽命,結(jié)合重慶地鐵6號(hào)線(xiàn)剛性接觸網(wǎng)拉出值布置及受電弓實(shí)際磨耗情況,提出較合理的優(yōu)化方案。

1 單“八”字拉出值布置方式

此種剛性接觸網(wǎng)拉出值布置形狀近似“八”字,并且1個(gè)錨段之內(nèi)只有1個(gè)“八”字,故稱(chēng)之為單“八”字拉出值布置方式(如圖1所示)[1]。在單“八”字拉出值布置方式中,曲線(xiàn)區(qū)段及直線(xiàn)區(qū)段均統(tǒng)一按照直線(xiàn)區(qū)段考慮; 只考慮匯流排相對(duì)于受電弓中心的相對(duì)軌跡; 讓?xiě)覓禳c(diǎn)在受電弓中心兩側(cè)均勻分布;在最大拉出值位置設(shè)置中錨; 中錨兩側(cè)的半錨段內(nèi),根據(jù)錨段長(zhǎng)度的不同,一般按照2.5～10.0 mm/m的拉出值變化率布置。這種布置方式在中錨及兩側(cè)最近的一個(gè)懸掛點(diǎn)仍按照正弦波曲線(xiàn)布置,且一般以2個(gè)錨段為1個(gè)周期。

注:A、B、C、D為關(guān)鍵懸掛點(diǎn)圖1 剛性懸掛單“八”字拉出值布置方式示意圖

2 重慶地鐵6號(hào)線(xiàn)“八”字拉出值布置

重慶地鐵6號(hào)線(xiàn)剛性接觸網(wǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“6號(hào)線(xiàn)”)采用了改進(jìn)的單“八”字的拉出值布置方式。6號(hào)線(xiàn)接觸網(wǎng)最大拉出值為250 mm,設(shè)置于中錨位置;中錨兩側(cè)的匯流排按照一定的拉出值變化率布置;每個(gè)半錨段的拉出值變化率又根據(jù)錨段長(zhǎng)度的不同,大致按照2.5～5.0 mm/m選用;關(guān)節(jié)處按2.5 mm/m的拉出值變化率統(tǒng)一設(shè)置。與傳統(tǒng)單“八”字拉出值布置方式不同的是,6號(hào)線(xiàn)的改進(jìn)單“八”字拉出值布置方式?jīng)]有利用正弦波曲線(xiàn),而采用4個(gè)錨段為1個(gè)周期的布置方式,并通過(guò)改變周期及關(guān)節(jié)等設(shè)置,對(duì)傳統(tǒng)“八”字拉出值布置方式進(jìn)行了優(yōu)化。圖2為6號(hào)線(xiàn)1個(gè)周期的典型錨段布置圖。

磨耗距離表示一定線(xiàn)路范圍內(nèi)受電弓接觸到的匯流排長(zhǎng)度。實(shí)際分析中,假定各懸掛點(diǎn)以及各跨中都與受電弓均勻良好地接觸,故本文分析中均以一定線(xiàn)路范圍內(nèi)的匯流排長(zhǎng)度表示磨耗距離。錨段末端上翹部分不與受電弓接觸,故不計(jì)入磨耗距離。

圖2 6號(hào)線(xiàn)1周期的典型錨段布置示意圖

單位磨耗距離表示每毫米拉出值區(qū)間內(nèi)的匯流排分布長(zhǎng)度。

根據(jù)圖2的各半錨段拉出值變化率,在拉出值為0～10 mm、10～70 mm、70～130 mm、130～190 mm及190～250 mm等5個(gè)區(qū)間,單位磨耗距離分別為2.42 m/mm、2.05 m/mm、1.75 m/mm、1.45 m/mm及1.21 m/mm。

錨段的最后1個(gè)懸掛點(diǎn)一般都要求抬高,而且理論上這個(gè)點(diǎn)是不與受電弓接觸的。但是,受施工誤差及匯流排終端上翹工藝等因素的影響,很多時(shí)候,受電弓從這里開(kāi)始即接觸到匯流排。為了便于分析,假定受電弓與錨段內(nèi)的每個(gè)懸掛點(diǎn)及跨中部分都均勻良好地接觸。6號(hào)線(xiàn)關(guān)節(jié)處2個(gè)懸掛點(diǎn)間距為2 m,根據(jù)圖2的關(guān)節(jié)拉出值數(shù)據(jù),關(guān)節(jié)處的單位磨耗距離為0.4 m/mm。也就是說(shuō),在拉出值為10～15 mm、70～75 mm、130～135 mm及190～195 mm的區(qū)間內(nèi),會(huì)疊加1個(gè)0.4 m/mm的單位磨耗距離。結(jié)合關(guān)節(jié)外的單位磨耗距離可以看出,最大的單位磨耗距離為2.45 m/mm,出現(xiàn)在拉出值為10～15 mm區(qū)間。

