李鯤鵬，黃德亮，關(guān)金發(fā)，陳偉杰，馮 超，陳吉?jiǎng)?/p>

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集電靴與接觸軌集電系統(tǒng)研究綜述

李鯤鵬1, 3, 4，黃德亮2，關(guān)金發(fā)1，陳偉杰2，馮 超3, 4，陳吉?jiǎng)?, 4

（1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031；2. 廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510000；3. 廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510000；4. 城市軌道交通系統(tǒng)安全與運(yùn)維保障國家工程實(shí)驗(yàn)室，廣州 510000）

闡述集電靴與接觸軌的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、運(yùn)行現(xiàn)狀和標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，以及集電靴、接觸軌和靴軌接口的測(cè)試與仿真技術(shù)，并展望集電靴與接觸軌集電系統(tǒng)的發(fā)展方向?，F(xiàn)有集電靴種類較多，尚未形成通用的力學(xué)模型，需進(jìn)一步構(gòu)建集電靴動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)臺(tái)獲取其關(guān)鍵力學(xué)參數(shù)。集電靴與接觸軌的動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置尚需進(jìn)一步標(biāo)定，以確保測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。集電靴與接觸軌的動(dòng)態(tài)仿真尚需實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證其有效性。集電靴與接觸軌系統(tǒng)接口的標(biāo)準(zhǔn)尚需進(jìn)一步完善。

軌道交通；集電靴；接觸軌；結(jié)構(gòu)；仿真；測(cè)試；標(biāo)準(zhǔn)

接觸軌，又稱第三軌，是安裝于軌道旁地面上的供電裝置。集電靴，又稱受流器，是安裝于電氣列車轉(zhuǎn)向架上的取流裝置。集電靴與接觸軌集電系統(tǒng)，又稱靴軌系統(tǒng)，屬于最古老的電氣列車供電方式，是地鐵牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分。

1879年的柏林工業(yè)博覽會(huì)上，SIEMENS & HALSKE公司聯(lián)合開發(fā)并展出了使用集電靴與接觸軌集電系統(tǒng)的試驗(yàn)列車[1]。1890年開通的倫敦地鐵是世界第一條使用接觸軌供電的地鐵。19世紀(jì)90年代開始，接觸軌的供電方式被廣泛采用，當(dāng)時(shí)最高運(yùn)行速度達(dá)174 km/h[2]。早期的靴軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：文獻(xiàn)[3]提出的上接觸式靴軌系統(tǒng)如圖1所示，文獻(xiàn)[4]提出的下接觸式接觸軌系統(tǒng)如圖2所示，形成了當(dāng)代接觸軌系統(tǒng)的雛形。

圖1 上接觸式靴軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 下接觸式靴軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig. 2 Lower contact mode for the collector and rail system structure

1971年1月15日投入運(yùn)營的北京地鐵1號(hào)線是國內(nèi)首條應(yīng)用集電靴與接觸軌集電系統(tǒng)的線路。2004年7月28日投入運(yùn)營的武漢地鐵1號(hào)線是國內(nèi)首條應(yīng)用鋼鋁復(fù)合接觸軌的線路。2005年12月25日投入運(yùn)營的廣州地鐵4號(hào)線是國內(nèi)首條應(yīng)用DC1500V電壓等級(jí)接觸軌系統(tǒng)的線路。2013年12月29日投入運(yùn)營的上海地鐵16號(hào)線是國內(nèi)首條設(shè)計(jì)運(yùn)行速度達(dá)120 km/h的接觸軌線路。至今，第三軌系統(tǒng)在中國城市軌道交通的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

文獻(xiàn)[5]回顧了中國接觸軌技術(shù)從1965年至2004年的發(fā)展歷程，但尚未涉及集電靴、靴軌接口方面的研究綜述，不夠完整，且從2004年至今，集電靴與接觸軌系統(tǒng)技術(shù)有了較大的發(fā)展。另外，隨著我國城軌建設(shè)規(guī)模越來越大，既有靴軌系統(tǒng)的使用一般速度限制在120 km/h以下，顯然已滿足不了長線路區(qū)間的要求，研制速度160 km/h及以上的靴軌系統(tǒng)勢(shì)在必行。從集電靴與接觸軌的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行現(xiàn)狀、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、狀態(tài)參數(shù)測(cè)試技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理與歸納，對(duì)研究速度更高的靴軌系統(tǒng)提出了一些有益建議。

