第三軌供電系統(tǒng)受流質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)研究*

戈春珍 劉艷豐 寧曉芳

(1.中鐵物總運(yùn)維科技有限公司， 100036， 北京； 2.北京汽車研究總院有限公司， 101300， 北京；3.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 610031， 成都∥第一作者， 工程師)

GB/T 14894—2005《城市軌道交通車輛組裝后的檢查與試驗(yàn)規(guī)則》[1]中第6部分對(duì)第三軌供電系統(tǒng)性能的描述如下：“運(yùn)行試驗(yàn)的供電系統(tǒng)的性能，原則上應(yīng)由用戶與制造商雙方在開始簽定合同時(shí)議定。”GB/T 32589—2016《軌道交通 第三軌受流器》[2]中對(duì)第三軌受流系統(tǒng)受流特性的描述可歸結(jié)為兩點(diǎn)：①受流時(shí)受流器對(duì)接觸軌應(yīng)無損傷或非正常磨耗；②接觸壓力決定受流效果。從上述標(biāo)準(zhǔn)可知，第三軌供電系統(tǒng)受流性能評(píng)價(jià)在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)中并沒有系統(tǒng)和明確的規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)的缺失導(dǎo)致受流器設(shè)計(jì)以及第三軌供電系統(tǒng)施工與維護(hù)中參數(shù)選取不準(zhǔn)確，給施工驗(yàn)收和后期維護(hù)帶來困擾。本文以無錫地鐵2號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“2號(hào)線”)為依托，從影響第三軌供電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)受流特性的主要因素入手，分析了各種因素對(duì)受流性能的影響，在此基礎(chǔ)上提出了初步的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法。

1 第三軌供電系統(tǒng)受流質(zhì)量評(píng)價(jià)內(nèi)涵分析

受流質(zhì)量屬于第三軌供電系統(tǒng)的功能特性范疇。狹義的受流質(zhì)量特指列車運(yùn)行狀態(tài)下負(fù)荷電流通過接觸軌和受流器滑板接觸面的持續(xù)流暢程度；而廣義的受流質(zhì)量不僅要考慮受流器滑板與接觸軌表面動(dòng)態(tài)接觸點(diǎn)所具有的持續(xù)導(dǎo)電能力，還包括為了維持這種能力所要付出的維護(hù)成本[3]。第三軌供電系統(tǒng)的受流質(zhì)量主要取決于受流器和第三軌各自的物理特性，以及兩者之間的相互作用。受流器滑板沿著接觸軌滑行的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)和電學(xué)過程，但其中的力學(xué)效應(yīng)起主導(dǎo)作用。這是因?yàn)槭芰髌骰迮c接觸軌之間的相互作用會(huì)產(chǎn)生各種垂向和橫向作用力，并引起受流器滑板和接觸軌的振動(dòng)，導(dǎo)致其接觸狀態(tài)不穩(wěn)定，進(jìn)而影響電流的傳遞效率[3]。

2 影響第三軌供電系統(tǒng)受流質(zhì)量的要素

梳理第三軌供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與受流質(zhì)量相關(guān)的各種物理特性，確定影響第三軌供電系統(tǒng)導(dǎo)電能力、磨耗、機(jī)械破壞、維護(hù)成本的主要因素，是研究和科學(xué)制定受流器滑板-接觸軌系統(tǒng)受流質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。

2.1 標(biāo)稱靜態(tài)接觸壓力

受流器上設(shè)置有彈簧或可調(diào)壓氣缸，使受流器滑板在正常工作位置與第三軌接觸面之間產(chǎn)生接觸壓力。接觸壓力是維持穩(wěn)定受流的重要條件。車輛靜止?fàn)顟B(tài)下的接觸壓力稱為靜態(tài)接觸壓力，靜態(tài)接觸壓力的標(biāo)稱值稱為標(biāo)稱靜態(tài)接觸壓力。標(biāo)稱靜態(tài)接觸壓力是第三軌供電系統(tǒng)調(diào)試的基準(zhǔn)，理論上要求在列車運(yùn)行過程中受流器與第三軌始終以標(biāo)稱靜態(tài)接觸壓力相接觸。

