北京大興機(jī)場線剛性接觸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

仵占海

中鐵華鐵工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京 100071

柔性接觸網(wǎng)系統(tǒng)在我國電氣化鐵路被廣泛采用，但其在隧道內(nèi)的安裝凈空要求較高，尤其是小斷面隧道安裝，需要在錨段關(guān)節(jié)、補(bǔ)償下錨等特殊位置對(duì)隧道進(jìn)行局部開挖，不僅土建實(shí)施難度大、造價(jià)高，而且有一定的工程風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)工期進(jìn)度影響較大。

剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、無張力補(bǔ)償、適應(yīng)小斷面隧道安裝等特點(diǎn)。北京大興機(jī)場線實(shí)施前，剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)在國內(nèi)地鐵的運(yùn)營速度在80～120km/h，國鐵線路運(yùn)營速度在120～140km/h，160km/h及以上的速度等級(jí)在國外也處于技術(shù)驗(yàn)證階段，對(duì)其設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)外均為空白。因此，系統(tǒng)研究和掌握時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)解決軌道交通小斷面隧道應(yīng)用問題顯得尤為迫切。

1 剛性接觸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究目的

為了順利建造北京大興機(jī)場線隧道內(nèi)接觸網(wǎng)系統(tǒng)，滿足弓網(wǎng)的可靠連續(xù)受流，有必要研發(fā)適應(yīng)時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的弓網(wǎng)耦合動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，研制配套零部件，掌握相關(guān)安裝工藝。同時(shí)，通過搭建的剛性接觸網(wǎng)服役狀態(tài)檢測、監(jiān)測平臺(tái)，及時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。編制適用于時(shí)速160km的剛性接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)理論研究和工程建造技術(shù)上的突破，實(shí)現(xiàn)快速剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的體系創(chuàng)新。

2 剛性接觸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究過程及方法

2.1 搭建時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)耦合仿真平臺(tái)

基于ANSYS平臺(tái)，按照建模→模型驗(yàn)證→平臺(tái)搭建→靜態(tài)力和動(dòng)力學(xué)分析→實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證→人機(jī)界面和軟件功能開發(fā)→平臺(tái)測試→平臺(tái)定型的技術(shù)路線和技術(shù)方法，研發(fā)剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，為制訂時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)方案和關(guān)鍵參數(shù)施工誤差控制標(biāo)準(zhǔn)提供技術(shù)手段和理論支撐。

（1）匯流排/接觸線計(jì)算模型。分別搭建匯流排/接觸線的實(shí)體模型和全參數(shù)化模型。通過比較分析兩種模型計(jì)算結(jié)果，提出保證計(jì)算精度和兼顧計(jì)算效率的建模方法。

（2）接觸網(wǎng)懸吊結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型。結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際，針對(duì)不同剛性接觸網(wǎng)的安裝方案，搭建門型垂直懸吊結(jié)構(gòu)、自定義三向彈簧懸吊結(jié)構(gòu)、吊柱水平腕臂懸吊結(jié)構(gòu)、橫擔(dān)垂直懸吊結(jié)構(gòu)這四種懸吊結(jié)構(gòu)形式的數(shù)學(xué)模型用于仿真研究。

（3）剛性接觸網(wǎng)與受電弓聯(lián)合建模。通過接觸網(wǎng)-受電弓全參數(shù)化聯(lián)合建模，提出弓網(wǎng)系統(tǒng)整體分析模型，由此構(gòu)建剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，形成剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)。

（4）結(jié)合不同系統(tǒng)組合方案開展時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)仿真。基于開發(fā)的弓網(wǎng)仿真平臺(tái)，建立不同型號(hào)受電弓、不同跨距、不同平面布置方式及不同懸掛方案等多組合的仿真計(jì)算模型。通過弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)耦合仿真對(duì)剛?cè)徇^渡、機(jī)械分段、匯流排走線布置等技術(shù)方案，以及跨距、拉出值、坡度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行模擬和研究，提出時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)方案。

（5）關(guān)鍵參數(shù)施工誤差控制標(biāo)準(zhǔn)。目前，國內(nèi)外對(duì)于快速剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的施工標(biāo)準(zhǔn)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)均是空白，而剛性接觸網(wǎng)關(guān)鍵參數(shù)的施工誤差是直接影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量的重要因素[1]。為此，借助弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，針對(duì)影響高速弓網(wǎng)受流的主要技術(shù)參數(shù)（如懸掛點(diǎn)導(dǎo)高、坡度、匯流排平順度等）在一定范圍內(nèi)進(jìn)行人為調(diào)整設(shè)定，開展這些系統(tǒng)參數(shù)對(duì)弓網(wǎng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性影響程度的靈敏度分析，從而獲得施工精度和后期驗(yàn)收的控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 建立時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)方案