1 集電靴研究現(xiàn)狀

集電靴的結(jié)構(gòu)形式多樣，從靴軌接觸方向分類，有上接觸式、下接觸式、側(cè)部接觸式集電靴，其通用結(jié)構(gòu)為滑板及托架、擺臂、驅(qū)動(dòng)彈簧、絕緣支架、取流電纜和熔斷器，其中絕緣支架的作用是使轉(zhuǎn)向架與第三軌電氣絕緣，其絕緣距離應(yīng)與第三軌的電壓等級(jí)一致。集電靴在使用中具有3種空間姿態(tài)，分別為脫靴位置、工作位置和止動(dòng)位置。脫靴位置的集電靴處于不工作狀態(tài)。當(dāng)集電靴處于工作狀態(tài)時(shí)，若與接觸軌接觸時(shí)為工作位置，若離開接觸軌處于斷軌區(qū)時(shí)為止動(dòng)位置。集電靴的結(jié)構(gòu)雖然多種，但按照驅(qū)動(dòng)方式分類，一般分為2種，文獻(xiàn)[6]提出的一種扭轉(zhuǎn)彈簧驅(qū)動(dòng)的集電靴（見圖3）和文獻(xiàn)[7]提出的一種拉伸彈簧驅(qū)動(dòng)的集電靴（見圖4），兩種驅(qū)動(dòng)方式均為擺臂提供一定的扭矩，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為靴軌接觸點(diǎn)的接觸力。

圖3 扭轉(zhuǎn)彈簧驅(qū)動(dòng)式集電靴

圖4 拉伸彈簧驅(qū)動(dòng)式集電靴

集電靴的靜動(dòng)力學(xué)性能對(duì)于靴軌系統(tǒng)相互作用十分重要，需通過測(cè)試或計(jì)算機(jī)仿真分析其力學(xué)模型。文獻(xiàn)[8]在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量了某型集電靴的力學(xué)性能參數(shù)，如：扭轉(zhuǎn)彈簧剛度和阻尼，為集電靴的設(shè)計(jì)與維修提供數(shù)據(jù)資料。文獻(xiàn)[9]從靜力學(xué)角度分析了廣州地鐵4號(hào)線用集電靴的運(yùn)行軌跡與地鐵建筑設(shè)備限界的關(guān)系。文獻(xiàn)[10-11]研究了集電靴試驗(yàn)臺(tái)，主要功能為測(cè)試集電靴輸出的接觸力與集電靴運(yùn)行高度的關(guān)系，以及標(biāo)定集電靴的3種空間姿態(tài)。總的來說，集電靴的靜動(dòng)力學(xué)研究已有一定進(jìn)展，但至今尚沒有一個(gè)集電靴的通用力學(xué)模型，或一系列能表征集電靴動(dòng)力學(xué)性能的指標(biāo)。

集電靴在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)燒傷、拉弧和主電路熔斷器故障等問題[12-14]。為減小集電靴發(fā)生的故障，可利用集電靴的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集集電靴的電流信息和熔斷器的電壓信息，判斷集電靴的運(yùn)行狀態(tài)[15]。

2 接觸軌研究現(xiàn)狀

自接觸軌被應(yīng)用于牽引供電系統(tǒng)，其主要的發(fā)展在于零部件材料上。接觸軌的固定支架和底座由傳統(tǒng)的木材變?yōu)椴Ａт摬牧?。絕緣子由傳統(tǒng)的瓷瓶變?yōu)閺?fù)合材料。接觸軌由傳統(tǒng)的低碳鋼變?yōu)殇撲X復(fù)合材料。本章節(jié)對(duì)接觸軌系統(tǒng)關(guān)鍵構(gòu)件的研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，并重點(diǎn)介紹了用于評(píng)估接觸軌系統(tǒng)狀態(tài)的一些測(cè)量技術(shù)。

2.1 接觸軌的結(jié)構(gòu)