接觸壓力對(duì)導(dǎo)電和磨損有重要的影響。宏觀層面上接觸面是光滑平整的，但在顯微鏡下觀察時(shí)是凹凸不平的，存在大量的微凸體。粗糙表面法向接觸試驗(yàn)表明，真實(shí)的接觸發(fā)生在微凸體之間，并且微凸體間的實(shí)際接觸面積僅是名義接觸面積的一小部分，并隨著接觸壓力的變化而改變[4]。如圖1所示，若將兩個(gè)產(chǎn)生放電現(xiàn)象的導(dǎo)電物體之間的最小間距dmin定義為臨界距離，則當(dāng)接觸間隙ddmin時(shí)，兩導(dǎo)體間的接觸性質(zhì)為電容性接觸[5]。受流器滑板與接觸軌是兩個(gè)導(dǎo)體，因此，受流器滑板和第三軌表面接觸區(qū)域的導(dǎo)電電路是由無數(shù)個(gè)微小電容、電阻并聯(lián)而成的。城市軌道交通通常采用直流供電，對(duì)于直流電路，微小電阻的導(dǎo)電能力要高于微小電容。因此，接觸壓力的法向力增大時(shí)，接觸表面上電阻性微凸體數(shù)量增加，導(dǎo)電能力趨于上升；反之，則電容性接觸微凸體數(shù)量增加，導(dǎo)電能力趨于下降[3]。

圖1 受流器滑板與接觸軌的微觀接觸面

電流從電阻性微凸體通過時(shí)產(chǎn)生焦耳熱，提高了接觸點(diǎn)的黏著系數(shù)，使得切向摩擦力增高，機(jī)械磨損增加；電流從電容性微凸體通過時(shí)可產(chǎn)生擁堵放電，接觸點(diǎn)溫度瞬間增高，導(dǎo)致材料熔化并產(chǎn)生火花，接觸點(diǎn)之間出現(xiàn)大量的離子介質(zhì)，切向摩擦力下降，但在材料的熔化和燒蝕效應(yīng)下，磨損體積也趨于增大。文獻(xiàn)[6]的研究成果表明，存在一個(gè)法向接觸壓力臨界值，當(dāng)法向接觸壓力試驗(yàn)值大于此臨界值時(shí)，摩擦系數(shù)隨電流增加出現(xiàn)較小增幅；而法向接觸壓力小于該臨界值時(shí)，摩擦系數(shù)隨電流增加則出現(xiàn)較大降幅。進(jìn)一步研究表明，當(dāng)法向接觸壓力小于該臨界值時(shí)，總磨損量隨著法向接觸壓力的增加而降低；當(dāng)法向接觸壓力大于此臨界值時(shí)，總磨損量隨法向接觸壓力的增大而增大。因此，為了兼顧導(dǎo)電和磨損，標(biāo)稱靜態(tài)接觸壓力應(yīng)接近或等于臨界法向接觸壓力。

2.2 動(dòng)態(tài)接觸壓力和受流器離線

由受流器滑板和第三軌構(gòu)成的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)在各種激擾作用下會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)，引起接觸壓力和滑板位移的變化。因此，列車運(yùn)行過程中滑板和接觸軌間的接觸壓力不是恒定的，而是一個(gè)不斷變化的動(dòng)態(tài)值。激擾源主要來自第三軌，包括接觸軌表面粗糙不平、接頭處存在間隙、制造時(shí)的尺寸偏差、安裝公差及自重產(chǎn)生的撓度等。接觸軌不平順產(chǎn)生的激擾具有隨機(jī)性，僅能用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行描述。另外，受流器安裝座隨著轉(zhuǎn)向架構(gòu)架一起振動(dòng)，并通過彈性軸承和擺桿將這些振動(dòng)傳遞到受流器滑板，這也構(gòu)成了一種激擾。為了探明列車運(yùn)行狀態(tài)下動(dòng)態(tài)接觸力的分布規(guī)律，在2號(hào)線列車調(diào)試期間對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)接觸壓力測(cè)試。列車上安裝的受流器為德國下部作用式受流器，鋼鋁復(fù)合軌為國產(chǎn)軌，并由國內(nèi)相關(guān)公司負(fù)責(zé)施工安裝。接觸壓力的測(cè)試采用間接法。圖2為受流器滑板的受力模型。其中：Fa是擺桿作用于滑板的剪切力，F(xiàn)c是接觸軌作用于受流器滑板的接觸壓力，m是包含擺桿歸算質(zhì)量在內(nèi)的受流器滑板的慣性質(zhì)量，g是重力加速度。