綜上,6號(hào)線(xiàn)的拉出值設(shè)置基本上保持了對(duì)稱(chēng)性。經(jīng)過(guò)對(duì)6號(hào)線(xiàn)受電弓磨痕(見(jiàn)圖3)的觀察也可看出,采用該方式的受電弓磨痕較平滑,其授流質(zhì)量能得到保證。

圖3 現(xiàn)拉出值布置方式的受電弓磨痕

3 拉出值布置優(yōu)化方案

雖然6號(hào)線(xiàn)的拉出值布置比較合理,但由于半錨段采用統(tǒng)一的拉出值變化率,而且受關(guān)節(jié)處拉出值設(shè)置的影響,仍出現(xiàn)了受電弓中部磨耗大、兩側(cè)利用率低的問(wèn)題。根據(jù)計(jì)算,在假設(shè)懸掛點(diǎn)及各跨中都與受電弓均勻良好接觸的前提下,6號(hào)線(xiàn)在1個(gè)周期內(nèi)的磨耗距離為837.6 m,最大單位磨耗距離為2.45 m/mm。折算可得,在1 000 m的磨耗距離下,最大單位磨耗距離為2.93 m/mm。在1 000 m的磨耗距離下,且最大拉出值按照250 mm設(shè)置時(shí),理想狀態(tài)下的單位磨耗距離為2.00 m/mm。故拉出值布置存在很大的改進(jìn)空間。為此,本文提出了一種變坡“八”字拉出值布置方案作為拉出值布置優(yōu)化方案。

3.1 優(yōu)化原則

變坡“八”字拉出值布置方案遵循以下幾點(diǎn)優(yōu)化原則:

(1) 繼承6號(hào)線(xiàn)中關(guān)于最大拉出值及中錨設(shè)置、典型錨段、曲線(xiàn)區(qū)段的處理原則,以及4個(gè)錨段為1個(gè)周期等設(shè)計(jì)思路。

(2) 將拉出值分為不同的區(qū)段。雖各區(qū)段的拉出值變化率不一致,但可使每個(gè)區(qū)段內(nèi)的拉出值變化率保持一致,以做到拉出值的對(duì)稱(chēng)分布。

(3) 數(shù)據(jù)分析均不考慮匯流排的剛度。所有區(qū)段全部按照理想的直線(xiàn)段考慮。

(4) 假定受電弓與錨段內(nèi)的每一個(gè)懸掛點(diǎn)以及跨中部分的接觸都均勻良好。

(5) 為減小絕緣關(guān)節(jié)和非絕緣關(guān)節(jié)間距不一致對(duì)匯流排分布的影響,全部關(guān)節(jié)的間距均按絕緣關(guān)節(jié)的要求設(shè)置。

(6) 按照半個(gè)錨段長(zhǎng)度不大于125 m,并將拉出值變化率控制在2.5～5 mm/m的原則進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 優(yōu)化方案的單位磨耗距離計(jì)算及分析

借鑒6號(hào)線(xiàn)的經(jīng)驗(yàn),將關(guān)節(jié)和中間懸掛點(diǎn)分開(kāi)討論?？梢钥闯?關(guān)節(jié)的拉出值變化率設(shè)定對(duì)整體的影響比較大。關(guān)節(jié)拉出值變化率取值越大,關(guān)節(jié)對(duì)最大單位磨耗距離的影響就越小。本文取10 mm/2 m的關(guān)節(jié)拉出值變化率進(jìn)行分析。

根據(jù)改進(jìn)原則及關(guān)節(jié)拉出值變化率的設(shè)置思路,假定某方向拉出值為正,另一向拉出值為負(fù),并將拉出值劃分為18個(gè)區(qū)間。優(yōu)化方案1個(gè)周期的設(shè)置如圖4所示?？紤]到拉出值平滑,而且單位磨耗距離以拉出值為0的位置為中心向兩側(cè)遞減,故得到變坡“八”字拉出值的計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表1)。根據(jù)表1,在磨耗最嚴(yán)重的區(qū)段,單位磨耗距離為1.78 m/mm,1個(gè)周期內(nèi)的磨耗距離為838 m。折算得到1 000 m磨耗距離對(duì)應(yīng)的最大單位磨耗距離為2.12 m/mm。