接觸軌由導(dǎo)電軌本體、膨脹接頭、端部彎頭、普通接頭、絕緣支架、保護(hù)罩、絕緣子等結(jié)構(gòu)組成。

鋼鋁復(fù)合接觸軌以其重量較輕、電能損耗小、變電所數(shù)量減少等優(yōu)勢(shì)，在新建地鐵線路中被廣泛地應(yīng)用。文獻(xiàn)[16-18]中介紹了鋼鋁復(fù)合接觸軌的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用。

文獻(xiàn)[19]發(fā)明了一種鋼帶嵌入鋁軌的復(fù)合接觸軌，如圖5(a)所示。文獻(xiàn)[20]發(fā)明了一種鋼帶包圍鋁軌的復(fù)合接觸軌，如圖5(b)所示。兩種鋼鋁復(fù)合軌在地鐵建設(shè)中均有應(yīng)用，我國一般采用圖5(a)所示的接觸軌。

接觸軌有3種安裝方式，分別為上部接觸、下部接觸和側(cè)部接觸。上部接觸為較老式線路使用，現(xiàn)代一般設(shè)計(jì)為下部接觸，側(cè)部接觸則多用于單軌列車或磁懸浮列車的集電系統(tǒng)。

接觸軌供電方式與架空接觸網(wǎng)最大的區(qū)別是接觸軌有斷軌結(jié)構(gòu)。集電靴脫離接觸軌進(jìn)入斷軌區(qū)域時(shí)集電靴帶電切斷負(fù)載，產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象。集電靴從斷軌區(qū)域進(jìn)入接觸軌時(shí)，集電靴通過帶有一定斜率的端部彎頭過渡到平直軌面，此時(shí)容易產(chǎn)生較大的水平和垂直沖擊力。文獻(xiàn)[21-22]闡述了DC1500V第三軌供電的設(shè)計(jì)原則、跨距布置、端部彎頭等幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[23]介紹了上海16號(hào)線120 km/h接觸軌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工過程，重點(diǎn)討論了接觸軌斷軌處端部彎頭的受流效果。文獻(xiàn)[24]介紹了廣州地鐵接觸軌端部彎頭的技術(shù)參數(shù)、結(jié)構(gòu)組成和維護(hù)要點(diǎn)。文獻(xiàn)[25]提出了不同速度等級(jí)端部彎頭斜率的選取，如表1所示，可以看出速度越高，端部彎頭的斜率越小。文獻(xiàn)[26-27]討論了接觸軌的斷軌間距與接觸軌平面布置、車輛集電靴布置的關(guān)系。

圖5 鋼鋁復(fù)合軌截面

表1 端部彎頭的斜率選用

為補(bǔ)償接觸軌溫度變化帶來的伸縮，并使接觸軌連續(xù)過渡，需要使用一種連接結(jié)構(gòu)——膨脹接頭。膨脹接頭有2種類型，分別為有伸縮縫式和無伸縮縫式，如圖6、圖7所示。有伸縮縫式膨脹接頭中間留有伸縮縫，膨脹接頭通過側(cè)部或內(nèi)部的連接板將兩端工作的接觸軌連接，連接板中間可安裝滑動(dòng)板，也可無滑動(dòng)板?；瑒?dòng)板增加了有伸縮縫式膨脹接頭的補(bǔ)償范圍。現(xiàn)有工程使用的膨脹接頭一般為有伸縮縫式的膨脹接頭。有伸縮縫式膨脹接頭有多種形式，文獻(xiàn)[28-30]分別給出了3種有伸縮縫式的膨脹接頭結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于滑動(dòng)機(jī)構(gòu)和電連接方式。為消除縫隙帶來的軌道不連續(xù)，文獻(xiàn)[31]發(fā)明了一種無伸縮縫式的膨脹接頭，兩接觸軌擠壓接觸面滑塊可往外部移動(dòng)，完成接觸軌的伸縮，并保持接觸面滑塊和接觸軌的連接緊密。無伸縮縫式膨脹接頭尚未投入工程應(yīng)用，其效果有待實(shí)踐檢驗(yàn)。

