王 田,王 宏,王北維,羅雁康,嚴(yán)小賓
近年來,剛性懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)以其零部件少、凈空要求低、載流量大、可靠性高、維修便捷等優(yōu)點[1],在我國軌道交通領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。自2003年6月我國首個剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)在廣州地鐵2號線投運以來,運營實踐證明其運行效果良好[2],并在國內(nèi)蘭武二線烏鞘嶺隧道、青藏鐵路新關(guān)角隧道、南疆鐵路中天山隧道的鐵路工程中有所應(yīng)用。目前,國內(nèi)剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)最高運行速度為160 km/h,尚無160 km/h以上速度等級的運行案例或測試記錄[3]。
Stanton隧道位于英國萊仕特郡(Leicestershire),隧道形式為單洞雙線隧道,軌道基礎(chǔ)采用有砟道床,電壓等級AC 25 kV,其剛性懸掛段長度1.2 km,是英國第一條采用高速剛性懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)的線路。Stanton隧道剛性懸掛系統(tǒng)采用7.5 m跨距布置,CR4(四代)匯流排,鉸鏈?zhǔn)剿綉冶?,定位點為彈性定位,設(shè)計時速220 km,運營時速200 km,于2016年6月14—16日進行了145~200 km/h速度的弓網(wǎng)測試,驗證Stanton隧道剛性懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)的適用性和可靠性。
根據(jù)國際電工委員會IEC 62486-2017標(biāo)準(zhǔn)和歐盟TSI(Technical Specification for Interoperability)鐵路互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范[4],AC 25 kV剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)弓網(wǎng)動態(tài)性能評價相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定如表1所示。
由弓網(wǎng)接觸力評價標(biāo)準(zhǔn)可以看出,在最小接觸力Fmin和最大接觸力Fmax處于0~350 N的情況下,剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)弓網(wǎng)受流質(zhì)量可以用平均接觸力Fm與接觸力標(biāo)準(zhǔn)差σ的關(guān)系來衡量,這也是對弓網(wǎng)受流質(zhì)量進行評價的普適性方法。為了驗證本次弓網(wǎng)測試完全符合上述標(biāo)準(zhǔn),增加本次弓網(wǎng)測試獲得的接觸力數(shù)據(jù)可信度,以更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求對已獲取弓網(wǎng)接觸力數(shù)據(jù)進行合理性檢驗,本次弓網(wǎng)測試中,對于平均接觸力Fm與接觸力標(biāo)準(zhǔn)差σ的關(guān)系,在滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的前提下采用一種更加嚴(yán)格的考量標(biāo)準(zhǔn):①σ/Fm<0.25;②Fm- 3σ>25 N;③Fm-3σ>0.3Fm。采用該弓網(wǎng)受流評價標(biāo)準(zhǔn),對剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和弓網(wǎng)適應(yīng)性提出了更高的要求,進一步確保剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)在高速運行下安全可靠。
表1 AC 25 kV剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)弓網(wǎng)動態(tài)接觸力評價標(biāo)準(zhǔn)
(1)車輛:使用2組(每組5列編組)且每組帶有一個受電弓的Hitachi Class 800 units測試車輛,以此構(gòu)成雙弓牽引的取流制式,受電弓型號為Brecknell Willis HSX 250型,前弓靜態(tài)接觸力70 N,后弓靜態(tài)接觸力90 N。
(2)受電弓布置:測試列車采用雙弓牽引,2組列車每組各配備一個受電弓,受電弓間距為200 m,前車順弓后車逆弓的布置形式(圖1),測試速度范圍為145~200 km/h。
圖1 測試列車雙弓牽引弓間距200 m布置形式
(3)設(shè)備:弓網(wǎng)動態(tài)測試數(shù)據(jù)采用DB System Technik公司(德國鐵路系統(tǒng)技術(shù)公司,簡稱DBST)的遙測設(shè)備進行收集。該設(shè)備在歐洲境內(nèi)的鐵路領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,其測試精度經(jīng)過了弓網(wǎng)動態(tài)測試驗證并遵循歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50317的規(guī)定,測試數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機處理后可進行可視化展示,并可以文件、視頻影像等形式輸出。
