城市軌道交通剛性接觸網拉出值優化

艾東兵

(深圳市地鐵集團有限公司，518026，深圳//工程師)

剛性接觸網具有零件種類少、維護方便、載流量大、對隧道凈空要求較低及接觸線無張力等諸多優點，已在城市軌道交通行業被大量推廣使用。但剛性接觸網拉出值存在一定的設計缺陷，且匯流排剛度較大、彈性較差。根據城市軌道交通多年運行經驗，在剛性接觸網系統下，普遍存在受電弓滑板不均勻磨耗，甚至滑板局部凹槽等現象，極大地縮短了受電弓滑板的使用壽命。同時，當不均勻磨耗的滑板通過接觸網分段絕緣器、錨段關節等設備時，又會與設備發生碰撞，產生拉弧等問題，進而形成惡性循環。

鑒于剛性接觸網拉出值布置是造成受電弓碳滑板磨耗不均勻的重要原因，本文通過對現有運行線路的兩種剛性接觸網典型拉出值布置方式進行深入分析和研究，指出其存在的問題，并據此對剛性接觸網拉出值布置進行優化設計，供設計和運營管理部門參考。

1 剛性接觸網典型的拉出值布置方式及運行表現

1.1 剛性接觸網簡介

正線剛性接觸網一般采用錨段關節實現機械分段和電氣分段。錨段長度一般選取219 m、231 m和243 m。接觸網非絕緣錨段關節處2支接觸線水平間距一般為200 mm(絕緣關節為300 mm)，錨段關節處2支接觸線拉出值為100 mm(絕緣錨段為150 mm)。為便于分析比較，除特殊說明外，本文所有分析均按以下原則進行：

(1) 所有分析計算均取1個波形周期進行計算。

(2) 錨段長度取243 m，每個錨段兩端3.8 m范圍按接觸線抬高區段考慮，不計入受電弓有效摩擦距離。

1.2 正弦波布置

剛性接觸網典型拉出值布置如圖1所示。圖1 a)和圖1 b)中的剛性接觸網拉出值按正弦波形布置，根據既有線路的運營經驗，接觸網按圖1 a)方式進行拉出值布置時，受電弓滑板經過長期運行后，其上表面整體呈“W”形，滑板兩側距中心100～200 mm區段磨耗較大(見圖2)，且在接觸網分段絕緣器短滑靴端部等位置存在碰撞現象；當接觸網拉出值按圖1 b)進行布置時，除以上產生的問題外，接觸網曾多次發生支撐絕緣子炸裂問題。

1.3 “V”形布置

圖1 c)中接觸線拉出值按“V”形進行布置。其中，B—C段為直線，B—A—B′段為曲線段。受電弓滑板經過長期運行后，其上表面整體呈“V”形，即受電弓滑板中心附近磨耗較大(見圖2)，且在接觸網分段絕緣器長滑靴端部等位置存在碰撞現象。

a) 1個錨段內接觸線拉出值按1個正弦波進行布置

b) 1個錨段內接觸線拉出值按2個正弦波進行布置

c) 1個錨段內接觸線拉出值按“V”形進行布置

圖2 受電弓滑板磨耗實物照片

2 剛性接觸網拉出值布置與受電弓磨耗異常關系分析

2.1 正弦波布置情況下的磨耗關系分析

取錨段內接觸線的最大拉出值為200 mm，接觸線拉出值正弦波布置曲線可用式(1)表示：

a=200 sin(πx/λ)

(1)

式中：

x——距拉出值為0的懸掛點的距離，m；

a——接觸線在x點處的拉出值，mm；

λ——正弦波半波長度，m。

圖1 a)中，接觸線在C點處的拉出值為100 mm，C點距錨段終端距離為3.8 m。根據式(1)，C點對應的三角函數的弧度為π/6，則C點距B點的距離為(243 m/2)-3.8 m=117.7 m。因為半波長對應的三角函數的弧度為π，因此圖1a)中的λ=117.7 m/(5/6)=141.24 m。同理，可得圖1 b)中λ為64.2 m。

