林 建

0 引言

鋼鋁復(fù)合接觸軌系統(tǒng)具有導(dǎo)電性能好、載流量大、重量輕、安裝方便、耐腐蝕、耐磨性能好、使用壽命長等一系列優(yōu)點(diǎn)。隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，鋼鋁復(fù)合接觸軌系列產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于第三軌、中低速磁浮、跨座式單軌、空中懸掛列車等軌道交通模式。

近幾年，由于軌道交通運(yùn)營速度的提升需求，運(yùn)營單位、設(shè)計(jì)單位、科研院校以及供貨廠商越來越關(guān)注高速運(yùn)行下供電系統(tǒng)產(chǎn)品的適用性以及靴軌關(guān)系影響因素，并開展相關(guān)理論研究。隨著北京、長沙中低速磁浮線陸續(xù)開通，受流器與接觸軌作為磁浮列車供電載體，已逐漸積累了一定的工程運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)。在此之前，國內(nèi)學(xué)者針對磁浮列車受流器及接觸軌的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)已開展較多的研究。文獻(xiàn)[1]公開了一種雙極受流器，設(shè)有電流進(jìn)入端和回流端，為磁浮列車提供電源回路。文獻(xiàn)[2～4]設(shè)計(jì)出一種側(cè)向受流器，包含滑靴、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和地板，由 彈簧提供驅(qū)動(dòng)力，通過球鉸和第二套擺桿件等擺動(dòng)結(jié)構(gòu)，能適應(yīng)列車在橫向位移及偏擺幅度大的應(yīng)用工況下保持靴軌受流。文獻(xiàn)[5，6]提出了一種中低速磁浮列車受流器的狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測信息包括受流器的加速度、電流互感器信息、電壓互感器信息、接觸力、靴溫度、側(cè)接觸軌與車軌之間的水平距離、垂直距離。文獻(xiàn)[7，8]對中低速磁浮列車的受流方式進(jìn)行了比較，認(rèn)為側(cè)向受流方式是優(yōu)選方案，提出一種側(cè)向受流器的設(shè)計(jì)方案，并研制了相應(yīng)的樣機(jī)。文獻(xiàn)[9]基于磁浮列車運(yùn)行姿態(tài)，提出了磁浮列車受流器垂直和側(cè)向的平移位移計(jì)算模型。雖然在長期工程運(yùn)營和設(shè)計(jì)過程中，針對中低速受流器與鋼鋁復(fù)合接觸軌之間的匹配，積累了大量的經(jīng)驗(yàn)；然而在高速運(yùn)行的軌道交通中，如何驗(yàn)證鋼鋁接觸軌與集電靴之間匹配良好，依然是一個(gè)亟待解決的問題。

本文提出一種可高速、恒速運(yùn)行的接觸軌-集電靴測試平臺(tái)搭建方法，對接觸軌振動(dòng)位移和靴頭振動(dòng)加速度、靴軌燃弧進(jìn)行測試，并基于測試數(shù)據(jù)對接觸軌-集電靴匹配關(guān)系進(jìn)行合理評估，以完善相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

1 靴軌關(guān)系測試平臺(tái)搭建及測試

1.1 測試原理

測試平臺(tái)上安裝有中速磁浮供電軌及附件、集電靴，確保接觸軌能夠提供中速磁浮運(yùn)行線路狀況下集電靴需要的電流及電壓。集電靴按照中速磁浮的運(yùn)行速度及壓力在接觸軌上平穩(wěn)運(yùn)行。

通過測試平臺(tái)和測試方法，進(jìn)行接觸軌幾何參數(shù)、集電靴加速度、燃弧、接觸軌磨耗等測試?；谠摐y試，提出以燃弧以及加速度等動(dòng)態(tài)參數(shù)指標(biāo)評價(jià)中速磁浮集電靴與接觸軌之間的相互作用關(guān)系，較好地模擬集電靴與接觸軌的靜動(dòng)態(tài)關(guān)系，評價(jià)、驗(yàn)證軌靴匹配性是否滿足正常運(yùn)營要求。

