剛性懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)分析及應(yīng)用前景

閻 娜

1 剛性接觸網(wǎng)的國內(nèi)外應(yīng)用情況

剛性接觸網(wǎng)由匯流排、接觸線、懸掛與定位結(jié)構(gòu)等組成，將接觸線夾持在匯流排中[1]，并靠其自身剛性保持接觸線的恒定位置，使其不因重力而產(chǎn)生弛度，并取消柔性接觸網(wǎng)的承力索和吊弦。

國外剛性接觸網(wǎng)的應(yīng)用較早，如1895 年美國巴爾的摩第一條電氣化鐵路，1961 年日本營團地鐵日比谷線，1983 年法國巴黎RATPA 線，1988年瑞士辛普倫隧道使用1 100 m 剛性懸掛，這些線路的運營速度均低于160 km/h。目前200 km/h 及以上線路的剛性接觸網(wǎng)應(yīng)用較少，2014 年奧地利開通的維也納—林茨城際鐵路，長4.8 km 的Sittenberg 隧道應(yīng)用剛性懸掛，其運行速度達(dá)到250 km/h；2020 年瑞士的Ceneri-Base 隧道使用剛性懸掛，運營速度超過250 km/h。但總體來看，高速剛性接觸網(wǎng)多為既有內(nèi)燃線路低凈空隧道的電氣化改造，在線路中的占比相對較低。

我國第一條剛性懸掛接觸網(wǎng)應(yīng)用于2003 年建成的廣州地鐵二號線三元里—琶洲段，該段線路長18.4 km。隨后國內(nèi)多條鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)采用剛性懸掛，最早的25 kV 交流電氣化鐵路剛性懸掛應(yīng)用于2006 年蘭新鐵路的烏鞘嶺隧道，之后青藏線的關(guān)角隧道、南疆線的中天山隧道、京九線電氣化改造工程、焦柳線電氣化改造工程、精伊霍鐵路的北天山隧道、蒙華鐵路運煤通道、北京新機場線等均采用剛性懸掛，其中北京新機場線的運營速度最高，為160 km/h。目前國內(nèi)尚無200 km/h 及以上剛性接觸網(wǎng)的應(yīng)用，其技術(shù)方案、裝備設(shè)計、施工安裝、運營維修等方案設(shè)計仍較欠缺。

2 剛性接觸網(wǎng)技術(shù)特點

2.1 跨距

剛性接觸網(wǎng)通常跨距為5～12 m，錨段長度為200～250 m，拉出值一般在500 m±200 mm 范圍內(nèi)。剛性接觸網(wǎng)跨距與跨中弛度密切相關(guān)，跨距越小，弛度越小，則剛性接觸網(wǎng)的平順性越好。但跨距越小導(dǎo)致定位與懸掛結(jié)構(gòu)較多，增加建設(shè)成本。剛性接觸網(wǎng)的跨距常見有3 種：6、8、10 m。10 m跨距的跨中弛度較大，一般用于80 km/h 以下的線路，8 m 跨距一般用于160 km/h 以下的線路。弓網(wǎng)仿真表明，跨距為6 m 的剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)接觸力波動幅度更小，能滿足最高運行速度為220 km/h 的線路，因此，200 km/h 剛性接觸網(wǎng)跨距可考慮采用6 m。

跨距與匯流排通過速度有關(guān)。匯流排一般由鋁材制成，約12 m 一段，安裝時用魚尾板將其連接為一體。接觸線上安裝剛?cè)徇^渡匯流排然后直接接入剛性接觸網(wǎng)。每一段匯流排之間用匯流排中間接頭連接，構(gòu)成剛性懸掛的每個錨段。對于剛性接觸網(wǎng)在隧道內(nèi)懸掛安裝，匯流排選擇π 型結(jié)構(gòu)比T型結(jié)構(gòu)更適合（圖1）。

圖1 π 型匯流排

標(biāo)準(zhǔn)π 型匯流排一般有PAC110 和PAC80 兩種。我國的烏鞘嶺隧道剛性懸掛接觸網(wǎng)采用的是π型匯流排PAC110 型。PAC110 匯流排通過速度與跨距的關(guān)系如表1 所示。