圖6 接觸軌有伸縮縫式膨脹接頭

圖7 接觸軌無伸縮縫式膨脹接頭

相同靴軌結(jié)構(gòu)下，運(yùn)行速度越高，靴軌動(dòng)力響應(yīng)越明顯，尤其是集電靴高速進(jìn)入接觸軌端部彎頭時(shí)，對(duì)靴軌的沖擊較大。為緩和靴軌的動(dòng)力振動(dòng)，有研究者在接觸軌懸掛結(jié)構(gòu)上安裝了彈性結(jié)構(gòu)，減小了接觸軌的懸掛剛度。文獻(xiàn)[32]通過加裝端部彎頭的彈性結(jié)構(gòu)，如圖8所示，緩沖集電靴“觸軌”時(shí)對(duì)端部彎頭的沖擊力，改善了列車通過斷口時(shí)集電靴與端部彎頭間的沖擊作用和拉弧放電現(xiàn)象。文獻(xiàn)[33]公開了一種接觸軌彈性整體絕緣支架，與接觸軌配合的支架滑軌設(shè)置于軌道座內(nèi)側(cè)，所述的軌道座內(nèi)側(cè)于支架滑軌的下方設(shè)置有彈性元件，如圖9所示。

圖8 接觸軌端部彎頭處的彈性元件

圖9 接觸軌支架滑軌處的彈性元件

接觸軌的靜動(dòng)力學(xué)性能對(duì)于靴軌系統(tǒng)相互作用十分重要。文獻(xiàn)[34]建立了第三軌系統(tǒng)的有限元模型，分析了不同錨段長度的固有頻率與模態(tài)，指出三軌系統(tǒng)與橋梁不會(huì)發(fā)生共振。

目前，中國的接觸軌系統(tǒng)使用DC 1 500 V電壓制式、鋼鋁復(fù)合接觸軌、絕緣支座、膨脹接頭等結(jié)構(gòu)已趨于同質(zhì)化，接觸軌的結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。有研究者通過減小懸掛剛度，改善運(yùn)行速度提高帶來的振動(dòng)，但懸掛剛度如何選取，優(yōu)化效果如何仍需進(jìn)一步通過實(shí)踐確認(rèn)。

2.2 接觸軌的幾何參數(shù)檢測(cè)技術(shù)

接觸軌幾何參數(shù)是評(píng)估接觸軌性能的重要參數(shù)，若接觸軌發(fā)生形變或表面出現(xiàn)凹凸不平，勢(shì)必影響靴軌的動(dòng)態(tài)受流。文獻(xiàn)[35-36]提供了一種城市軌道交通接觸軌檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法，主要由主機(jī)系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、車體偏移補(bǔ)償系統(tǒng)和定位系統(tǒng)構(gòu)成，該系統(tǒng)能進(jìn)行接觸軌的幾何參數(shù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)，包括：接觸軌中心到軌道中心的水平距離和接觸軌受流面到走行軌軌頂平面的垂直距離。文獻(xiàn)[37]提出了一種軌道交通接觸軌測(cè)量裝置及測(cè)量方法，包括測(cè)量基準(zhǔn)車架、圖像采集及處理系統(tǒng)，該裝置由單人推動(dòng)操作。文獻(xiàn)[38]中介紹了廣州地鐵與MerMec公司合作開發(fā)的綜合檢測(cè)車第三軌幾何參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)。

綜上所述，針對(duì)接觸軌幾何參數(shù)的測(cè)量技術(shù)和裝備已日趨完善。

3 靴軌系統(tǒng)相互作用研究現(xiàn)狀

靴軌系統(tǒng)通過集電靴上的滑板與接觸軌上的鋼帶在機(jī)械、電氣和材料3個(gè)方面相互作用進(jìn)行電能傳輸。靴軌系統(tǒng)的機(jī)械相互作用主要體現(xiàn)在兩者的動(dòng)力行為，研究靴軌動(dòng)力行為有兩種途徑，分別是靴軌動(dòng)態(tài)仿真和靴軌動(dòng)態(tài)測(cè)量。靴軌系統(tǒng)的電氣和材料這兩方面相互作用主要體現(xiàn)在兩者的載流摩擦磨損行為，同樣有兩種研究途徑，分別為靴軌摩擦試驗(yàn)和研發(fā)新型集電材料。

