關(guān)金發(fā) 吳積欽 方 巖

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 四川 成都 610031)

?

剛性接觸網(wǎng)的研究綜述及展望

關(guān)金發(fā) 吳積欽 方 巖

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 四川 成都 610031)

剛性接觸網(wǎng)以其接觸線無(wú)張力、零部件少、凈空要求低、維修量小等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地鐵隧道內(nèi)。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外剛性接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)使用的剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為單一，剛性接觸網(wǎng)的系統(tǒng)性和完備性的標(biāo)準(zhǔn)體系有待進(jìn)一步建立。剛性接觸網(wǎng)在使用過(guò)程中出現(xiàn)多為與時(shí)間相關(guān)的故障，其動(dòng)力仿真和測(cè)試得到的弓網(wǎng)動(dòng)力性能數(shù)據(jù)尚需進(jìn)一步確認(rèn)其有效性。從結(jié)構(gòu)、故障、標(biāo)準(zhǔn)、仿真和測(cè)試5個(gè)方面歸納和總結(jié)剛性接觸網(wǎng)的研究現(xiàn)狀，對(duì)剛性接觸網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展給出一些建議。 關(guān)鍵詞 城市軌道交通；剛性接觸網(wǎng)；結(jié)構(gòu)；維修；標(biāo)準(zhǔn)；仿真；測(cè)試

剛性接觸網(wǎng)在隧道內(nèi)相對(duì)柔性接觸網(wǎng)具有一定優(yōu)勢(shì)，其接觸線無(wú)張力，不用設(shè)置下錨裝置，不會(huì)發(fā)生斷線事故，具有零部件少，載流量大，安全可靠，維修工作量小等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于地鐵隧道內(nèi)[1]。自2002年廣州地鐵2號(hào)線剛性接觸網(wǎng)試掛成功后，剛性接觸網(wǎng)逐步替代柔性接觸網(wǎng)，成為城市軌道交通隧道內(nèi)架空接觸網(wǎng)的主要形式。上海地鐵6、8、9、10、11號(hào)線，廣州地鐵2、3號(hào)線，南京地鐵1號(hào)線，成都地鐵1、2號(hào)線，北京地鐵14號(hào)線等工程均采用剛性接觸網(wǎng)[2]。在干線鐵路中，石懷線電氣化擴(kuò)能工程、新建蘭武二線烏鞘嶺隧道等剛性接觸網(wǎng)均得到良好的應(yīng)用[3]。

目前，剛性接觸網(wǎng)的最高試驗(yàn)速度是在奧地利的維也納至林茨鐵城際鐵路，其隧道內(nèi)使用Furrer+Frey公司生產(chǎn)的AC 15 kV剛性接觸網(wǎng)，2014年11月17日在DB公司的ICE-S測(cè)試列車上進(jìn)行弓網(wǎng)接觸力測(cè)試，試驗(yàn)過(guò)程的最高速度為302 km/h[4]。

隨著城市軌道交通的發(fā)展，電氣化列車的運(yùn)行速度的提高，隨之產(chǎn)生的問(wèn)題是速度更快的受電弓是否適應(yīng)當(dāng)前的剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)使用剛性接觸網(wǎng)的最高運(yùn)行速度為120 km/h，還有較大的提速空間，為研制160 km/h及以上的受電弓與剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)，有必要對(duì)剛性接觸網(wǎng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納與總結(jié)，做好前期準(zhǔn)備。筆者從結(jié)構(gòu)、故障、標(biāo)準(zhǔn)、仿真和測(cè)試5個(gè)方面歸納和總結(jié)剛性接觸網(wǎng)的研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，對(duì)剛性接觸網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展給出一些建議。

1 結(jié)構(gòu)類型

雖然剛性接觸網(wǎng)零部件類型比柔性接觸網(wǎng)少，但結(jié)構(gòu)類型比柔性接觸網(wǎng)豐富，主要包括剛性匯流排結(jié)構(gòu)、懸掛結(jié)構(gòu)、定位結(jié)構(gòu)、錨段關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)、剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)、道岔上方接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)、中心錨結(jié)結(jié)構(gòu)等。錨段關(guān)節(jié)存在兩種形式，剛?cè)徇^(guò)渡也存在兩種形式。剛性接觸網(wǎng)的縱向結(jié)構(gòu)包括錨段、錨段關(guān)節(jié)、剛?cè)徇^(guò)渡，見(jiàn)圖1。錨段關(guān)節(jié)、剛?cè)徇^(guò)渡均是剛性接觸網(wǎng)不可缺少的結(jié)構(gòu)，如何選擇與優(yōu)化這兩種結(jié)構(gòu)是剛性接觸網(wǎng)研究的重點(diǎn)之一。