基于剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，建立不同型號(hào)受電弓、接觸網(wǎng)不同平面布置方式、不同懸掛方案等多組合仿真計(jì)算模型。通過弓網(wǎng)仿真計(jì)算確定時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)方案和技術(shù)參數(shù)要求。重點(diǎn)對(duì)機(jī)械分段和剛?cè)徇^渡方案進(jìn)行詳細(xì)研究和分析。

（1）機(jī)械分段方案。機(jī)械分段是高速受流方案的關(guān)鍵，通過對(duì)膨脹接頭和錨段關(guān)節(jié)進(jìn)行有限元仿真，證明錨段關(guān)節(jié)替代膨脹接頭的可行性與可靠性，提出采用錨段關(guān)節(jié)替代膨脹接頭作為剛性懸掛高速受流系統(tǒng)機(jī)械分段方案（見圖1），克服膨脹接頭存在弓網(wǎng)沖擊、調(diào)整困難、電氣燒蝕等難題[2]。

圖1 錨段關(guān)節(jié)

（2）剛?cè)徇^渡方案。隧道外采用柔性懸掛，隧道內(nèi)采用剛性懸掛，兩者彈性相差較大造成了剛?cè)徇^渡問題，因此必須在其結(jié)合處采取剛?cè)徇^渡措施[3]。

柔性接觸網(wǎng)與剛性接觸網(wǎng)之間設(shè)置剛?cè)徇^渡段，采用切槽貫通式剛?cè)徇^渡方式實(shí)現(xiàn)機(jī)車受電弓的雙向平滑過渡。對(duì)高速受流剛?cè)徇^渡方案進(jìn)行研究和優(yōu)化，通過平面布置、幾何參數(shù)等受流參數(shù)多組合方案仿真，提出在柔性接觸網(wǎng)區(qū)域采取并線方式的彈性過渡措施，以延長剛?cè)釓椥赃^渡區(qū)，實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)高速平穩(wěn)過渡。

2.3 研究時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)鋁合金零部件制備技術(shù)

傳統(tǒng)剛性接觸網(wǎng)零部件材質(zhì)主要為碳鋼，整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)重量較大，不利于現(xiàn)場安裝。因此，項(xiàng)目結(jié)合制造、施工、防腐等性能要求，研發(fā)了時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)的鋁合金零部件（見圖2）。

圖2 鋁合金匯流排定位線夾

（1）輕量化、環(huán)保、防腐的鋁合金材質(zhì)方案。常規(guī)的鋼材質(zhì)雖然材料價(jià)格低、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，但是鍛造工藝精度低、重量大，不利于施工，并且在隧道濕熱工況下鍍鋅層容易生銹。鋁合金強(qiáng)度高、抗腐蝕性能強(qiáng)，適用于隧道環(huán)境。基于此，開展鋁合金材質(zhì)零部件的研究，在滿足時(shí)速160km的機(jī)械、電氣、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等各項(xiàng)性能的要求下，完成鋁合金材質(zhì)水平懸臂關(guān)鍵部件的研制。

（2）剛性接觸網(wǎng)零部件熱擠壓成形制備工藝。考慮到鋁合金焊接工藝的質(zhì)量控制難度和生產(chǎn)效率問題，對(duì)配套零部件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)合鋁合金材質(zhì)的特性，提出零部件熱擠壓成形制備工藝[4]，以攻克接觸網(wǎng)零部件復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高精度制造兩個(gè)難題，解決常規(guī)焊接工藝的變形、焊縫缺陷、探傷應(yīng)力集中問題，實(shí)現(xiàn)材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提升30%，保證達(dá)到高精度要求。

灰霉病病原菌為灰葡萄孢菌，屬半知菌亞門絲孢目真菌。病菌以菌核在土壤中或以菌絲及分生孢子在病殘?bào)w上度過不良環(huán)境，分生孢子可在病殘?bào)w上存活4-5個(gè)月，發(fā)病潛育期5-7d。病菌借氣流、雨水或露珠及農(nóng)事操作進(jìn)行傳播。此病菌為弱寄生菌，可在有機(jī)物上腐生。發(fā)育適溫18—23℃，氣溫高于32℃或低于4℃可抑制病害蔓延。此外，植株密度過大，生長旺盛，管理不當(dāng)也會(huì)加快病情擴(kuò)展；有機(jī)肥偏少，氮肥偏多，氮磷鉀比例失調(diào)等也利于灰霉病的發(fā)生。