表1 PAC110 匯流排通過速度與跨距

2.2 錨段關(guān)節(jié)

目前，在我國城市軌道交通剛性接觸懸掛中，剛性錨段關(guān)節(jié)（絕緣與非絕緣）多采用2 根匯流排終端平行并列、互相錯開重疊而成。在重疊范圍內(nèi)采用懸掛定位點對導(dǎo)高、匯流排間距進行調(diào)整。圖2 為上海地鐵6 號線剛性懸掛錨段關(guān)節(jié)示意圖[2]。其中，非絕緣錨段關(guān)節(jié)間距200 mm，絕緣錨段關(guān)節(jié)間距300 mm。

圖2 剛性懸掛錨段關(guān)節(jié)示意圖

對比剛性懸掛，柔性接觸網(wǎng)通過“三跨”接觸線立面的交叉，“四跨”一段距離的接觸線平面等高進行過渡，柔性懸掛的錨段關(guān)節(jié)相對繁瑣。圖3所示為350 km/h 接觸網(wǎng)柔性懸掛常見的四跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)（b= 200 mm）。

圖3 柔性懸掛四跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)（單位：mm）

2.3 剛?cè)徇^渡

結(jié)合國外200 km/h 及以上剛性接觸網(wǎng)工程，高速架空剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)宜采用貫通式剛?cè)徇^渡，即剛性接觸網(wǎng)與柔性接觸網(wǎng)合為一支接觸懸掛，其工作原理是柔性接觸網(wǎng)進入隧道時承力索于隧道口或內(nèi)部下錨。

剛?cè)徇^渡結(jié)構(gòu)主要有兩種方式：錨段關(guān)節(jié)式和切槽貫通式。由于切槽貫通式膨脹元件對剛性懸掛系統(tǒng)的安裝和調(diào)試允許有更大的誤差范圍。國外200 km/h 及以上剛性懸掛，相鄰兩錨段銜接處采用貫通式錨段關(guān)節(jié)。

依據(jù)國外200 km/h 剛性接觸網(wǎng)運營資料，貫通式膨脹接頭其導(dǎo)高系統(tǒng)誤差上限為5 mm，受電弓以200 km/h 速度通過時，全里程弓網(wǎng)接觸力處于0～300 N 范圍，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且受電弓經(jīng)過膨脹接頭時弓網(wǎng)接觸力未出現(xiàn)很大波動，說明弓網(wǎng)受流質(zhì)量良好，這是由于貫通式膨脹接頭允許更大的安裝誤差范圍。因此，200 km/h 剛性接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)可采用貫通式膨脹接頭。貫通式剛?cè)徇^渡平面布置如圖4 所示。

圖4 貫通式剛?cè)徇^渡平面布置

3 剛性接觸網(wǎng)運動分析及運動頻率

3.1 剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)運動方程

利用運動微分方程可以分析接觸網(wǎng)的運動狀態(tài)，求解其固有頻率、主振型、靜態(tài)曲線等，也可以結(jié)合仿真軟件進行分析。剛性接觸網(wǎng)匯流排與接觸線一體按錨段劃分，其截面相對長度之比很小，可等效為梁。匯流排上方通過定位線夾間隔一定跨距固定，定位線夾若沒有彈性元件，剛度很大，可假設(shè)為簡支固定，若有彈性元件，可采用一垂向彈簧替代。剛性接觸網(wǎng)整體為連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，采用動力微分方程表示剛性接觸網(wǎng)隨時間空間變化的垂向振動位移[3]，即

