改善剛性懸掛接觸網(wǎng)彈性措施淺析

高鑫 中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司

20世紀(jì)90年代，架空接觸網(wǎng)在國(guó)內(nèi)上海和廣州城市軌道交通中開始應(yīng)用，地下段均采用了架空剛性懸掛接觸網(wǎng)。在借鑒國(guó)內(nèi)、外城市軌道交通架空剛性懸掛接觸網(wǎng)成功經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，又密切結(jié)合了我國(guó)城市軌道交通的實(shí)際情況，架空剛性懸掛接觸網(wǎng)在我國(guó)城市軌道交通中取得了長(zhǎng)足發(fā)展。較之于架空柔性懸掛接觸網(wǎng)，架空剛性懸掛接觸網(wǎng)具有無(wú)張力、載流量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省隧道凈空等突出優(yōu)勢(shì)。架空剛性懸掛接觸網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的磨耗主要分電氣磨耗和機(jī)械磨耗兩類，其中又以電氣磨耗為主導(dǎo)因素。對(duì)于受電弓和接觸線而言，磨耗量的大小與諸多因素有關(guān)，不同工程實(shí)際的影響面也不盡相同。在實(shí)際運(yùn)行中，廣州地鐵二號(hào)線個(gè)別區(qū)段出現(xiàn)了磨耗量偏大的現(xiàn)象。僅從接觸網(wǎng)的角度來(lái)分析，廣州地鐵二號(hào)線和三號(hào)線均采用架空剛性懸掛，雖然兩條線路的設(shè)計(jì)規(guī)格不同，廣州二號(hào)線是80km/h的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，廣州三號(hào)線是120km/h的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但是絕緣錨段關(guān)節(jié)設(shè)置、懸掛安裝方式、減振道床的設(shè)置原則基本一致。廣州二號(hào)線出現(xiàn)了多處磨耗嚴(yán)重區(qū)段，而三號(hào)線的磨耗量到目前為止基本良好，可見(jiàn)架空剛性懸掛接觸網(wǎng)磨耗嚴(yán)重不是普遍問(wèn)題，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行分析。

經(jīng)調(diào)查分析，廣州地鐵二號(hào)線接觸網(wǎng)異常磨耗區(qū)段與機(jī)車加速有關(guān)。當(dāng)機(jī)車加速，受絕緣錨段關(guān)節(jié)、減振道床、小曲線等幾個(gè)因素共同影響時(shí)，接觸網(wǎng)異常磨耗嚴(yán)重，單獨(dú)作用時(shí)，接觸線磨耗情況正常。根據(jù)剛性懸掛接觸網(wǎng)弓網(wǎng)受流特性，架空剛性懸掛接觸網(wǎng)受結(jié)構(gòu)特性影響不具備彈性，在錨段關(guān)節(jié)、減振道床、小曲線等區(qū)段，受電弓與剛性懸掛之間的匹配性、跟隨性不一致，造成接觸網(wǎng)異常磨耗。本文從架空剛性懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)彈性作為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)架空剛性懸掛接觸網(wǎng)在城市軌道交通部分線路弓網(wǎng)磨耗異常問(wèn)題，探討如何降低剛性懸掛接觸網(wǎng)剛度，提高剛性懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)彈性，從而緩解弓網(wǎng)異常磨耗的方案。為此，需要對(duì)既有架空接觸網(wǎng)剛性懸掛結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行建模并分析研究，探討影響剛性懸掛結(jié)構(gòu)剛度值的關(guān)鍵因素。

一、懸掛結(jié)構(gòu)等效剛度

接觸網(wǎng)等效剛度取決于接觸網(wǎng)和受電弓本身彈性，等效剛度伴隨接觸網(wǎng)和受電弓幾何參數(shù)的改變而改變。受電弓碳滑板位移，伴隨接觸網(wǎng)剛度的增大而減小。

剛性懸掛接觸線抬升量一般均能滿足受電弓碳滑板的最大振幅需求，是否發(fā)生弓網(wǎng)震蕩離線通常是由受電弓在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中接觸壓力來(lái)體現(xiàn)，當(dāng)受電弓接觸壓力小于70N時(shí)，弓網(wǎng)就會(huì)發(fā)生震蕩離線，從而產(chǎn)生放電火花。在受電弓幾何參數(shù)以及運(yùn)行狀態(tài)不變前提下，利用有限元分析法，對(duì)既有剛性懸掛懸吊結(jié)構(gòu)等效剛度進(jìn)行建模，分析剛性懸掛系統(tǒng)剛度對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系的影響。