3.1 靴軌動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)

集電靴與接觸軌系統(tǒng)作為一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，通過建立兩者的動(dòng)力學(xué)模型研究二者動(dòng)力學(xué)特性的學(xué)者很多。文獻(xiàn)[39]建立了城軌車輛接觸軌集電系統(tǒng)垂向動(dòng)力學(xué)模型，得出在地鐵車輛運(yùn)行速度的范圍內(nèi)，車輛隨機(jī)振動(dòng)和軌道不平順是引起集電靴振動(dòng)的主要原因，初步探索了集電靴與接觸軌接觸的振動(dòng)規(guī)律。文獻(xiàn)[40]建立了集電靴與接觸軌的剛體動(dòng)力模型，進(jìn)行靴軌仿真，得出接觸力，研究集電靴模型的聲場(chǎng)噪聲變化規(guī)律。文獻(xiàn)[41]通過建立靴軌系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模型，對(duì)集電靴和接觸軌的接觸特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)滑靴的接觸壓力與接觸軌表面的彎曲程度密切相關(guān)，要提高運(yùn)行速度應(yīng)盡量減小集電靴的動(dòng)態(tài)質(zhì)量。文獻(xiàn)[42]利用分形理論，研究集電靴表面粗糙程度與接觸剛度、接觸力之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[43]以集電靴的擺臂為柔體，其他結(jié)構(gòu)為剛體，接觸軌為剛體，建立了集電靴與接觸軌的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，并進(jìn)行了靴軌動(dòng)態(tài)仿真。文獻(xiàn)[44]從動(dòng)力學(xué)角度重點(diǎn)研究了列車運(yùn)行速度、三軌安裝精度對(duì)靴軌關(guān)系的影響。文獻(xiàn)[45]建立了集電靴與接觸軌的仿真模型，研究表明：改變集電靴系統(tǒng)的相關(guān)剛度，增加一定的阻尼以及改變接觸軌端部彎頭的形狀與坡度，可以改善滑靴的跟隨性。

綜上所述，靴軌動(dòng)態(tài)仿真已有較大的發(fā)展，靴軌動(dòng)力模型有全剛體和剛?cè)狁詈蟽煞N，其主要問題是模型參數(shù)的獲取以及弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果的有效性確認(rèn)。

3.2 靴軌動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)

靴軌動(dòng)態(tài)測(cè)量是研究靴軌系統(tǒng)機(jī)械相互作用最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)來源，并為靴軌動(dòng)態(tài)仿真提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

國外對(duì)靴軌動(dòng)態(tài)測(cè)量的研究有：文獻(xiàn)[46]研究了受電靴與第三軌的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)接觸，通過環(huán)形接觸軌試驗(yàn)臺(tái)和列車實(shí)驗(yàn)裝置，如圖10所示，對(duì)接觸力、扭簧扭矩和受電靴的跳動(dòng)位移等數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，得出了受電靴振動(dòng)的主要影響因素；文獻(xiàn)[47-48]設(shè)計(jì)了集電靴動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量了滑板動(dòng)態(tài)位移、接觸力以及動(dòng)態(tài)加速度等數(shù)據(jù)，評(píng)估英國接觸軌系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。文獻(xiàn)[49]由Stemman公司對(duì)雅典的Attiko地鐵的靴軌系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)主要是滑板的水平和垂直加速度。

圖10 靴軌動(dòng)態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)

中國對(duì)靴軌動(dòng)態(tài)測(cè)量的研究有：文獻(xiàn)[50]提出了第三軌參數(shù)檢測(cè)及評(píng)價(jià)系統(tǒng)，其中重點(diǎn)對(duì)接觸力、沖擊加速度、幾何參數(shù)、環(huán)境溫度和運(yùn)行速度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試方案設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[51]對(duì)集電靴的擺臂進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試，發(fā)現(xiàn)集電靴在進(jìn)入端部彎頭時(shí)擺臂出現(xiàn)較大的縱向載荷，集電靴脫離第三軌時(shí)擺臂出現(xiàn)較大的垂向載荷。

