城市軌道交通第三軌受流器動態特性試驗及分析

王 鵬 駱海坤

(1.華中科技大學船舶與海洋工程學院，430074，武漢；2.中交機電工程局有限公司武漢技術中心，430050，武漢//第一作者，碩士)

城市軌道交通的受電方式主要有架空接觸網受電與第三軌受電兩種方式。第三軌受電相比接觸網受電具有結構簡單、美觀、電能損耗小等優點，因此第三軌受電方式被越來越多城市的軌道交通線路所采用。

本文在分析中外文獻關于第三軌受流系統研究結果的基礎上，以無錫地鐵2號線第三軌受流系統為試驗對象，對靴軌關系進行試驗研究，為后續相關第三軌受流系統的設計研究提供參考。首先，對受電靴靴頭施加靜載荷，建立靴頭所受載荷與搖臂根部應變關系，并進行靜態標定。其次，通過靴頭的垂向振動加速度與搖臂根部的應變反推出受電靴與接觸軌之間的接觸壓力，研究不同速度下接觸壓力的分布情況、受電靴的振動情況。通過位移傳感器與加速度傳感器，研究受電靴以不同的速度通過端部彎頭的動態特性。

1 試驗系統

整套測試系統包括加速度傳感器、位移傳感器、應變片和數據采集儀。整體安裝示意圖如圖1～2所示。

在受流器靴頭底面布置3個方向互相垂直的加速度傳感器和1個沖擊型加速度傳感器。沖擊型加速度傳感器用以測量受電靴在較高速度下與軌道不平順處(如膨脹接頭、端部彎頭等)所產生的垂向加速度。因滑靴上帶有750 V高壓電，所以在滑靴底部與加速度傳感器之間需安裝絕緣的環氧樹脂型基座。

在搖臂的根部左右兩邊對稱安裝了1組全橋應變片。搖臂根部上下表面對稱布置1個十字型90度應變花，上下2個應變花組成的全橋接入應變試調器連接到數據采集儀。兩組應變平均值即為靜態接觸壓力在搖臂中所產生的變形大小。

位移傳感器安裝在受流器電氣箱的頂部。并在搖臂上安裝一支座用來連接位移傳感器的兩端。位移傳感器直接測量得到搖臂上一點到受流器頂部的距離。通過幾何關系換算得到滑靴的垂向位移。

圖1 試驗儀器安裝示意圖

圖2 靴頭底部加速度傳感器安裝示意圖

應變試調器采用DH3818動態應變試調器，它輸出的信號用1 kHz的頻率進行采樣。當列車運行速度為80 km/h時，采樣間距為22.22 mm，遠小于三軌支座間距，因而能夠準確檢測由于三軌支座安裝不良而造成的軌靴間接觸壓力的異常變化。

2 試驗原理

理想情況下，應當采用直接測量法測量靴軌之間的接觸壓力，但因傳感器使用環境以及高壓電的緣故，本文采用間接法測量。受電靴受力簡化模型如圖3所示。

注:FS為靴軌之間的靜態接觸壓力,FC為滑靴在垂向方向上受到的接觸壓力,a為加速度

圖3 受電靴受力簡化模型示意圖

滑靴簡化模型所受接觸力為：

FC=FS+ma

(1)

式中：

m——滑靴質量。

FS通過搖臂根部的應變橋路測量得到；a通過滑靴底部垂向加速度傳感器測量得到；m通過測量滑靴幾何幾寸，并根據所用材料密度換算得到。

通過對受流器進行靜態標定試驗可得到FS與搖臂根部應變ε的換算關系式FS=K×με(με為微應變)。在滑靴底部掛上不同大小的質量塊，測試得到相應加載質量的應變讀數，對應變數據與靜態加載力進行線性擬合得到系數K。

3 試驗結果與分析

3.1 靜態標定試驗

通過在受電靴靴頭下部，加載不同質量塊，測量得到受電靴根部應變與滑靴受力之間的對應關系。靜態試驗如圖4所示。

圖4 靜態標定試驗示意圖

重復進行3次靜態標定試驗，對于每一個靜態加載質量，取3次試驗數值的平均值作為該靜態加載質量下的應變值。搖臂根部應變與靜態加載質量的線性擬合如圖5所示。

圖5 搖臂根部平均微應變與靜態加載力的線性擬合圖

由圖5可得出靜態加載力與平均微應變的關系：FS=0.222 4 με。兩者的相關系數R2為0.999 7，表明靴頭底部所受的靜載荷與搖臂根部的應變具有良好的線性關系。通過此關系式可根據應變值推導得到靴頭所受的FS。

3.2 接觸壓力分析

無錫地鐵2號線的受電靴與接觸軌之間的接觸壓力設定范圍為125 N±20 N。圖6～9為不同速度下，靜態接觸壓力、靴頭垂向振動加速度、靴頭抬升高度的試驗曲線。按照試驗原理中所闡述的模型，對試驗得到的數據進行分析處理。靜態接觸壓力由布置在受流器搖臂根部的應變組件測量得到,動態接觸壓力由靴頭垂向振動加速度與靴頭質量的乘積構成。靜態接觸壓力與動態接觸壓力之和即為受電靴與接觸軌之間的接觸壓力。試驗時，選取線路上紡織城站與渣橋站作為試驗區間，該試驗區間的線路較為平坦，線路長。試驗時，測量每一種速度下列車往返4次的數據，對數據進行平均處理以減小試驗誤差。

a) 接觸壓力

b) 垂向振動加速度

c) 靴頭抬升高度

a) 接觸壓力

b) 垂向振動加速度

c) 靴頭抬升高度

a) 接觸壓力

b) 垂向振動加速度

c) 靴頭抬升高度

a) 接觸壓力

b) 垂向振動加速度

c) 靴頭抬升高度

對接觸壓力數據進行概率統計分析，不同速度下接觸壓力的概率分布如圖10所示。從圖10中可以看出，20 km/h與40 km/h速度下的接觸壓力分布規律相近，60 km/h與80 km/h速度下的接觸壓力分布規律相近；20 km/h與40 km/h曲線較60 km/h與80 km/h的概率密度曲線高、瘦，說明其波動較小。