式中：ρ為剛性懸掛接觸線密度；A為梁單元截面面積；u(x,t)為拉力，x為運動點處的位置，t為運動時間；E為楊氏彈性模量；I為梁單元截面慣性矩；m為定位點個數(shù)，當(dāng)錨段長度為100 m，跨距為10 m 時，定位點為9 個；kd為剛度常數(shù)，常取5×106N/m；δ(x)為狄拉克函數(shù)；上式等號右邊為弓網(wǎng)接觸力載荷與重力載荷，fc為弓網(wǎng)接觸力，弓網(wǎng)接觸力載荷是隨速度v移動的載荷，用狄拉克函數(shù)表示，其大小也隨時間t變化；t0為受電弓在接觸網(wǎng)上的初始時刻；x0為受電弓在接觸網(wǎng)上的初始里程；ρAg為重力荷載，沿連續(xù)梁分布施加。

3.2 接觸網(wǎng)系統(tǒng)運動頻率

任何振動系統(tǒng)均有其運動的固有頻率，其值由本身結(jié)構(gòu)決定。接觸網(wǎng)振動系統(tǒng)存在大量固有頻率，結(jié)合接觸網(wǎng)運動方程及ANSYS 軟件，對剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)進行模態(tài)分析，求解其固有頻率。以某線路跨距10 m 的雙弓剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)為例進行統(tǒng)計分析[4]，剛性懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)固有頻率如圖5 所示。

圖5 剛性接觸網(wǎng)固有頻率

由圖5 可知，剛性懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)的前100 階振動頻率均小于10 Hz，到第236 階才到20 Hz。

對比剛性接觸網(wǎng)，結(jié)合ANSYS 軟件，對柔性簡單鏈形懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)進行分析。彈性模量為1.2×1011，泊松比為0.3；銅合金接觸線密度設(shè)為8 282.82 kg/m3[5]，接觸線采用CTSH-120。以完整錨段作為研究對象[6]，建立錨段1 和錨段2 的有限元模型，錨段關(guān)節(jié)拉出值按圖3 設(shè)定[7]。錨段1 有限元模型：4 跨錨段關(guān)節(jié)（跨距40 m）+16 跨（跨距50 m）+4 跨錨段關(guān)節(jié)（跨距40m）= 1 120 m；錨段2 有限元模型：4 跨錨段關(guān)節(jié)（跨距50 m）+16跨（跨距60 m）+4 跨錨段關(guān)節(jié)（跨距50 m） =1 360 m。兩個模型的前100 階固有頻率見圖6。

圖6 柔性接觸網(wǎng)固有頻率

柔性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的前10 階固有頻率不超過20 Hz。相比于短錨段，長錨段頻率較小，且長錨段在60 階才出現(xiàn)較大變化，短錨段在30 階出現(xiàn)較大變化，因此設(shè)計時盡量選長錨段，避免短錨段。

由剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)和柔性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的固有運動頻率可見，接觸網(wǎng)為低頻系統(tǒng)，剛性接觸網(wǎng)固有頻率相對柔性接觸網(wǎng)更小，從運動的角度，剛性接觸網(wǎng)更具有優(yōu)勢。同時，對固有頻率的分析，也為避免共振的研究提供一定依據(jù)。

4 剛性懸掛優(yōu)缺點

4.1 優(yōu)點

（1）懸掛高度低。目前160 km/h 及以上干線鐵路隧道內(nèi)柔性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度一般不小于1 000 mm，也有結(jié)構(gòu)高度為950、850 mm 等。AC 25 kV剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度一般為450 mm，如圖7 所示。

圖7 剛性接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)高度（單位：mm）

（2）減小隧道凈空，縮小隧道斷面，降低工程造價，利于生態(tài)環(huán)保。與柔性接觸網(wǎng)相比，剛性接觸網(wǎng)無縱向張力，減小了下錨補償裝置對隧道的需求，對隧道凈空要求低。不同結(jié)構(gòu)高度對隧道凈空要求見表2。其中，A、B、C、D、E 分別代表海拔高度0～2 000 m（含）、2 000～3 000 m（含）、3 000～3 500 m（含）、3 500～4 000 m（含）、4 000～4 500 m（含）。

表2 不同結(jié)構(gòu)高度對隧道凈空的要求 mm

剛性架空接觸網(wǎng)對隧道斷面的控制點：直線區(qū)段，由支撐裝置底座安裝及調(diào)整要求進行控制，海拔4 500 m 時，所需隧道最小斷面為6 955 mm。