根據(jù)牛頓第二定律，受流器滑板的動(dòng)力學(xué)方程如下：

(1)

(2)

式中:

圖2 受流器滑板的受力模型Fig.2 Force model of current collector slide

a) 正視圖

b) 側(cè)視圖

圖4和圖5是紡織城站—査橋站區(qū)間(該區(qū)間無端部彎頭)的動(dòng)態(tài)接觸壓力和受流滑板動(dòng)態(tài)垂向加速度測(cè)試結(jié)果。測(cè)試時(shí)，列車全程運(yùn)行速度為60 km/h。

圖4 紡織城站—査橋站區(qū)間受流器滑板動(dòng)態(tài)接觸壓力

圖6為紡織城站—査橋站區(qū)間(該區(qū)間無端部彎頭)的動(dòng)態(tài)接觸壓力-概率密度曲線。由圖6可知，動(dòng)態(tài)接觸壓力概率密度服從正態(tài)分布。這與文獻(xiàn)[7]中英國鐵路系統(tǒng)軌道車輛所采用的新型受流器進(jìn)行的動(dòng)態(tài)接觸壓力測(cè)試結(jié)果(見圖7)類似，因此可以確認(rèn)動(dòng)態(tài)接觸壓力概率密度符合正態(tài)分布。這表明標(biāo)稱靜態(tài)接觸壓力是不可持續(xù)的理想值，在列車運(yùn)行條件下接觸壓力會(huì)發(fā)生各種隨機(jī)波動(dòng)。

圖5 紡織城站—査橋站區(qū)間受流器滑板動(dòng)態(tài)垂向加速度

圖6 紡織城站—査橋站區(qū)間的動(dòng)態(tài)接觸壓力-概率密度曲線

從圖4中還觀察到了大量的受流器離線現(xiàn)象(簡(jiǎn)稱離線，接觸壓力為0)。第三軌表面的波狀磨耗和受流器滑板的微小振動(dòng)可造成較短時(shí)間的離線；而受流器滑板由于跟不上第三軌的高度變化、接頭間隙等，可能會(huì)導(dǎo)致較長(zhǎng)時(shí)間的離線。某測(cè)試區(qū)段內(nèi)列車總的運(yùn)行時(shí)間為461.74 s，初步統(tǒng)計(jì)離線時(shí)間約為5.54 s，占列車總運(yùn)行時(shí)間的1.20%。離線狀態(tài)下電流傳輸中斷，并且在離線和重新接觸的瞬間反復(fù)產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，而拉弧也加速了表面磨耗。

2.3 端部彎頭

由于供電區(qū)間隔離的要求，或空間位置的局限性，接觸軌會(huì)產(chǎn)生斷點(diǎn)，并在斷點(diǎn)處設(shè)計(jì)端部彎頭。端部彎頭可分為低速端部彎頭和高速端部彎頭兩種類型，并通過中間接頭安裝于鋼鋁復(fù)合軌斷口的端部。高速端部彎頭的相關(guān)參數(shù)為：長(zhǎng)度為5.2 m，下降坡度為1∶40。低速端部彎頭的相關(guān)參數(shù)為：長(zhǎng)度為3.4 m，下降坡度為1∶30。端部彎頭安裝面有兩處平直槽，其外形與鋼鋁復(fù)合接觸軌基本相同。