（3）多維度可調(diào)節(jié)腕臂裝置（見圖3）。根據(jù)接觸網(wǎng)系統(tǒng)幾何參數(shù)的多維度定位需求，以及高速受流系統(tǒng)對(duì)施工安裝的高精度調(diào)整要求，重點(diǎn)對(duì)水平腕臂的多維精確調(diào)節(jié)功能進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和研發(fā)。通過對(duì)旋轉(zhuǎn)底座結(jié)構(gòu)在垂直、水平方向設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸，水平旋轉(zhuǎn)依靠匯流排張力實(shí)現(xiàn)，在豎直角度創(chuàng)新設(shè)置活節(jié)螺栓進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式，首次實(shí)現(xiàn)水平懸臂在曲線超高地段豎直方向的連續(xù)調(diào)節(jié)。

圖3 剛性懸掛鋁合金旋轉(zhuǎn)腕臂裝置

（4）適應(yīng)高速運(yùn)行工況的振動(dòng)、疲勞試驗(yàn)方法。因?yàn)樵陧?xiàng)目實(shí)施前，國內(nèi)外均沒有剛性接觸網(wǎng)零部件的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，所以根據(jù)接觸網(wǎng)高速受流的系統(tǒng)特點(diǎn)，開展零部件和整機(jī)的型式試驗(yàn)，驗(yàn)證零部件在高速運(yùn)行環(huán)境條件下的安全可靠性。項(xiàng)目研究提出零部件開展振動(dòng)試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)和方法，在檢測機(jī)構(gòu)無試驗(yàn)平臺(tái)和試驗(yàn)設(shè)備的情況下，研制和搭建完成型式試驗(yàn)平臺(tái)，由權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行垂直和水平工作荷載試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)，并提出上述試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，完成產(chǎn)品定型。

2.4 研究接觸線平順度和高精度調(diào)整控制工藝工法

施工安裝工藝直接影響剛性接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)受流質(zhì)量。對(duì)于受流質(zhì)量密切相關(guān)的關(guān)鍵施工工藝開展技術(shù)調(diào)研和攻關(guān)，結(jié)合示范段的上線安裝試驗(yàn)，逐步探索和完善施工工藝和配套作業(yè)平臺(tái)，形成質(zhì)量穩(wěn)定可控、高效的關(guān)鍵施工工藝工法和施工技術(shù)。

（1）時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)高精度無軌施工工藝。針對(duì)軌道交通工程建設(shè)普遍存在的接觸網(wǎng)安裝工期緊張問題，提出時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)的高精度無軌施工方法，包含高精度無軌測量與高精度無軌安裝兩個(gè)部分[5]。

高精度無軌測量技術(shù)，針對(duì)水平腕臂的偏移計(jì)算方法，完成對(duì)剛性懸掛點(diǎn)線路中心坐標(biāo)、高程及懸掛偏移量的計(jì)算，使用極坐標(biāo)測量方法利用CPⅢ控制點(diǎn)提高測量放樣精度，在實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)架設(shè)與軌道鋪設(shè)同步推進(jìn)的交叉施工條件下，滿足剛性接觸網(wǎng)高精度施工安裝要求。

高精度無軌安裝技術(shù)，在未鋪設(shè)軌道前，利用鏡像原理確定懸掛點(diǎn)處吊柱底板角度，結(jié)合凈空高度提前完成吊柱計(jì)算、訂貨、制造及安裝，運(yùn)用項(xiàng)目研制的剛性接觸網(wǎng)無軌施工校核裝置安裝腕臂、匯流排。

采用研發(fā)的高精度無軌施工工藝，北京大興機(jī)場線施工精度相比常規(guī)地鐵提高了40mm，在滿足160km剛性接觸網(wǎng)安裝精度要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了軌通電通同步，整體接觸網(wǎng)安裝工期節(jié)省約30%。

（3）時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)小張力放線工藝。針對(duì)剛性接觸網(wǎng)常規(guī)無張力放線存在的扭面、脫槽和硬點(diǎn)問題，制定時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)小張力放線工藝，包括在剛性接觸線架設(shè)過程中增加校直裝置，獲得接觸線與匯流排的最佳放線角度，使放線小車在最佳工作狀態(tài)，首創(chuàng)采用1.5kN恒張力放線施工工藝。