對于單線隧道，較柔性懸掛斷面來說，剛性懸掛斷面高度可降低54.5 cm，凈空面積可減小5.99 m2。以IVa 型襯砌為例，開挖量可減少6.52 m2，圬工量減少0.64 m2。對于雙線隧道，相較柔性懸掛斷面，剛性懸掛斷面高度可降低24 cm，凈空面積可減少5.59 m2。以IVa 型襯砌為例，開挖量可減少4.91 m2，圬工量減少0.5 m2。這對于隧道占比較高的線路，單減小隧道凈空這一項，節(jié)約的投資相當(dāng)可觀，同時可以減少棄渣，有利于生態(tài)環(huán)保。

（3）結(jié)構(gòu)簡單、斷線隱患低。剛性接觸網(wǎng)因其結(jié)構(gòu)特點，維護工作量小，從全生命周期的角度考慮，可靠性和免維護性是更重要的考慮因素。

以建設(shè)一條160 km/h 的線路為例，采用剛性接觸網(wǎng)時，隧道凈空為7 200 mm 即可滿足安裝要求，而采用柔性接觸網(wǎng)系統(tǒng)，隧道凈空應(yīng)不低于7 600 mm，還需要土建預(yù)留下錨洞及絕緣關(guān)節(jié)等位置處的隧道局部開挖，這些土建方面的投資每公里可節(jié)約2 000 萬元以上。

因此，對新建的隧道占比大、特長隧道及隧道群密集的線路，在減小隧道凈空，縮小隧道斷面方面，剛性懸掛具有優(yōu)勢。如川藏鐵路雅安—林芝段新建正線長度1 008.41 km，全線新建隧道72 座（851 km），占線路總長度的84.4%。另外，對既有低凈空隧道的改造，在不易改變隧道凈空和斷面的情況下，剛性接觸網(wǎng)同樣具有優(yōu)勢。

4.2 缺點

（1）固定安裝點多，施工周期較長。剛性架空接觸網(wǎng)在狹小的隧道斷面內(nèi)施工，作業(yè)面受限，且存在頻繁的不同專業(yè)交叉施工及較多的固定安裝點，作業(yè)效率低于柔性架空接觸網(wǎng)。以國內(nèi)某工程為例，1 個錨段1 400 m 隧道內(nèi)，柔性接觸網(wǎng)1天裝完約需205 人；2 個錨段1 000 m 隧道內(nèi)剛性接觸網(wǎng)，1 天裝完約需344 人。

（2）施工安裝精度高。剛性接觸網(wǎng)誤差控制要求更高，施工質(zhì)量和誤差控制對剛性接觸網(wǎng)影響明顯。

（3）氣動效應(yīng)加大。采用剛性懸掛接觸網(wǎng)，現(xiàn)有200 km/h 隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面所規(guī)定的隧道凈空面積將進一步減小，動車組在通過單線隧道及在雙線隧道交會時，空氣動力學(xué)效應(yīng)進一步加大，引發(fā)列車及隧道氣動效應(yīng)加強。

5 結(jié)語

對隧道較多的新建鐵路，如隧道占比達(dá)84%的川藏鐵路，在選擇接觸懸掛類型時，從技術(shù)可實現(xiàn)性、建設(shè)成本和運行安全等角度考量，采用剛性接觸網(wǎng)具有較明顯的優(yōu)勢。同時，對既有線路隧道提速改造，采用剛性懸掛也有不可比擬的優(yōu)勢。

目前，國內(nèi)外暫無200 km/h 及以上鐵路隧道剛性懸掛的大規(guī)模應(yīng)用，對于長大干線200 km/h高速剛性架空接觸網(wǎng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、裝置設(shè)備、施工安裝、產(chǎn)品研制、環(huán)境適應(yīng)性、工程應(yīng)用等方面，仍缺乏完整的、系統(tǒng)化的資料及大量的實際運營經(jīng)驗，還需進一步的研究和現(xiàn)場掛網(wǎng)測試。