圖1 剛性接觸網(wǎng)縱向結(jié)構(gòu)示意

1.1 匯流排結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)均使用π型匯流排，匯流排長(zhǎng)度一般為8～12 m，匯流排之間利用中間接頭相接，若是斷口式錨段關(guān)節(jié)有匯流排終端。

國(guó)外剛性接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式較多，日本多使用T型匯流排，歐洲多使用π型匯流排，西班牙近年來(lái)使用Y型匯流排。

Mandai等[5]提出一種T型匯流排及其參數(shù)，見(jiàn)圖2。James[6]提出一種利用側(cè)面夾板與T型匯流排夾持接觸線的剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖3。

圖2 日本夾片式T型匯流排

圖3 單夾板式T型匯流排

圖4 單軌夾持式T型匯流排

高鳴[7]的研究表明原有夾片式T型匯流排存在缺陷(見(jiàn)圖2)，具體為：夾板與接觸線、T型匯流排之間存在間隙，隨時(shí)間氧化腐蝕，接觸電阻逐步增大，載流功能逐步降低，提出一種新型夾持式T型匯流排替代原有夾片式T型匯流排，見(jiàn)圖4。

Gunter[8]、Furrer[9]設(shè)計(jì)了π型匯流排結(jié)構(gòu)，并給出了相關(guān)參數(shù)，見(jiàn)圖5、6。Oya等[10]為研究速度更高的剛性接觸網(wǎng)，提出了一種π型匯流排替代原有T型匯流排，見(jiàn)圖7。TB/T3252[11]是中國(guó)有關(guān)匯流排的標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)π型匯流排及其參數(shù)有詳細(xì)要求。

圖5 西門子匯流排

圖6 FF公司匯流排

曼紐爾.梅莉斯.梅納[12]，設(shè)計(jì)了一種運(yùn)行速度超110 km/h的新型匯流排，Y型截面，該匯流排的垂向截面慣性矩是π型匯流排的近兩倍，其余參數(shù)與π型匯流排相當(dāng)，其安裝方式見(jiàn)圖8，該型號(hào)匯流排未來(lái)將在西班牙地鐵中應(yīng)用。

現(xiàn)有π型匯流排是否能適應(yīng)更高的運(yùn)行速度，T型、Y型匯流排與π型匯流排相比，是否有替代的可能性值得進(jìn)一步探討。

圖7 日本π型匯流排

圖8 Y型匯流排

1.2 懸掛結(jié)構(gòu)

匯流排的跨距一般為6～10 m，每跨使用2個(gè)懸掛結(jié)構(gòu)將匯流排垂向固定。城市軌道交通剛性接觸網(wǎng)使用的懸掛結(jié)構(gòu)多為門式結(jié)構(gòu)，剛?cè)徇^(guò)渡區(qū)段也有使用腕臂式結(jié)構(gòu)的，干線鐵路則多為腕臂式結(jié)構(gòu)。

Furrer+Frey[13]設(shè)計(jì)的剛性接觸網(wǎng)能適用于直流、交流供電，隧道內(nèi)、外運(yùn)行，且經(jīng)電氣、機(jī)械測(cè)試，實(shí)際的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)論證了剛性接觸網(wǎng)在速度達(dá)250 km/h以下都能可靠運(yùn)行，文獻(xiàn)中介紹了剛性接觸網(wǎng)的零部件組成及安裝工藝，其剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)，一般采用腕臂式，見(jiàn)圖9。盧光霖[14]給出了中國(guó)使用較多的接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)，由定位線夾、絕緣子、懸吊槽鋼、T型頭螺栓、懸吊安裝底座等組成，外形類似于門形，見(jiàn)圖10。

圖 9 FF公司的腕臂式懸掛結(jié)構(gòu)

圖10 門式懸掛結(jié)構(gòu)

比較兩種懸掛結(jié)構(gòu)后得出，門式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝便捷，凈空要求可以較低，但其彈性不如腕臂式，對(duì)于設(shè)計(jì)更高速度等級(jí)的剛性接觸網(wǎng)，需充分比較兩種懸掛結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與動(dòng)力性能。

1.3 定位結(jié)構(gòu)