根據以上正弦波半波波長，可定量計算出圖1 a)和圖1 b)所示1個錨段上、不同拉出值范圍內受電弓滑板與接觸線滑動摩擦的距離，如表1所示。由表1可知，當接觸網按圖1采用正弦波對接觸線拉出值進行布置時，拉出值越大的區段(即越靠近正弦波波峰的區段)，受電弓滑板滑動摩擦距離的占比越大；拉出值較小的區段，受電弓滑板滑動摩擦距離占比越小。以上分析說明，受電弓滑板在拉出值大的范圍內滑動摩擦距離長，相應滑板磨耗速率也大，磨耗也嚴重。如拉出值在180～200 mm范圍時，不同正弦波半波波長占比甚至分別達到34.46%和31.32%，該結論與受電弓滑板長時間運行后呈“W”形的實際磨耗情況一致。另外，當錨段長度相同，λ取值不同時，相同拉出值范圍內受電弓滑板滑動摩擦距離占比不盡相同。當λ越小，不同拉出值范圍內受電弓滑板滑動摩擦距離占比越趨合理，受電弓滑板磨耗越均勻。

表1 錨段長度為243 m時不同正弦波半波波長下的受電弓滑動摩擦距離

綜上所述，當接觸網采用正弦波布置時，受電弓滑板會存在磨耗不均勻的問題。通過減小正弦波半波波長，理論上能改善滑板不均勻磨耗的問題，但考慮匯流排橫向剛度較大，正弦波半波波長不能無限度地取小。因為當正弦波波長變小時，接觸網匯流排曲率變大，接觸網匯流排定位線夾、絕緣子和支撐裝置等橫向受力變大。在匯流排熱脹冷縮的過程中，造成定位線夾偏斜、匯流排與定位線夾的摩擦力增加，嚴重時出現卡滯情況，進而造成接觸網零件損壞。以上分析即是錨段內2個正弦波布置時出現絕緣子炸裂的重要原因。

2.2 “V”形布置情況下的磨耗關系分析

圖1 c)中，2個錨段“V”形開口方向相反，其可視為拉出值的1個變化周期，即取2個錨段作為分析對象。錨段內接觸線的最大拉出值為200 mm，B點的拉出值為180 mm，C點拉出值為100 mm。按前述分析方法，可解出同側不同拉出值范圍受電弓的滑動摩擦距離及其占比，如表2所示。

表2 剛性接觸網“V”形布置時1個周期內受電弓滑動摩擦距離

由表2可知，當接觸網按“V”形布置、拉出值在0～100 mm范圍內時，受電弓滑板滑動摩擦距離占比相對較大，滑板磨耗速率較快；拉出值在100～200 mm范圍內時，受電弓滑板滑動摩擦距離占比相對較小，滑板磨耗速率也相對較慢。加之平面圖設計中，人防門、防淹門等特殊區段的拉出值需按0 mm進行布置等因素影響，加劇了受電弓滑板在拉出值為0 mm范圍的磨耗，造成拉出值按“V”形布置時，受電弓經過長期運行后，受電弓滑板上表面呈“V”形。

通過以上分析得知受電弓滑板磨耗不均勻的原因。但在分析及計算過程中發現，圖1 a)中相對于1個完整的正弦波，在1個錨段(即1個變化周期)內，錨段兩端拉出值為0～100 mm范圍均有缺失；若將圖1 a)所示正弦波兩端繼續延伸，便可得到優化后的剛性接觸網拉出值正弦波布置圖，如圖3所示。按上述計算方法，可得λ為100.89 m。各拉出值范圍內受電弓的滑動摩擦距離及其占比如表3所示。

圖3 優化后的剛性接觸網拉出值正弦波布置示意圖

拉出值范圍/mm1個錨段內對應拉出值的滑動摩擦距離/m滑動摩擦距離占比/%(0,20)9.65 8.20 [20,40)9.75 8.28 [40,60)9.96 8.46 [60,80)10.29 8.74 [80,100)10.80 9.17 [100,120)7.70 6.54 [120,140)8.47 7.20 [140,160)9.76 8.29 [160,180)12.36 10.50 [180,200)28.97 24.61

由表3可知，按圖3所示的拉出值布置方式，當拉出值在180～200 mm范圍內時，受電弓滑板滑動摩擦距離占比達24.61%，由此說明受電弓滑板在該范圍內會出現磨耗嚴重的問題。但對比表1可知，不同拉出值范圍內受電弓滑板滑動摩擦距離占比整體更加均勻，因此受電弓滑板不均勻磨耗問題得到較大改善。同理，如圖1 c)所示，在拉出值1個變化周期(即2個錨段)內，相對于同側拉出值，拉出值在0～100 mm范圍內時，受電弓通過4次；而拉出值在100～200 mm范圍內時，受電弓僅通過2次。暫時忽略A—B段與其他位置斜率的不同，則受電弓滑板在拉出值為0～100 mm范圍內滑動摩擦距離占比為66.7%；而拉出值在100～200 mm范圍內時，滑動摩擦距離占比僅為33.3%。綜上分析可知，可考慮通過調整不同拉出值區段的數量來實現拉出值的合理布置以及受電弓滑板均勻磨耗的目的。