圖10 不同速度下接觸壓力概率分布圖

參考剛性接觸網-受電弓系統受流質量評價指標[6]，軌靴間接觸壓力分析引入標準差S。

(2)

式中：

n——采樣數目；

Fm——接觸壓力平均值；

Fi——第i個采樣接觸壓力。

采用S與Fm的比值來衡量受電靴的動態性能，當S/Fm<20%時則認為靴軌間動態性能良好。表1為接觸壓力試驗結果統計表。

從表1可以看出，4種列車運行速度下的S/Fm都小于20%，說明不同速度下的靴軌動態性能都較為良好；隨著列車運行速度的增大，接觸壓力標準差越大，波動越大。

表1 不同速度下接觸壓力試驗結果統計表

3.3 受電靴振動特性分析

通過布置在受流器電氣箱頂部的拉線式位移傳感器，測量得到搖臂上固定點與拉線式位移傳感器固定點之間的距離。根據幾何關系，將拉線式位移傳感器所測得數據換算為列車運行過程中受電靴靴頭抬升量的變化。通過布置在靴頭底面的加速度傳感器，試驗測量得到受電靴的垂向振動加速度。參考剛性接觸網-受電弓系統受流質量評價指標[7]，受電靴受流過程振動分析引入受電靴最大垂直振幅A。A越小，表明受電靴的運動軌跡越平滑，受流質量越好。

(3)

式中：

Hmax——跨距內受電靴最大高度；

Hmin——跨距內受電靴最小高度。

表1為不同速度下的試驗數據統計。從表1中可以看出，垂向振動加速度隨著列車運行速度的增大，其振動的峰值與波動也越大，說明靴頭的振動也越劇烈；列車在4種運行速度下，靴頭的最大垂直振幅都在5 mm以下；隨著列車運行速度的提高，靴頭動態高度變化的幅值與標準差逐漸增大，但各速度下的標準差的差距很小，表明受電靴與接觸軌的跟隨性較好。

表1 不同速度下試驗數據統計表

3.4 受電靴與接觸軌端部彎頭接觸特性分析

接觸軌布置的一般原則為盡量減少斷軌，保證接觸軌的連續性要求，但在一些特殊區段如車站檢修扶梯處、人防門/防淹門處、區間疏散平臺扶梯處等，需要設置斷口。接觸軌斷口的存在，不可避免地會對列車的連續可靠受流產生一定影響。

本文試驗選取某車站站點一端的接觸軌彎頭作為試驗對象，試驗研究了受電靴在20 km/h、30 km/h、40 km/h 3種列車運行速度下，與低速彎頭的接觸特性。圖11為受電靴在不同速度下，通過彎頭時的運動軌跡以及靴頭的垂向振動加速度。

從圖11可以看出，隨著列車運行速度的增加，受電靴滑離彎頭時的波動加劇，受電靴撞擊彎頭時靴頭高度的變化量也加大。但從靴頭高度變化量可以看出，靴頭在40 km/h的速度下撞擊彎頭并沒有脫離接觸軌，與接觸軌之間接觸良好。

a) 速度為20 km/h

b) 速度為30 km/h

c) 速度為40 km/h

表2為受電靴以不同速度通過端部彎頭時，靴頭垂向振動加速度的峰值。從表2可以看出，受電靴隨著撞擊速度的增加，撞擊產生的加速度峰值也越大。

表2 受電靴不同速度通過時靴頭垂向振動加速度峰值比較表

以列車起動位置為0位置，圖12為受電靴以不同速度通過端部彎頭的運動軌跡對比圖。由圖12可見，隨著列車運行速度的增加，受電靴脫離端部彎頭后的波動也越大，但都在幾秒內趨于平穩。受電靴以40 km/h速度脫離端部彎頭時振幅最大，約為1.5 mm。

a) 受電靴與端部彎頭接觸運動軌跡

b) 圖9 a)中A部放大圖

4 結論

本文通過無錫地鐵2號線受電靴與接觸軌試驗，探討了不同速度下，受電靴與接觸軌之間的接觸壓力、垂向振動加速度、靴頭抬升量等物理量的變化，并研究了低速下受電靴與端部彎頭之間的接觸特性。試驗分析得到如下主要結論：

(1)靴頭所受的靜載荷與搖臂根部的應變具有很好的線性關系，可以用來推導得到靴頭所受的靜態接觸壓力。

(2)在接觸軌連續段內，20 km/h到80 km/h速度范圍內，列車運行速度對平均接觸壓力的影響不顯著；隨著列車運行速度的增加，接觸壓力的波動、受電靴的振動也越劇烈。

(3)在接觸軌端部彎頭處，受電靴滑上彎頭時，隨著列車運行速度的增加，沖擊加速度也越大，在40 km/h時，沖擊加速度大約200 m/s2。