定位結(jié)構(gòu)是連接匯流排與懸掛結(jié)構(gòu)的零部件，其結(jié)構(gòu)形式有多種。

Fernandez[15]給出了一種剛性接觸網(wǎng)的腕臂式的定位線夾(見(jiàn)圖11)，通過(guò)三塊夾板將匯流排鎖著，定位線夾為匯流排提供垂向固定，匯流排仍具有順線路伸縮的自由度。Siemens[16]在剛性定位線夾內(nèi)部增加彈簧片從而增加定位線夾彈性(見(jiàn)圖12)，但匯流排僅有垂直向上的彈性力，垂直向下被夾板擋住。Ohura[17]提出了一種垂向上下拉壓的彈簧式定位線夾(見(jiàn)圖13)。陳吉?jiǎng)俒18]在定位線夾處增加彈簧(見(jiàn)圖14)，定位結(jié)構(gòu)中彈簧提供垂直向下的彈簧力，而垂直向上被絕緣子擋住。

圖11 剛性定位結(jié)構(gòu)

圖12 彈簧片式定位結(jié)構(gòu)

圖13 垂向彈簧定位結(jié)構(gòu)

圖14 單向彈簧定位結(jié)構(gòu)

帶彈簧的定位結(jié)構(gòu)為剛性接觸網(wǎng)提供一定的垂向緩沖余量，增加剛性接觸網(wǎng)的柔性，對(duì)于設(shè)計(jì)更高速度等級(jí)的剛性接觸網(wǎng)，定位結(jié)構(gòu)的剛度值選取尤為重要。

1.4 錨段關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

錨段關(guān)節(jié)是兩個(gè)錨段過(guò)渡的特殊區(qū)域，其結(jié)構(gòu)對(duì)剛性接觸網(wǎng)的動(dòng)力性能影響較大。

Chover Alvarez-Monteserín[19]對(duì)不同剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)仿真，其中包括錨段關(guān)節(jié)，剛?cè)徇^(guò)渡，錨段關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖15。宋曄宏[20]提出了一種接觸線過(guò)渡的膨脹接頭元件，見(jiàn)圖16。

圖15 斷口式錨段關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

圖16 貫通式錨段關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

斷口式錨段關(guān)節(jié)的兩個(gè)錨段機(jī)械上是獨(dú)立分開(kāi)的，通過(guò)匯流排終端過(guò)渡。貫通式錨段關(guān)節(jié)的兩個(gè)錨段在機(jī)械上是相連的，通過(guò)膨脹結(jié)構(gòu)元件過(guò)渡。

黃德亮等[21]詳細(xì)介紹了中國(guó)架空剛性接觸網(wǎng)的發(fā)展歷程及在應(yīng)用過(guò)程中的一些技術(shù)問(wèn)題，文獻(xiàn)中提及時(shí)速120 km的架空剛性接觸網(wǎng)，討論了貫通式和斷口式錨段關(guān)節(jié)的技術(shù)特點(diǎn)。

1.5 剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)

剛?cè)徇^(guò)渡是連接柔性接觸網(wǎng)和剛性接觸網(wǎng)的特殊區(qū)域，一般通過(guò)剛?cè)徇^(guò)渡的運(yùn)行速度均較低。

剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)存在兩種方式。Furrer提出了一種貫通式剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)，柔性接觸網(wǎng)的接觸線直接通過(guò)切槽式匯流排嵌入到剛性接觸網(wǎng)匯流排當(dāng)中，見(jiàn)圖17。白向峰[22]研究了關(guān)節(jié)式剛?cè)徇^(guò)渡的施工技術(shù)，給出了如圖18的工程實(shí)施圖。其中，柔性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)不變，剛性接觸網(wǎng)利用切槽式匯流排與剛性接觸網(wǎng)匯流排相連，兩支接觸懸掛通過(guò)錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡。

圖17 貫通式剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)

圖18 關(guān)節(jié)式剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)

T.Kobayashi[23]通過(guò)研究原有錨段關(guān)節(jié)式剛?cè)徇^(guò)渡，發(fā)現(xiàn)存在兩種結(jié)構(gòu)形式，柔性接觸網(wǎng)接觸線在隧道內(nèi)下錨、柔性接觸網(wǎng)在隧道外下錨(見(jiàn)圖19)，兩種方式均不能滿足更高速度的弓網(wǎng)動(dòng)力性能，需設(shè)計(jì)一種新型錨段關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，在柔性接觸網(wǎng)處增加剛性匯流排或采用貫通式剛?cè)徇^(guò)渡方案(見(jiàn)圖20)，通過(guò)跑車試驗(yàn)，論證了新結(jié)構(gòu)的運(yùn)行性能可達(dá)130 km/h。

圖19 錨段關(guān)節(jié)式剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)

圖20 改造后剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)