綜上所述，靴軌動(dòng)態(tài)測(cè)量的測(cè)試項(xiàng)目主要集中在接觸力、滑板加速度和動(dòng)態(tài)位移這幾個(gè)參數(shù)上，其主要問題是測(cè)量裝置獲取的弓網(wǎng)接觸力，是否與正常使用的集電靴結(jié)果一致，需進(jìn)一步標(biāo)定測(cè)量設(shè)備。

3.3 靴軌材料配合研究

集電靴與接觸軌是通過滑動(dòng)摩擦維持電能傳輸，靴軌電氣與材料相互作用方面的研究成果有：文獻(xiàn)[52]在無電流通過摩擦的情況下，利用試驗(yàn)機(jī)模擬不同材質(zhì)的集電靴滑板與接觸軌之間在固定接觸壓力下磨耗的情況，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較；文獻(xiàn)[53]考察了固定電流條件下2種不同材料制造的受電靴的滑動(dòng)摩擦磨損性能；文獻(xiàn)[54]研制了一種鐵制的集電靴滑板，試驗(yàn)證明低碳鋼三軌的摩擦磨損效果比銅制滑板好；文獻(xiàn)[55]提出一種鋁青銅合金材料制作的滑板比普通銅合金滑板耐磨且電阻率低；文獻(xiàn)[56]提出一種靴軌載流摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)（見圖11），比較了不同接觸力和電流下的靴軌摩擦情況。

圖11 靴軌載流摩擦磨損試驗(yàn)平臺(tái)

已有靴軌摩擦磨損試驗(yàn)均是針對(duì)DC750 V靴軌系統(tǒng)，滑板的材料一般為銅合金，接觸軌為低碳鋼，進(jìn)行滑板材料優(yōu)化。但實(shí)際上，我國目前廣泛使用的是DC 1500 V靴軌系統(tǒng)，滑板的材料一般為浸金屬碳，接觸軌為鋼鋁復(fù)合，因此有必要開發(fā)針對(duì)這一電壓等級(jí)系統(tǒng)的載流摩擦磨損試驗(yàn)平臺(tái)，優(yōu)化靴軌材料配合。

4 靴軌標(biāo)準(zhǔn)

英國與美國是應(yīng)用集電靴與接觸軌作為牽引供電方式較早的國家，至今尚有大量的地鐵線路采用靴軌系統(tǒng)，其靴軌系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)較完善。文獻(xiàn)[57]將集電靴維修檢查分為：外觀、機(jī)械、電氣、表面清潔和潤滑等5個(gè)方面，其中機(jī)械與電氣規(guī)定了接觸軌的接口要求。文獻(xiàn)[58]以集電靴的接口需求出發(fā)，從電氣和機(jī)械角度對(duì)接觸軌進(jìn)行了要求。文獻(xiàn)[59]以接觸軌的接口需求出發(fā)，則從電氣、機(jī)械和絕緣3個(gè)方面對(duì)機(jī)車和集電靴進(jìn)行要求。

隨著靴軌系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，中國也制定了一系列有關(guān)靴軌系統(tǒng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[60]對(duì)接觸軌有一定的規(guī)定，如：接觸軌應(yīng)采用鋼鋁復(fù)合材料等低電阻率產(chǎn)品；接觸軌的安裝位置及其安裝誤差，應(yīng)根據(jù)車輛集電靴與接觸軌在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中能可靠接觸來確定；接觸軌斷軌處應(yīng)設(shè)端部彎頭；接觸軌應(yīng)設(shè)防護(hù)罩，其電氣性能與物理性能應(yīng)滿足技術(shù)要求。文獻(xiàn)[25]是接觸軌的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從接觸軌供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量驗(yàn)收和檢修維護(hù)等4個(gè)方面較全面地對(duì)120 km/h速度及以下的接觸軌單方面進(jìn)行了規(guī)范。文獻(xiàn)[61]是集電靴的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定了集電靴的工作條件和性能要求，以及提出了集電靴的相關(guān)試驗(yàn)。