3 剛性接觸網拉出值布置的優化方案

3.1 “√”形布置方案

剛性接觸網拉出值“√”形布置方案如圖4所示。該方案的布置要點為：統一將曲線區段按照直線區段進行考慮，不考慮曲線區段的絕對軌跡，而是將所有拉出值按受電弓中心線的相對軌跡進行布置。圖4中，A、B、E、D4點拉出值分別為200 mm、180 mm、0 mm和180 mm時，非絕緣錨段關節間距為180 mm。B—C與B′—E段接觸線按直線進行布置，相鄰錨段B′—E段斜率須與前—錨段相同，但B—C段可在一定范圍內任意設置斜率。B—A—B′段接觸線需按曲線布置，其中，A點和B、B點為相鄰的懸掛點。考慮B—A—B′段接觸網匯流排按曲線布置，且由于匯流排剛度較大，匯流排在以上3個懸掛點處均會產生1個橫向力，因此要求匯流排定位線夾和絕緣子具備更高強度的抗彎能力。

圖4 剛性接觸網拉出值“√”形布置示意圖

針對A、B懸掛點承受橫向力的問題，建議A點和B點的拉出值分別為200 mm和180 mm。同時，合理選取直線段的斜率，將A點盡量置于錨段中部，并將中心錨結設置在A點位置，進而將匯流排對A、B點熱脹冷縮的影響降到最小，避免造成熱脹冷縮時匯流排在A、B懸掛點處因滑動不暢產生的阻力與橫向彎曲時產生的橫向力疊加，進而造成懸掛點絕緣子或定位線夾等零部件受力過大而損壞。

由圖4可知，因B—C段接觸線拉出值相對受電弓中心兩側相等，因此只要周期內受電弓兩側B′—E段接觸線斜率相等，便能保證受電弓滑板在-180～180 mm范圍(B、D兩點間)內均勻磨耗。參考以上計算各拉出值范圍內受電弓的滑動摩擦距離及其占比的方法可知，受電弓滑板在拉出值為180～200 mm范圍內的摩擦距離相對較小，但考慮該拉出值范圍已屬受電弓磨耗邊緣，且范圍較小，對受電弓滑板壽命及弓網受流質量影響有限。同時，該方案針對現場人防門、防淹門及線岔等特殊區段，可通過改變直線段斜率或錨段長度以及調整某個拉出值的位置來實現設計階段拉出值的靈活布置。

3.2 交叉布置方案

剛性接觸網拉出值交叉布置即為不同布置方式的混合布置。該布置方案允許不同波形交叉混合進行布置，也允許不同拉出值下同種波形的交叉混合布置，以實現接觸網拉出值的平均分布，保證受電弓滑板的均勻磨耗。

假設接觸網某區段按圖3和圖4所示波形各取1個周期進行拉出值布置。取圖4中A點為錨段中心，則可計算出各拉出值范圍下受電弓的滑動摩擦距離及其占比，如表4所示。由表4可知，受電弓滑板在各拉出值范圍的滑動摩擦距離及其占比基本一致，由此表明受電弓滑板在經過長期運行后，其上表面仍將是一個平面，進而延長受電弓滑板使用壽命，保證良好的弓網受流質量。

表4 接觸網拉出值交叉布置時受電弓滑動摩擦距離及其占比表

4 結語

接觸網拉出值平面布置不當是造成受電弓滑板磨耗不均勻的重要原因。結合城市軌道交通運營經驗，深入分析了現有兩種典型拉出值布置方式存在的不足，提出了“√”形布置和交叉布置兩種優化方案，這兩種方案均能有效地解決剛性接觸網下受電弓滑板磨耗不均勻的問題。兩種方案可根據線路實際情況擇優進行選取。當線路多為直線時，建議直接選用“√”形布置方案；當線路比較復雜且多曲線，或當某種設備需被大量采用且有規定拉出值范圍，亦或存在剛性接觸網和柔性接觸網混搭的線路時，則建議選用交叉布置方案。