通過北京大興機(jī)場線的工程驗(yàn)證，采用研制的小張力放線工藝進(jìn)行剛性接觸網(wǎng)接觸線架設(shè)時(shí)，整個(gè)施工過程中接觸線無脫槽、硬點(diǎn)產(chǎn)生，有效解決了接觸線微觀層面下不平順導(dǎo)致高速受流的問題，滿足了時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)受流的平順性要求。

（4）時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)高精度施工調(diào)整技術(shù)。采用精度高、誤差小的面激光測量儀替代傳統(tǒng)點(diǎn)激光測量儀，形成由點(diǎn)到線整錨段的施工數(shù)據(jù)體系，精準(zhǔn)定位超標(biāo)位置；在高精度調(diào)整方法方面，提出“點(diǎn)跨”結(jié)合的綜合調(diào)整控制技術(shù)，在傳統(tǒng)精調(diào)工法基礎(chǔ)上首創(chuàng)跨中導(dǎo)高精調(diào)工藝。

通過北京大興機(jī)場線的工程驗(yàn)證，運(yùn)用該調(diào)整技術(shù)，普通懸掛點(diǎn)導(dǎo)線高度誤差控制在2mm以下，相比普速地鐵精度提高了3mm；錨段關(guān)節(jié)處懸掛點(diǎn)兩導(dǎo)線高度差控制在1mm以下，精度提高了2mm。同時(shí)，北京大興機(jī)場線剛性接觸網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)到柔性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)配合水平。

2.5 研究接觸網(wǎng)服役狀態(tài)智能化綜合檢測監(jiān)測裝置

從時(shí)速160km弓網(wǎng)高速運(yùn)行的安全可靠性考慮，為了全面檢測監(jiān)測和加強(qiáng)管控高速剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，遵循“同平臺(tái)、同速度、同工況”技術(shù)理念，基于運(yùn)營車的有限空間條件，開展檢測設(shè)備小型化、分散化、集成化搭載，研發(fā)集弓網(wǎng)性能檢測、接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測、接觸網(wǎng)懸掛狀態(tài)檢測三大核心功能于一體的智能化綜合檢測監(jiān)測裝置，建立基于市域車的在線監(jiān)測平臺(tái)，利用車地綜合承載網(wǎng)，構(gòu)建不同類型車載檢測裝置的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、通道共享，首次實(shí)現(xiàn)剛性接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)全天候、全功能數(shù)據(jù)采集和缺陷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳[6]。

基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，首次在國內(nèi)地鐵領(lǐng)域構(gòu)建多線路接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)綜合分析處理中心(接觸網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng))，實(shí)現(xiàn)與各類檢測裝備、管理信息系統(tǒng)、小型數(shù)據(jù)中心的互通互聯(lián)，建立剛性接觸網(wǎng)服役狀態(tài)的健康評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)剛性接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)智能診斷和故障預(yù)測。

2.6 編制時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

在剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)方案、接觸網(wǎng)施工工藝研究、車載接觸網(wǎng)檢測監(jiān)測平臺(tái)研發(fā)等研究成果的基礎(chǔ)上，編制發(fā)布時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)涵蓋設(shè)計(jì)、制造、施工、驗(yàn)收和運(yùn)維的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)快速軌道交通供電系統(tǒng)的體系創(chuàng)新，填補(bǔ)行業(yè)內(nèi)的技術(shù)空白[7]。

3 剛性接觸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究結(jié)果及現(xiàn)場應(yīng)用情況

通過研究，完成了各項(xiàng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了既定的目標(biāo)，達(dá)到了預(yù)期的效果。同時(shí)，研究成果在北京大興機(jī)場線成功應(yīng)用。2019年9月26日，北京大興機(jī)場線按照設(shè)計(jì)160km/h的速度如期開通。北京大興機(jī)場線運(yùn)行一年的效果表明，系統(tǒng)整體安全穩(wěn)定，弓網(wǎng)運(yùn)行良好，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

4 結(jié)束語

開展城市軌道交通剛性接觸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究，填補(bǔ)了剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)研究領(lǐng)域的空白，建立了北京市快速軌道交通剛性接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系，從而規(guī)范、指導(dǎo)時(shí)速160km剛性接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收，促進(jìn)剛性接觸網(wǎng)在快速軌道交通線路的應(yīng)用和發(fā)展，不斷提升北京市快速軌道交通的技術(shù)創(chuàng)新和建設(shè)水平，進(jìn)而推動(dòng)了北京市快速軌道交通項(xiàng)目的建設(shè)，對(duì)于類似的工程具有很好的指導(dǎo)意義。