為保證受電弓能順利通過(guò)柔性接觸網(wǎng)與剛性接觸網(wǎng)而不降低運(yùn)行速度，需設(shè)計(jì)滿足更高速度等級(jí)的剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)，比較既有兩種過(guò)渡方式，合理調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)。

剛性接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)種類較多，尚未見(jiàn)有關(guān)不同結(jié)構(gòu)之間的系統(tǒng)性動(dòng)力性能對(duì)比，對(duì)于如何確定剛性接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)缺少有力的論證。

2 故障與維修

剛性懸掛在運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)了若干問(wèn)題，包括：匯流排中間接頭連接板螺紋滑牙、接觸線脫槽、弓網(wǎng)燃弧、絕緣子松動(dòng)、中間接頭螺紋滑牙、接觸線磨耗嚴(yán)重、T頭螺栓偏轉(zhuǎn)、受電弓集中磨耗[24-26]等。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究減小接觸線、滑板磨耗的文獻(xiàn)較多。王浩[27]通過(guò)調(diào)整平面布置，將一個(gè)正弦波的錨段布置變成半個(gè)正弦波，可減少弓網(wǎng)磨耗。楊嘯勇[28]針對(duì)剛性接觸網(wǎng)部分區(qū)段弓網(wǎng)磨耗的嚴(yán)重問(wèn)題，提出了利用彈性絕緣子改進(jìn)弓網(wǎng)動(dòng)力性能的措施，但論文并未就彈性剛度的取值作深入討論。Mandai論證了剛性接觸網(wǎng)接觸線不均勻磨耗對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)力性能影響較大，且波浪形磨耗會(huì)加快磨耗速度，為減少接觸線磨耗，提出一種接觸線打磨裝置，可以使得接觸線的磨耗基本均勻，使弓網(wǎng)接觸面平順。龐波[29]結(jié)合列車運(yùn)行速度，提出在低速區(qū)減小最大拉出值，增大錨段正弦波布置周期，在高速區(qū)采用增大拉出值、減小錨段正弦波布置周期的方式解決了受電弓碳滑板磨耗不均勻的問(wèn)題。

剛性接觸網(wǎng)接觸線磨耗是運(yùn)維過(guò)程集中反映的問(wèn)題，其中在車間出站加速區(qū)域尤為明顯，表現(xiàn)為如圖21的波浪形狀。

圖21 剛性接觸網(wǎng)接觸線波浪形磨耗

剛性接觸網(wǎng)的故障特點(diǎn)與柔性接觸網(wǎng)有所區(qū)別，大多數(shù)故障表現(xiàn)為與時(shí)間相關(guān)，零部件的壽命下降，接觸線的磨耗較嚴(yán)重，更換周期為3～5年。

3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)剛性接觸網(wǎng)的條款較少，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中指標(biāo)存在一定差別，以下對(duì)受電弓與剛性接觸網(wǎng)及其相互作用的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一些歸納與比較。

歐洲鐵路技術(shù)規(guī)范中有關(guān)城軌弓網(wǎng)系統(tǒng)主要體現(xiàn)在DC1.5 kV的接觸網(wǎng)規(guī)定中，如：EN50206-2[30]是有關(guān)城軌受電弓的技術(shù)要求；EN50367[31]和TSI2011/274/EU中對(duì)不同電壓制式進(jìn)行分類，并指出弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力性能指標(biāo)應(yīng)遵循的標(biāo)準(zhǔn)范圍。但EN50119[32]及其他相關(guān)歐標(biāo)并未針對(duì)城市軌道交通架空接觸網(wǎng)進(jìn)行單獨(dú)說(shuō)明。UIC794[33]、UIC799[34]就直流弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行規(guī)定，前者的速度范圍從0～250 km/h分4級(jí)，后者為160～250 km/h分3級(jí)。IEEE1629[35]是有關(guān)城軌直流架空接觸網(wǎng)的性能要求標(biāo)準(zhǔn)，比較全面地規(guī)定了受電弓、接觸網(wǎng)的技術(shù)要求以及規(guī)定了受電弓的各項(xiàng)試驗(yàn)，包括：型式試驗(yàn)、常規(guī)試驗(yàn)、故障試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、單項(xiàng)試驗(yàn)。

中國(guó)有關(guān)城市軌道交通剛性接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)GB/T 21561.2、GB 50157[36]、GB/T 7928[37]、GB/T 10411[38]、GB 50490[39]，GB/T 21561.2與EN50206-2的內(nèi)容一致。地鐵車輛通用技術(shù)條件中對(duì)于弓網(wǎng)系統(tǒng)的要求僅有“受流器或受電弓應(yīng)受流狀態(tài)良好，受流時(shí)對(duì)受流器或供電設(shè)備均無(wú)損傷或異常磨耗，受電弓的接觸壓力為100～140 N”一條。地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中指出“本規(guī)定是為了保證列車運(yùn)行時(shí)，具有良好的弓網(wǎng)關(guān)系，以減少弓網(wǎng)的不均勻磨耗和燒蝕，避免接觸導(dǎo)線斷線”，說(shuō)明弓網(wǎng)關(guān)系必須要引起重視。