鑒于接觸網(wǎng)剛性懸掛的特殊性,并考慮施工誤差等因素,剛性接觸網(wǎng)無(wú)法完全做到如柔性接觸網(wǎng)“之”字布置下的均勻分布。

圖4 變坡“八”字拉出值布置方式的1周期錨段設(shè)置示意圖

拉出值區(qū)間/mm拉出值變化率/(mm/m)錨段1(100～-250～180mm)錨段2(-140～250～-180mm)錨段3(140～-250～220mm)錨段4(-100～250～-220mm)左半錨段長(zhǎng)度/m右半錨段長(zhǎng)度/m左半錨段長(zhǎng)度/m右半錨段長(zhǎng)度/m左半錨段長(zhǎng)度/m右半錨段長(zhǎng)度/m左半錨段長(zhǎng)度/m右半錨段長(zhǎng)度/m單位磨耗距離/m/mm250～2202.8010.7110.7110.7110.711.43220～2103.153.173.172.003.173.171.47210～1803.159.529.529.529.529.521.59180～1703.552.002.822.822.822.822.821.61170～1403.558.458.458.458.458.458.451.69140～1304.002.502.502.502.002.502.502.501.70130～1004.007.507.507.507.507.507.507.501.75100～904.502.002.222.222.222.222.222.222.221.7590～04.5020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.001.780～-904.5020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.001.78-90～-1004.502.222.222.222.222.222.222.002.221.75-100～-1304.007.507.507.57.507.507.507.501.75-130～-1404.002.502.502.002.502.502.502.501.70-140～-1703.558.458.458.458.458.458.451.69-170～-1803.552.822.822.002.822.822.821.61-180～-2103.159.529.529.529.529.521.59-210～-2203.153.173.173.173.172.001.47-220～-2502.8010.7110.7110.7110.711.43

3.3 典型錨段設(shè)計(jì)

錨段設(shè)計(jì)應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)思路。首先,根據(jù)表1,可分別畫(huà)出拉出值區(qū)間-100～0～250 mm、-140～0～250 mm、-180～0～250 mm及-220～0～250 mm等4個(gè)半錨段;然后,根據(jù)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)跨距進(jìn)行半錨段內(nèi)的懸掛點(diǎn)布置;布置完成之后,分別計(jì)算每個(gè)懸掛點(diǎn)的拉出值;最后,將這4個(gè)半錨段組合成1個(gè)周期內(nèi)的4個(gè)典型錨段(見(jiàn)圖4)。

當(dāng)懸掛點(diǎn)布置完成以后,會(huì)出現(xiàn)部分跨距跨越2個(gè)拉出值區(qū)間的問(wèn)題。該跨距內(nèi)的匯流排軌跡將發(fā)生變化,會(huì)略微加深小拉出值區(qū)間內(nèi)的單位磨耗距離。故宜將最小拉出值區(qū)間作為關(guān)鍵懸掛點(diǎn)(按表1進(jìn)行設(shè)置時(shí),宜將拉出值為90 mm處設(shè)為關(guān)鍵懸掛點(diǎn)),以保證不增大最大單位磨耗距離。

3.4 整體設(shè)計(jì)的思路

在剛性接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡量采用典型錨段。但受接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)位置及區(qū)間結(jié)構(gòu)斷面等因素的影響,設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)很多非典型錨段。在非典型錨段設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)典型錨段各拉出值區(qū)間的單位磨耗距離設(shè)定情況,減小單位磨耗距離較大的拉出值區(qū)間的匯流排布置比例,進(jìn)一步降低整體的最大單位磨耗距離值。

4 結(jié)語(yǔ)

變坡“八”字拉出值布置方案主要通過(guò)改變拉出值在不同區(qū)間的變化率來(lái)實(shí)現(xiàn)。其拉出值變化率一般按照2.5～5.0 mm/m設(shè)置,且中錨附近的拉出值變化率很小。這對(duì)匯流排線(xiàn)夾及絕緣子的彎矩要求沒(méi)有大幅提高。而且,通過(guò)改變拉出值變化率的方式,可大幅優(yōu)化采用確定拉出值變化率情況下的磨耗分布。這是一個(gè)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)方向。但受經(jīng)濟(jì)及技術(shù)跨距的影響,不可能完全按照所設(shè)定的拉出值區(qū)間進(jìn)行定位。由此會(huì)造成一定的不確定性磨耗。但是,通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)和分析,可在非典型錨段布置時(shí)予以克服。因此,優(yōu)化后的變坡“八”字拉出值布置方式是一種可控、可靠的拉出值布置方式。

[1] 尹魁元.接觸網(wǎng)剛性懸掛拉出值布置方式比較[J].城市軌道交通研究,2013(2):81-84.

[2] 于松偉,楊興山,韓連祥,等.城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2008.

[3] 于萬(wàn)聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2003.

Analysis of Rigid Catenary Stagger Layout and Wear

BAI Kaiyuan

Taking the subway catenary stagger layout with “zigzag” wire contact into account,combined with the modality of rigid catenary suspension stagger layout on Chongqing metro Line 6,a more optimal blue print of catenary stagger layout is proposed based on the principle of more rational use of the pantograph collector strip.A comprehensive statistical analysis of different segments stagger layout of the bus bar distribution is provided by using the full range of unified design ideas,in order to increase the service life of pantograph and improve the stream quality.

subway; rigid catenary; pantograph; stagger

U225.5；U226.5+4

10.16037/j.1007-869x.2017.06.033

2015-10-28)