1.2 平臺(tái)搭建

接觸軌-集電靴性能測試的試驗(yàn)平臺(tái)由環(huán)形接觸軌線路、集電靴取流裝置、交直流電源、監(jiān)測系統(tǒng)及防護(hù)欄組成。試驗(yàn)方案見圖1。

圖1 測試方案裝置

其中，環(huán)形接觸軌線路由4根預(yù)彎接觸軌、1套分段絕緣器、1套膨脹接頭、2套分段絕緣接頭及2套電纜連接板組成。環(huán)形接觸軌接觸面朝上，底部由可調(diào)絕緣支架支撐；2套電纜連接板分別設(shè)置在環(huán)形接觸軌線路的對稱點(diǎn)位，通過電纜連接直（交）流電源輸出端，給環(huán)形接觸軌線路供電；分段絕緣器與膨脹接頭設(shè)置在環(huán)形接觸軌線路的對稱點(diǎn)位，其連線與2套電纜連接板的連線正交；2套絕緣接頭設(shè)置在膨脹接頭兩端，分別與預(yù)彎接觸軌連接。集電靴取流裝置由動(dòng)力機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)桿、2套集電靴及電連接銅排組成。動(dòng)力機(jī)構(gòu)設(shè)置在環(huán)形接觸軌線路圓心位置，控制著集電靴的走行速度；2套集電靴分別布置在旋轉(zhuǎn)桿兩端，通過絕緣子與旋轉(zhuǎn)桿連接，集電靴靴頭與環(huán)形接觸軌線路接觸面接觸取流；電連接銅排通過小絕緣子固定在旋轉(zhuǎn)桿上，兩端分別與集電靴連接，使2套集電靴與環(huán)形接觸軌線路形成完整回路。

測試系統(tǒng)由激光幾何參數(shù)檢測模塊、非接觸式靴軌燃弧檢測模塊（紫外傳感器）、靴軌加速度測量模塊、轉(zhuǎn)速定位模塊、電源轉(zhuǎn)換單元及數(shù)據(jù)處理單元組成。系統(tǒng)的各功能單元及檢測模塊安裝在集電靴取流裝置的旋轉(zhuǎn)桿上。通過無線局域網(wǎng)的傳輸方式將檢測到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)中。圖2為測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在該裝置中，旋轉(zhuǎn)桿（包含特制輔助支架）長度為8 m，通過中間電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最大轉(zhuǎn)速可達(dá)106.2 r/min（線速度160 km/h），速度無級可調(diào)。彈性集電靴共有2套，集電靴的接觸壓力為70～150 N，彈性范圍±30 mm。短接觸軌處斷口尺寸最大可調(diào)整到100 mm。電源系統(tǒng)可提供電流500 A。鋼結(jié)構(gòu)護(hù)欄的直徑為10 m，可通過視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控。在測試系統(tǒng)中配備了轉(zhuǎn)速測試儀1臺(tái)，可測量旋轉(zhuǎn)桿實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速；接觸網(wǎng)檢測裝置1套，用于檢測集電靴狀況；熱電偶溫度傳感器1套，可測量接觸軌軌溫；非接觸式電弧檢測裝置（紫外傳感器）1臺(tái)，用于檢測燃弧情況；音量檢測儀1臺(tái)，用于檢測噪音；經(jīng)緯儀1臺(tái)，可檢驗(yàn)接觸軌鋼帶面平整度。

測試平臺(tái)搭建完成，交直流電源及檢測系統(tǒng)連接調(diào)試正常后，啟動(dòng)交直流電源向環(huán)形鋼鋁復(fù)合接觸軌線路供電，穩(wěn)步增加旋轉(zhuǎn)桿轉(zhuǎn)速。在20～160 km/h速度范圍內(nèi)，其中每間隔20 km/h勻速運(yùn)行并測試，分別記錄相應(yīng)速度下的接觸軌振動(dòng)位移、靴頭振動(dòng)加速度和靴軌燃弧數(shù)據(jù)。