比較以上標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)：IEEE與歐標(biāo)的動(dòng)態(tài)接觸力范圍一致，當(dāng)運(yùn)行速度小于200 km/h時(shí)均為0～300 N，但UIC799為0～350 N。國(guó)內(nèi)外有關(guān)靜態(tài)接觸力范圍不一致，見(jiàn)表1。中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的靜態(tài)接觸力并未給出標(biāo)稱值，歐標(biāo)中給出90 N，但停車時(shí)變?yōu)?40 N，國(guó)際電工委員會(huì)針對(duì)不同的滑板寬度，靜態(tài)接觸力有所不同；中國(guó)城軌接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)坡度比國(guó)外的接觸網(wǎng)小，見(jiàn)表2。

表1 標(biāo)準(zhǔn)中要求的受電弓靜態(tài)抬升力 N

表2 標(biāo)準(zhǔn)中要求的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)坡度

既有剛性接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范尚未統(tǒng)一，標(biāo)準(zhǔn)體系尚未成熟，仍需進(jìn)一步加大剛性接觸網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化研究?？蓞⒖?xì)W洲高速鐵路弓網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系，形成系統(tǒng)性和完備性的受電弓與剛性接觸網(wǎng)技術(shù)系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為剛性接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維提供有力支撐。

4 動(dòng)力學(xué)仿真

對(duì)受電弓與剛性接觸網(wǎng)動(dòng)力學(xué)性能的研究主要集中在弓網(wǎng)建模、對(duì)既有弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析、最大運(yùn)行速度分析等方面，針對(duì)弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化較少。

Mak[40]從剛性接觸網(wǎng)的可維修性、可靠性和可用性，以及投資成本等方面說(shuō)明剛性接觸網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)仿真論證了受電弓與剛性接觸網(wǎng)的運(yùn)行速度能達(dá)130 km/h。Takemura[41]首先分析了T型剛性接觸網(wǎng)的特性，包括剛性接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)高、固有頻率、不平順，然后分析不同速度級(jí)別下受電弓通過(guò)不同跨距的剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)離線率，結(jié)果表明：選擇跨距為5 m、速度為90 km/h時(shí)弓網(wǎng)出現(xiàn)離線現(xiàn)象，建議使用7 m跨距，速度在80～160 km/h內(nèi)無(wú)離線現(xiàn)象。江洪澤[42]建立了剛性接觸網(wǎng)不離線受流約束模型，但該模型應(yīng)用的前提是弓網(wǎng)離線率低，運(yùn)行速度在80 km/h以下。原華等[43]分析了中間接頭及錨段關(guān)節(jié)的弓網(wǎng)動(dòng)力響應(yīng)。王世軒[44]利用模態(tài)疊加法建立了剛性接觸網(wǎng)的動(dòng)力模型，研究錨段關(guān)節(jié)、剛?cè)徇^(guò)渡對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)力性能影響，得出受電弓速度在120 km/h以下時(shí)，使用2質(zhì)點(diǎn)系模型就能滿足計(jì)算需求。梅桂明[45]利用假設(shè)模態(tài)法建立剛性接觸網(wǎng)梁等效模型，受電弓采用質(zhì)點(diǎn)系模型，研究了弓網(wǎng)系統(tǒng)單因素變化的弓網(wǎng)動(dòng)力響應(yīng)，得出了剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化，設(shè)計(jì)速度應(yīng)低于160 km/h，坡度不宜超過(guò)0.2%，不平順波長(zhǎng)不宜小于3 m等結(jié)論。較多學(xué)者建立了弓網(wǎng)有限元模型，研究懸掛結(jié)構(gòu)質(zhì)量、運(yùn)行速度、跨距、匯流排坡度、弓網(wǎng)接觸剛度、受電弓弓頭質(zhì)量等單因素變化的弓網(wǎng)動(dòng)力響應(yīng)。Vera等[46]建立了受電弓與剛性接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真模型，受電弓利用SIMPACK建立剛體模型，剛性接觸網(wǎng)利用有限元軟件建立柔性體模型，通過(guò)改變仿真參數(shù)，優(yōu)化弓網(wǎng)動(dòng)力性能，設(shè)計(jì)出Y型截面剛性懸掛，并最終通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確認(rèn)仿真模型，該新型懸掛的線路速度超過(guò)140 km/h。關(guān)金發(fā)等[47]建立了如圖22的受電弓與剛性接觸網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型。