圖7 第三軌供電系統(tǒng)端部彎頭Fig.7 Third-rail power supply system end bend

受流器滑板通過接觸軌斷點(diǎn)時(shí)要經(jīng)歷出靴、再入靴的過程，導(dǎo)致電流和電壓的暫時(shí)中斷，容易引起拉弧現(xiàn)象[8]。受流器滑板進(jìn)入端部彎頭斜面時(shí)受到斜面的瞬時(shí)沖擊，垂直于斜面的動(dòng)量分量轉(zhuǎn)換為對(duì)受流器滑板的瞬態(tài)沖擊力。該瞬態(tài)沖擊力是造成受流器擺桿弱連接結(jié)構(gòu)破壞的原因之一[9]。所謂弱連接結(jié)構(gòu)其實(shí)是一種機(jī)械保護(hù)方案，當(dāng)受流器擺桿在軌道上受到超過設(shè)計(jì)載荷時(shí)，為了保護(hù)整個(gè)受流器和轉(zhuǎn)向架，受流器擺桿會(huì)在弱連接處斷裂。圖8、圖9分別是列車運(yùn)行速度為40 km/h時(shí)受流器滑板通過端部彎頭時(shí)的加速度和接觸壓力。由于沖擊碰撞作用，受流器擺桿弱連接處的動(dòng)態(tài)應(yīng)力存在一個(gè)明顯的峰值，是造成擺桿弱連接處機(jī)械疲勞破壞的主要原因之一，因此端部彎頭處滑板與第三軌的接觸狀態(tài)是影響整體導(dǎo)電能力的重要因素。

圖8 受流滑板通過端部彎頭時(shí)的加速度Fig.8 Acceleration of the slide passing through the end bend

3 第三軌供電系統(tǒng)受流質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

綜合上述對(duì)于影響第三軌供電系統(tǒng)導(dǎo)電能力、磨耗、機(jī)械破壞及維護(hù)成本等主要因素的分析，確定受流質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包含：

圖9 受流滑板通過端部彎頭時(shí)的接觸壓力Fig.9 Contact pressure of the slide when passing the end bend

1) 接觸壓力。接觸壓力既影響第三軌受流系統(tǒng)的導(dǎo)電能力，也關(guān)系到其表面磨耗，是評(píng)價(jià)受流性能的核心指標(biāo)。對(duì)接觸壓力的評(píng)價(jià)應(yīng)區(qū)分其平均值和動(dòng)態(tài)值。

2) 離線。輕微離線時(shí)第三軌表面與受流器滑板間產(chǎn)生電弧，電弧能繼續(xù)維持電流的持續(xù)性，使得列車供電不被中斷，但會(huì)導(dǎo)致燒蝕磨損加大；嚴(yán)重離線會(huì)造成列車供電的中斷，使得第三軌供電系統(tǒng)喪失導(dǎo)電能力。因此，離線是評(píng)價(jià)受流性能的重要指標(biāo)。

3) 端部彎頭沖擊。端部彎頭沖擊是造成受流器擺桿弱連接結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，需要把沖擊過程中的受流器擺桿弱連接處的動(dòng)態(tài)應(yīng)力幅值作為結(jié)構(gòu)可靠性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4 第三軌供電系統(tǒng)受流質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法

4.1 接觸壓力平均值評(píng)價(jià)

按照GB/T 7928—2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》中第11.10條的要求，標(biāo)稱靜態(tài)接觸壓力由供需雙方協(xié)商確定[10]。對(duì)于匹配良好的第三軌供電系統(tǒng)，如果測(cè)試線路足夠長(zhǎng)，測(cè)得的接觸壓力算術(shù)平均值Fm應(yīng)接近或等于標(biāo)稱接觸壓力。標(biāo)稱接觸力的偏差δ越小，表明受流滑板與第三軌的匹配越好。Fm與δ按式(4)進(jìn)行評(píng)價(jià):

(3)

(4)

式中：

Fi——測(cè)試線路的接觸壓力采樣值；

n——樣本量；

Fm——接觸壓力的算術(shù)平均值；

Fb——標(biāo)稱靜態(tài)接觸壓力。

4.2 接觸壓力波動(dòng)評(píng)價(jià)

接觸壓力的波動(dòng)服從正態(tài)分布。借鑒城市軌道交通弓網(wǎng)系統(tǒng)的受流性能評(píng)估，最簡(jiǎn)單且有效的方法是基于接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)差σ和接觸壓力不均勻系數(shù)FCP進(jìn)行評(píng)價(jià)。