圖1 剛性懸掛接觸網(wǎng)等效計(jì)算模型

在工程實(shí)施階段，受曲線區(qū)段外軌超高影響，需通過(guò)調(diào)整懸掛錨栓長(zhǎng)度使接觸線與軌道連線平行，這樣就會(huì)造成懸掛機(jī)構(gòu)等效參數(shù)不同。應(yīng)用非線性和動(dòng)力有限元原理，對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行弓網(wǎng)耦合仿真，仿真結(jié)果表明：懸掛機(jī)構(gòu)等效質(zhì)量不變前提下，僅改變剛性懸掛接觸網(wǎng)的剛度，受電弓接觸力最大值、最小值、變化幅值、均值、均發(fā)生較大變化。當(dāng)剛性懸掛接觸網(wǎng)懸掛剛度降低一個(gè)數(shù)量級(jí)到四個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)受電弓接觸力的最大值、最小值、變化幅值、碳滑板位移等均發(fā)生變化。改變剛性懸掛結(jié)構(gòu)剛度對(duì)接觸力的影響無(wú)既定規(guī)律，但改變剛性懸掛結(jié)構(gòu)剛度會(huì)引起受電弓碳滑板最大位移發(fā)生變化。懸掛結(jié)構(gòu)剛度的改變對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系的改變非常直觀：當(dāng)懸掛結(jié)構(gòu)剛度減小一個(gè)數(shù)量級(jí)，弓網(wǎng)關(guān)系變好，但效果不顯著；當(dāng)懸掛結(jié)構(gòu)剛度減小兩個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，接觸網(wǎng)相對(duì)剛度下降，弓網(wǎng)關(guān)系變差。當(dāng)懸掛剛度降低三個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，弓網(wǎng)關(guān)系最好，效果最為顯著；繼續(xù)降低懸掛機(jī)構(gòu)剛度的數(shù)量級(jí)，弓網(wǎng)關(guān)系又明顯變差。因此，改變剛性懸掛結(jié)構(gòu)剛度，可以很大程度改善弓網(wǎng)關(guān)系，但剛度值不能隨意改變，而是需找到一個(gè)理想值。將剛性懸掛結(jié)構(gòu)等效剛度在1倍與0.001倍時(shí)兩種結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，懸掛結(jié)構(gòu)剛度變化前后，接觸網(wǎng)重量均集中在懸掛點(diǎn)附近，且受受電弓彈簧約束，受電弓接觸力最小值均出現(xiàn)在懸掛點(diǎn)附近。當(dāng)懸掛結(jié)構(gòu)等效剛度降低為0.001倍時(shí)，增加了剛性懸掛結(jié)構(gòu)彈性，受電弓接觸壓力可達(dá)75N，與正常運(yùn)行時(shí)受電弓需求的最小接觸壓力相近。因此，當(dāng)懸掛結(jié)構(gòu)等效剛度下降三個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，弓網(wǎng)關(guān)系改善效果最為顯著。

根據(jù)以上分析：為改善弓網(wǎng)關(guān)系，減小剛性懸掛接觸網(wǎng)特殊區(qū)段異常磨耗，可通過(guò)改變接觸剛性懸掛結(jié)構(gòu)剛度實(shí)現(xiàn)，但剛度不應(yīng)隨意選擇，應(yīng)控制在一定合理值。以現(xiàn)有國(guó)內(nèi)城市軌道交通大面積運(yùn)用的懸掛結(jié)構(gòu)為例，參照模擬結(jié)果，改變剛性接觸網(wǎng)剛度最理想值應(yīng)為降低3個(gè)數(shù)量級(jí)（kep≈4×104N/m）。

二、影響懸掛結(jié)構(gòu)等效模型參數(shù)的因素

以現(xiàn)有國(guó)內(nèi)城市軌道交通大面積運(yùn)用的懸掛結(jié)構(gòu)為例，影響剛性懸掛結(jié)構(gòu)等效剛度和等效質(zhì)量主要原因有：結(jié)構(gòu)件的長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)件的剛度、懸掛點(diǎn)位置設(shè)置等。

（一）結(jié)構(gòu)件的長(zhǎng)度

接觸網(wǎng)剛性懸掛結(jié)構(gòu)件主要由：螺栓、懸吊槽鋼、絕緣子組成。從理論上分析，結(jié)構(gòu)件越長(zhǎng)接觸網(wǎng)等效剛度越低。但螺栓、絕緣子長(zhǎng)度較短，因此對(duì)剛度影響可忽略不計(jì)，懸吊槽鋼采用碳素鋼，其強(qiáng)度較大，因此對(duì)剛度影響也較小。

（二）懸掛點(diǎn)位置

改變懸掛點(diǎn)位置，適當(dāng)增大跨距可減小剛性懸掛接觸網(wǎng)等效剛度，但接觸網(wǎng)跨距受匯流排自重及車輛運(yùn)行速度影響，為保證列車高速運(yùn)行時(shí)弓網(wǎng)關(guān)系，接觸網(wǎng)剛性懸掛跨距已為最合理值。

（三）結(jié)構(gòu)件的剛度

從理論上分析，構(gòu)件抗拉、抗彎剛度越大接觸網(wǎng)等效剛度越大。但接觸網(wǎng)懸掛用鋼材的彈性模量是固定的，因此其對(duì)等效剛度的影響可忽略不計(jì)。絕緣子、定位線夾的彈性模量可調(diào)整余量較大，因此其對(duì)接觸網(wǎng)等效剛度影響最大。

三、改善剛性懸掛接觸網(wǎng)彈性措施分析

根據(jù)對(duì)等效模型影響因素分析，要改善剛性懸掛接觸網(wǎng)懸吊結(jié)構(gòu)的彈性，需從改善絕緣子及定位線夾的彈性進(jìn)行研究。在原有剛性懸掛零部件的基礎(chǔ)上，開發(fā)研制新型的剛性懸掛彈性裝置。國(guó)外已通過(guò)彈性定位線夾、彈性絕緣子的應(yīng)用等方案來(lái)改善剛性懸掛接觸網(wǎng)彈性。國(guó)內(nèi)城市軌道交通廣佛線、杭州地鐵目前也應(yīng)用了彈性絕緣子和彈性定位線夾。這些兩種方案能改善剛性懸掛接觸網(wǎng)彈性，降低接觸網(wǎng)剛度，增強(qiáng)了受電弓的匹配性及追隨性，極大程度改善了弓網(wǎng)關(guān)系，減少了剛性懸掛接觸網(wǎng)特殊區(qū)段異常磨耗。彈性絕緣子和彈性定位線夾均是利用自身結(jié)構(gòu)彈性形變特性，改善剛性懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)的剛度值，緩解受電弓硬性沖擊匯流排，使得授流更趨平緩。