圖22 受電弓與剛性接觸網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型

受電弓與剛性接觸網(wǎng)的動(dòng)力學(xué)仿真確認(rèn)是仿真應(yīng)用的前提條件，有必要進(jìn)一步通過(guò)歐標(biāo)EN50318的確認(rèn)方法，確認(rèn)仿真結(jié)果是可信賴的。

5 線路測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)線路測(cè)試是掌握剛性接觸網(wǎng)狀態(tài)的重要途徑。孫睿[48]針對(duì)廣州地鐵3號(hào)線速度為120 km/h的區(qū)間進(jìn)行了受電弓與剛性接觸網(wǎng)的動(dòng)力性能測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括弓網(wǎng)接觸力、弓頭框架的振動(dòng)、滑板的溫升等情況，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖23。錢世勇等[49]針對(duì)成都地鐵1號(hào)線速度為90 km/h的區(qū)間進(jìn)行了受電弓與剛性接觸網(wǎng)的動(dòng)力性能測(cè)試，測(cè)試的項(xiàng)目有滑板的高度、弓網(wǎng)接觸力、弓頭加速度、弓網(wǎng)燃弧，得出：弓頭劇烈振動(dòng)導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸力動(dòng)態(tài)范圍變大，引起受電弓部件及支持絕緣子疲勞，加劇剛性接觸網(wǎng)的波形磨耗，導(dǎo)致接觸線壽命縮短。李夢(mèng)和[50]提出剛性接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的參數(shù)及參數(shù)的測(cè)量原理，但并未給出測(cè)試結(jié)果。Huang[51]提出一套測(cè)試受電弓與剛性接觸網(wǎng)動(dòng)力性能的裝置，主要指標(biāo)是弓網(wǎng)離線率，可以適用于速度達(dá)130 km/h的弓網(wǎng)系統(tǒng)。

圖23 廣州地鐵3號(hào)線某區(qū)段接觸力測(cè)試結(jié)果

剛性接觸網(wǎng)動(dòng)力性能試驗(yàn)結(jié)果同樣也是需要經(jīng)過(guò)確認(rèn)的，應(yīng)符合EN50317的規(guī)范要求。

6 結(jié)論

剛性接觸網(wǎng)在結(jié)構(gòu)應(yīng)用、運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、動(dòng)力仿真和動(dòng)力測(cè)試等方面已有一定的研究，但尚未形成系統(tǒng)的理論和體系，各方面都有待進(jìn)一步完善，因此，未來(lái)剛性接觸網(wǎng)研究課重點(diǎn)解決以下問(wèn)題。

1) 既有剛性接觸網(wǎng)使用的結(jié)構(gòu)較為單一，為滿足不同線路條件和運(yùn)行速度的要求，剛性接觸網(wǎng)應(yīng)具有不同的結(jié)構(gòu)。針對(duì)速度等級(jí)更高的剛性接觸網(wǎng)，宜充分論證既有結(jié)構(gòu)的適用性，重點(diǎn)關(guān)注錨段關(guān)節(jié)和剛?cè)徇^(guò)渡區(qū)域，若不滿足弓網(wǎng)動(dòng)力性能要求，需調(diào)整既有結(jié)構(gòu)或研制新型結(jié)構(gòu)。

2) 結(jié)合弓網(wǎng)動(dòng)力仿真和測(cè)量手段，調(diào)整剛性接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，解決剛性接觸網(wǎng)的磨耗嚴(yán)重等問(wèn)題，提高零部件的使用壽命。建立故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)，將設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收資料歸檔到維修系統(tǒng)當(dāng)中,根據(jù)歸檔資料及日常維修過(guò)程，評(píng)估弓網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)，為弓網(wǎng)維修提供決策支持。

3) 剛性接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立。參照國(guó)鐵、歐洲、國(guó)際電工委員會(huì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于城軌接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、維修全壽命周期各階段提出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。重點(diǎn)研究受電弓與接觸網(wǎng)的接口要求，從電氣和機(jī)械兩方面規(guī)范弓網(wǎng)接口，電氣性能要求分為載流量與絕緣性能,機(jī)械性能要求分為靜態(tài)幾何和動(dòng)態(tài)相互作用。

4) 完善受電弓與剛性接觸網(wǎng)的動(dòng)力仿真與測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)合EN50317和EN50318進(jìn)一步確認(rèn)仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的可信性，為剛性接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)與維修提供有力工具。

[1] 于新泉.接觸網(wǎng)剛性懸掛施工工藝[J].鐵路工程造價(jià)管理，2008，23(3)：27-31.