σ的計(jì)算公式為：

(5)

σ反映的是Fm的動(dòng)態(tài)波動(dòng)情況，其值越小，接觸壓力動(dòng)態(tài)波動(dòng)越小，第三軌供電系統(tǒng)受流性能越好。

FCP的計(jì)算公式為：

(6)

式中：

Fi,max、Fi,min——分別為采樣區(qū)間內(nèi)樣本點(diǎn)中接觸力的最大值與最小值。

由式(6)可見,FCP越小，表明接觸壓力波動(dòng)越小，電流傳導(dǎo)越穩(wěn)定。

4.3 受流器離線評(píng)價(jià)

第三軌受流系統(tǒng)關(guān)于離線的評(píng)價(jià)沒有相關(guān)技術(shù)條件支持。但在弓網(wǎng)系統(tǒng)中有較為成熟的方法，即采用離線率和單次離線持續(xù)時(shí)間這兩個(gè)指標(biāo)來描述。在1個(gè)區(qū)段內(nèi)，離線率S的表達(dá)式為：

(7)

式中：

k——采樣區(qū)段內(nèi)受流滑板脫離第三軌的次數(shù)；

ti——第i次離線持續(xù)時(shí)間；

T——試驗(yàn)總時(shí)間。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]的相關(guān)規(guī)定，定義單次受流滑板與第三軌分離的持續(xù)時(shí)間為單次離線持續(xù)時(shí)間。離線時(shí)間0.1～0.5 ms為小離線，離線時(shí)間50～100 ms為中離線，離線時(shí)間大于100 ms為大離線。

4.4 端部彎頭沖擊評(píng)價(jià)

端部彎頭沖擊過程中擺桿弱連接處的動(dòng)態(tài)應(yīng)力幅值小于或等于結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度時(shí)為合格。對(duì)于試驗(yàn)所測(cè)得的受流器擺桿弱連接處的動(dòng)應(yīng)力，通常采用雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行循環(huán)計(jì)數(shù)處理，從而編制各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力譜。擺桿弱連接處的等效應(yīng)力幅值主要依據(jù)Miner線性疲勞損傷法則和美國國家航空航天局針對(duì)變幅加載條件推薦的S-N曲線長(zhǎng)壽命區(qū)形式計(jì)算[12]。等效應(yīng)力幅值σacq計(jì)算方法為：

(8)

式中：

L——擺桿弱連接結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)允許的總沖擊次數(shù)；

L1——?jiǎng)討?yīng)力測(cè)量時(shí)的實(shí)際沖擊次數(shù)；

ni——各測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力譜中各級(jí)應(yīng)力的出現(xiàn)次數(shù)；

σa,i——應(yīng)力譜中各級(jí)應(yīng)力對(duì)應(yīng)的幅值；

m0——S-N曲線方程的指數(shù)；

N——疲勞極限所對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。

5 結(jié)語

標(biāo)稱靜態(tài)接觸壓力的大小對(duì)負(fù)載電流通過受流器滑板和第三軌接觸表面的能力和載流磨損都有影響。第三軌表面幾何不平順會(huì)造成接觸壓力的隨機(jī)波動(dòng)，產(chǎn)生不同程度的離線故障，而端部彎頭沖擊可能使受流器滑板弱連接處產(chǎn)生機(jī)械損壞，導(dǎo)致受流中斷。這些影響受流質(zhì)量的因素?zé)o法根除，但可以通過對(duì)一些指標(biāo)的限制，把其影響控制在可接受的范圍。本文提出以接觸壓力的算術(shù)平均值、接觸壓力的標(biāo)準(zhǔn)差、不均勻系數(shù)、離線率、離線時(shí)間，以及端部彎頭沖擊過程中弱連接處的動(dòng)態(tài)應(yīng)力幅值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并給出了評(píng)價(jià)方法，具有參數(shù)易測(cè)和應(yīng)用方便的優(yōu)點(diǎn)。后續(xù)將在運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)指標(biāo)影響受流質(zhì)量的量化規(guī)律進(jìn)行深入的理論和試驗(yàn)研究，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的合理取值范圍，以完善評(píng)價(jià)體系。