基于以上測試車輛、受電弓布置以及相關(guān)測試設(shè)備,針對Stanton隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)區(qū)間(K186+581.8~K187+786.4)進行了為期3天的弓網(wǎng)檢測,按照速度145、160、175、190、200 km/h共5個速度等級進行測試,收集并整理了在弓間距為200 m布置下各個速度等級下弓網(wǎng)動態(tài)測試接觸力波形圖、接觸力指標(biāo)特征值以及接觸力指標(biāo)統(tǒng)計圖。
Stanton隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)在5個速度等級下的弓網(wǎng)接觸力波形見圖2。由于篇幅原因,本文只展示在Stanton隧道K186+581.8~K187+786.4剛性接觸網(wǎng)區(qū)間內(nèi)300 m長度區(qū)段的弓網(wǎng)接觸力測試波形。
圖2 S tanton隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)前后弓接觸力測試波形
將Stanton隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)弓網(wǎng)接觸力特征值進行統(tǒng)計,在速度145、160、175、190、200 km/h共5個速度等級下,各項指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,表明弓網(wǎng)受流質(zhì)量良好,具體見表2。
表2 S tanton隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)弓網(wǎng)接觸力指標(biāo)特征值統(tǒng)計
基于以上測試數(shù)據(jù),針對不同的速度等級繪制Stanton隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)弓網(wǎng)接觸力特征值統(tǒng)計圖,如圖3所示。
圖3 S tanton隧道不同速度等級弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計
(1)受電弓在空氣介質(zhì)中運行會受到氣動作用力,且隨著速度的提高將會在弓網(wǎng)系統(tǒng)中形成不穩(wěn)定性氣流[5]。由表2可以看出,在145~200 km/h的速度范圍內(nèi),弓網(wǎng)接觸力平均值Fm和接觸力標(biāo)準(zhǔn)差σ隨著速度的增加而增大,表明受電弓上下空氣壓差將會增大,進而增加受電弓豎向升力,導(dǎo)致弓網(wǎng)受流穩(wěn)定性變差。
(2)速度為190和200 km/h時的接觸力波形圖中,在K186+735~K186+935的測試區(qū)間內(nèi),前弓與后弓接觸力出現(xiàn)突變的趨勢,并且后弓最小接觸力為0 N,出現(xiàn)了弓網(wǎng)離線的情況,這是由于在該區(qū)間內(nèi)存在接觸線接頭續(xù)接的情況,導(dǎo)致接觸力出現(xiàn)突變和弓網(wǎng)離線。
(3)由以上接觸力指標(biāo)統(tǒng)計圖(圖3)可以看出,隨著速度的提高,F(xiàn)m- 3σ的值呈現(xiàn)下降的漸變趨勢,在各個速度等級下弓網(wǎng)最大接觸力不超過220 N,弓網(wǎng)最小接觸力除上述第(2)條情況以外大部分在10 N以上,由于后弓施加的靜態(tài)抬升力比前弓要大,所以后弓動態(tài)接觸力相比于前弓要大,且前弓振動引起的接觸線振波對后弓存在一定影響[6],后弓受流穩(wěn)定性比前弓略差。
(4)在隧道里程K187+478.6第2個錨段膨脹接頭附近(由于篇幅原因未顯示其波形圖)接觸力出現(xiàn)峰值的趨勢,且出現(xiàn)后弓最大接觸力接近220 N的情況,比第1個錨段的膨脹接頭附近的接觸力峰值大,這是由于膨脹接頭安裝精度差異導(dǎo)致。
(1)Stanton隧道剛性懸掛系統(tǒng)弓網(wǎng)測試過程中,接觸線接頭附近出現(xiàn)接觸力為0 N的情況,可以推測接觸線放線時其續(xù)接工藝和安裝精度不達標(biāo),可能存在兩接觸線接頭間隙過大,或接觸線出現(xiàn)扭擰,需要深入現(xiàn)場排查并采取整治措施。
(2)Stanton隧道剛性懸掛系統(tǒng)弓網(wǎng)測試為剛性接觸網(wǎng)中接觸力硬點的分布提供了定位和查找依據(jù),從弓網(wǎng)接觸力波形圖中能夠直觀地反映接觸力突變情況,為Stanton隧道剛性接觸網(wǎng)運營的狀態(tài)修制定提供數(shù)據(jù)支持。
(3)剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)影響弓網(wǎng)受流的因素還包括軌道幾何質(zhì)量、隧道通風(fēng)井處氣動效應(yīng)、滲漏水對道床影響等,以上因素可對受電弓運行平穩(wěn)性和跟隨性造成一定影響,應(yīng)進行綜合分析和判斷。
(4)對Stanton隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)進行了145~200 km/h共5個速度等級的弓網(wǎng)測試,采用Brecknell Willis HSX 250型受電弓,且在弓間距為200 m情況下,弓網(wǎng)測試接觸力統(tǒng)計特征值關(guān)系滿足評價指標(biāo)要求,表明Stanton隧道剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)以時速200 km運行具備適應(yīng)性和可行性。