[2] 譚冬華.架空剛性接觸懸掛的特點(diǎn)及其維修[J].電氣化鐵道，2003(3)：36-38.

[3] 傅俊武.剛性與柔性接觸網(wǎng)若干功能差異及標(biāo)準(zhǔn)的探論[J].電氣化鐵道，2007(6)：41-42.

[4] RAILWAY GAZETTE.Rigid catenary speed record[EB/OL].[2014-11-29](2016-06-20).http://www.railwaygazette.com/news/infrastructure/single-view/view/rigid-catenary-speed-record.html.

[5] MANDAI T，HARADA S，SHIMIZU M.Improvement of rigid conductor lines[J].Quarterly report of RTRI，2003，44(2)：78-81.

[6] JAMES L.Rigid T-Rail conductor system：US，2013072642[P].2014-06-05.

[7] 高鳴.單軌跨座整體夾持式T形匯流排的研究設(shè)計(jì)[J].電氣化鐵道，2012，23(1)：38-40.

[8] GUNTER H.Current bar：EP，2255991B1[P].2014-03-19.

[9] FURRER B.Process and apparatus for coupling elastic and rigid contact line systems:EURO:EP0828629A1[P].1999-09-28 Google Patents，1999.

[10] OYA A，SHIMIZU M，MANDAI T.Application of overhead rigid conductor line to mountain tunnel of conventional lines[C].Industrial Technology，2005.ICIT 2005.IEEE International Conference on，City University of Hong Kong,Hong Kong China,2005：170-174.

[11] 電氣化鐵路接觸網(wǎng)匯流排：TB/T 3552[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2010.

[12] 曼紐爾.梅莉斯.梅納.用于剛性接觸網(wǎng)的分段絕緣器：200680042287.8[P].2011-08-17.

[13] Overhead conductor rail system[EB/OL].[2015-5-13](2016-06-20).http://www.furrerfrey.ch/en/systems/conductor_rail.html.

[14] 盧光霖.架空剛性懸掛接觸網(wǎng)的懸吊裝置：2683442Y[P].2005-03-09.

[15] FERNANDEZ G.Clamp for suspending a section of a rigid catenary：EP，2607148A2 [P].2013-06-26.

[16] Overhead conductor rail system sicat SR[EB/OL].[2015-6-11](2016-6-20).http://w3.siemens.com/smartgrid/global/en/products-systems-solutions/rail-electrification/contact-lines/conductor-rails-overhead-conductor-rail/pages/overhead-conductor-rail.aspx.

[17] OHURA Y.Means of stringing trolley wires：US，4230209[P].1980-10-28.

[18] 陳吉?jiǎng)?利用彈性線夾優(yōu)化剛性接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)性能[J].城市軌道交通研究，2014，17(8)：73-77.

[19] CHOVER J A，SUREZ ESTEBAN B，RODRGUEZ P.Simulation techniques for design of overhead conductor rail lines for speeds over 140 km/h[J].Manchester metropolitan university，2011.

[20] 宋曄宏.一種剛性接觸網(wǎng)膨脹接頭：101746281A[P].2010-01-30.

[21] 黃德亮，趙勤，李金華.城市軌道交通架空剛性懸掛技術(shù)的應(yīng)用與改進(jìn)[J].電氣化鐵道，2010(3)：28-30.

[22] 白向峰.接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)式剛?cè)徇^(guò)渡施工技術(shù)研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2016(2)：89-90.

[23] KOBAYASHI T.Transition structures between rigid conductor Line and catenary overhead contact line[C]//world congress on railway research,Seoul,Korea,Printed by UIC,2008:27-34.

[24] 胡舜.剛性接觸網(wǎng)在運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的問(wèn)題及處理方法[J].都市快軌交通，2013，26(3)：127-129.

[25] 駱志勇.剛性接觸網(wǎng)在運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方案[J].都市快軌交通，2006，19(4)：84-86.

[26] 江美.淺析剛性接觸網(wǎng)常見(jiàn)故障及防范措施[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2013(3)：72-74.

[27] 王浩.地鐵架空剛性接觸網(wǎng)“半波”布置研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(1)：34-34.

[28] 楊嘯勇.架空剛性懸掛彈性改進(jìn)方案研究[J].電氣化鐵道，2009(4)：34-35.

[29] 龐波.剛性接觸網(wǎng)布置方式與受電弓磨耗分析[J].電氣化鐵道，2009(3)：23-26.