國外靴軌標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)靴軌接口制定的，其中包括系統(tǒng)各自的電氣、機(jī)械靜態(tài)幾何位置以及機(jī)械動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍等條款。而國內(nèi)則單方面制定集電靴和接觸軌的標(biāo)準(zhǔn)，尚缺少接口標(biāo)準(zhǔn)，或尚欠缺從靴軌系統(tǒng)需求出發(fā)制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

通過對(duì)集電靴和接觸軌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行現(xiàn)狀和標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)等方面分析，及其相互作用的狀態(tài)參數(shù)測(cè)量與仿真調(diào)研，得出若要研發(fā)更高速度等級(jí)的集電靴與接觸軌系統(tǒng)，需從以下幾個(gè)方面開展工作：

1）DC1500V接觸軌結(jié)構(gòu)已具有一定的范式，結(jié)構(gòu)調(diào)整主要是懸掛剛度、膨脹接頭結(jié)構(gòu)、端部彎頭斜率和跨距，其動(dòng)力學(xué)模型建立相對(duì)簡(jiǎn)單。集電靴有多種結(jié)構(gòu)，尚需建立一個(gè)通用的集電靴動(dòng)力學(xué)模型，以及構(gòu)建一個(gè)用于測(cè)量其關(guān)鍵參數(shù)的集電靴動(dòng)態(tài)性能測(cè)試平臺(tái)，以便開展集電靴結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及靴軌動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算。

2）構(gòu)建一個(gè)用于標(biāo)定測(cè)量裝置的靴軌動(dòng)態(tài)試驗(yàn)平臺(tái)。利用標(biāo)定后的靴軌動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置，獲取準(zhǔn)確的靴軌動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，評(píng)估靴軌動(dòng)態(tài)性能，且為靴軌動(dòng)態(tài)仿真提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

3）建立集電靴與接觸軌的動(dòng)態(tài)仿真模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，確認(rèn)集電靴與接觸軌的動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)。利用靴軌動(dòng)態(tài)仿真，設(shè)計(jì)更高運(yùn)行速度的集電靴與接觸軌結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步工程化應(yīng)用，通過靴軌動(dòng)態(tài)測(cè)量確認(rèn)設(shè)計(jì)方案。

4）對(duì)比國內(nèi)外靴軌標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)中國已有集電靴和接觸軌單方面的標(biāo)準(zhǔn)，尚未有靴軌接口方面的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)進(jìn)一步增加靴軌接口的幾何、機(jī)械、電氣、材料方面的規(guī)范，補(bǔ)充靴軌動(dòng)態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)仿真的技術(shù)規(guī)范，完善集電靴與接觸軌的標(biāo)準(zhǔn)體系。

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（編輯：王艷菊）

A Technology Survey of the Current Collector and the Conductor Rail Power Supply System

LI Kunpeng1, 3, 4, HUANG Deliang2, GUAN Jinfa1, CHEN Weijie2, FENG Chao3, 4, CHEN Jigang3, 4

(1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031; 2. Guangzhou Metro Group Co., Ltd., Guangzhou 510000; 3. Guangzhou Metro Design and Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510000; 4.National Engineering Laboratory for System Safety and Operation Assurance of Urban Rail Transit, Guangzhou 510000)

This paper introduces a structural improvement, current status, and standard construction of current collectors and conductor rails, and the test and simulation technology of the interface between current collector and conductor rail. Additionally, the development direction of the current collector and conductor rail system is predicted. There are many kinds of current acceptors. A general mechanical model has not yet been developed. Furthermore, the dynamic performance of the test rig of the current collector must be constructed to obtain the key mechanical parameters. The dynamic measurement device for the current collector and conductor rail system must be further calibrated to ensure the accuracy of the test data. The dynamic simulation of current collector and conductor rail system requires actual data for verification. The standard of the interface between current collector and conductor rail needs must also be further improved.

urban rail transit; current collector; conductor rail; structure; simulation; measurement; standard

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.018

U231；N945.12

A

1672-6073(2018)05-0092-09

2017-11-18

2018-01-11

李鯤鵬，男，博士研究生，教授級(jí)高工，從事軌道交通領(lǐng)域供電系統(tǒng)的研究，leo-likunpeng@qq.com

國家自然科學(xué)基金（U1534209）