[30] Railway application-rolling stock-Pantograph：Characteristics and tests Part 2：pantographs for metros and light rail vehicles：EN 50206-2[S].European Committee for Electrotechnical standardization.Cenelec Print，2010:5-23.

[31] Railway applications-current collection systems-technical criteria for the interaction between pantograph and overhead line (to achieve free access)：EN 50367-2006[S].European Committee for Electrotechnical standardization.Cenelec Print，2006:5-32.[32] Railway applications-Fixed installations-Electric traction overhead contact lines：EN 50119[S].European Committee for Electrotechnical standardization.Cenelec Print，2009:6-16.

[33] Pantograph/ overhead line interaction for DC-electrified railway lines:UIC 794-1OR[S].Printed by the international union of railways,2001:1-12.

[34] Characteristics of direct-current overhead contact systems for lines worked at speeds of over 160 km/h and up to 250 km/h:UIC 799-1OR[S].Printed by the international union of railways,2000:1-20.

[35] IEEE Standard for performance of DC overhead current collectors for rail transit vehicles:IEEE 1629[S].Printed by the institute of electrical and electronics engineers,2013:1-43.

[36] 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50157—2013[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014:140-154.

[37] 地鐵車輛通用技術(shù)條件：GB/T 7928[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003:1-31.

[38] 城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)：GB/T 10411[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005:1-9.

[39] 城市軌道交通技術(shù)規(guī)范：GB 50490[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009:1-26.

[40] MAK M K.Adoption of overhead rigid conductor rail system in MTR Extensions[J].Journal of international council on electrical engineering，2012，2(4)：463-466.

[41] TAKEMURA T，F(xiàn)UJII Y，SHIMIZU M.Characteristics of overhead rigid conductor line having T-type cross section[C].Developments in Mass Transit Systems，1998.International Conference on (Conf.Publ.No.453),Printed by IET.London,UK,1998：173-177.

[42] 江洪澤.城市軌道交通剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)受流理論探析[J].都市快軌交通，2010，23(4)：54-58.

[43] 原華，張慶賀，畢繼紅.剛性接觸網(wǎng)特殊部位處受流質(zhì)量的分析[J].低溫建筑技術(shù)，2008，30(2)：58-60.

[44] 王世軒.城市軌道交通弓網(wǎng)建模方法適用性研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.

[45] 梅桂明.受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[46] VERA C，PAULIN J，SUREZ ESTEBAN B.Improved design of an overhead rail current conductor for application in underground lines[J].Structures & Earthworks,London,U.K.,29-30 June,2005.[47] 關(guān)金發(fā)，吳積欽.受電弓與剛性接觸網(wǎng)動(dòng)力耦合方程的數(shù)值解[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，13(2)：362-368.

[48] 孫睿.剛性接觸網(wǎng)環(huán)境下的弓網(wǎng)性能試驗(yàn)[J].城市軌道交通研究，2011，14(4)：64-68.

[49] 錢世勇，陳珍寶，陳明國(guó).地鐵弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究及分析[J].科協(xié)論壇，2012(5)：26-27.

[50] 李夢(mèng)和.剛性接觸網(wǎng)參數(shù)檢測(cè)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2005.

[51] HUANG H-H，CHEN T-H.Development of method for assessing the current collection performance of the overhead conductor rail systems used in electric railways[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F：Journal of Rail and Rapid Transit，2008，222(2)：159-168.

(編輯：郝京紅)

Review and Prospect of Research on Overhead Conductor Rail

Guan Jinfa Wu Jiqin Fang Yan

(Department of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031)

Overhead conductor rail is widely used in subway tunnel with its lots of advantages such as tension-free contact wire, fewer parts, low headroom requirements and less maintenance work, etc. The authors studied the structure of conductor rail at home and abroad.It is found that the domestic use of conductor rail is lack of diversity, and that the systematic and complete standard system needs to be established. There are many time-related failures during the operation. The data obtained from simulation and test between pantograph and overhead conductor rail need further confirmation on their validity. From 5 aspects including the structure, failure, standard, simulation and test, the research status of rigid contact network is summarized. Some suggestions for the future development of the rigid contact network are given.

unbar rail transit; overhead conductor rail; structure; maintenance; standard; simulation; test

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.06.008

2016-06-24

2016-08-17

關(guān)金發(fā)，男，工學(xué)博士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)殍F路弓網(wǎng)動(dòng)力行為,kwanjinfa@163.com

中央高?？萍紕?chuàng)新項(xiàng)目(2682013CX018)

U225

A

1672-6073(2016)06-0037-07