2 測試結(jié)果及分析

本文提出的靴軌關(guān)系測試平臺(tái)主要針對高速運(yùn)行的軌道交通線路。因此，在實(shí)際測試過程中的運(yùn)行速度為120、140、160 km/h。

2.1 接觸軌與集電靴之間的振動(dòng)及燃弧影響

圖3給出了不同速度下鋼鋁復(fù)合接觸軌振動(dòng)位移和靴頭振動(dòng)加速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3 振動(dòng)位移與加速度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

從圖中可以看出，靴頭運(yùn)行速度從120 km/h增至160 km/h時(shí)，靴頭振動(dòng)加速度的平均振幅加大，并且在特定位置出現(xiàn)最大振幅上升的現(xiàn)象；同時(shí)，最大振幅出現(xiàn)的次數(shù)增加，最大振幅的衰減減緩。這表明隨著速度的增加，靴軌振動(dòng)加劇。

圖4給出了在不同測試速度下的靴軌燃弧實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。隨著速度的增加，靴頭燃弧的數(shù)量和持續(xù)時(shí)間有了顯著的增加。在速度為140和160 km/h時(shí)，靴軌每次燃弧的持續(xù)時(shí)間最大值達(dá)到了110 ms，而速度為120 km/h時(shí)，每次燃弧的持續(xù)時(shí)間為1 ms。

圖4 靴軌燃弧實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

2.2 振動(dòng)及燃弧原因分析

2.2.1 接觸軌垂向位移影響

以角度作為X軸，相應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)為Y軸作圖，以分析導(dǎo)致接觸軌振動(dòng)和燃弧的原因。圖5給出了在相應(yīng)速度下不同角度接觸軌垂向振動(dòng)位移的所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。由圖可知，相同角度下的垂向位移基本相同，表明受流器在一定速度下運(yùn)行時(shí)，其接觸軌上的振動(dòng)不依賴于時(shí)間，而僅與振動(dòng)位置相關(guān)，并具有較高的重復(fù)性和規(guī)律性。

圖5 接觸軌垂向位移統(tǒng)計(jì)規(guī)律

考慮角度對應(yīng)的位置，X軸數(shù)據(jù)按照0°～360°記錄，其中，40°的位置對應(yīng)接觸軌膨脹接頭部件，130°的位置對應(yīng)接觸軌中間接頭部件，220°的位置對應(yīng)接觸軌分段絕緣器部件，310°的位置對應(yīng)接觸軌中間接頭部件。由圖5可以看出，垂向位移變化較大的區(qū)域主要集中在225°附近，即絕緣接頭處，這表明絕緣接頭結(jié)構(gòu)具有較高的彈性，與接觸軌力學(xué)性能的差異較大（考慮到高速軌道交通，絕緣接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)增加一定的結(jié)構(gòu)剛度）。在不同測試速度下，接觸軌通過兩處中間接頭時(shí)，垂向運(yùn)動(dòng)位移變化很小，說明受流器對接觸軌的形變影響很小，中間接頭對測試系統(tǒng)具有較好的匹配能力。另外，出現(xiàn)靴頭振動(dòng)加速度最大的區(qū)段均在膨脹接頭斷點(diǎn)附近，說明接觸軌斷點(diǎn)是引起靴軌振動(dòng)、接觸力不平穩(wěn)的主要因素。

2.2.2 接觸軌靴軌燃弧位置及時(shí)間影響

圖6給出了在相應(yīng)速度下不同角度接觸軌靴軌燃弧所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。從圖中可以看出，靴軌燃弧的分布沒有一定的規(guī)律性，并沒有出現(xiàn)在接觸軌斷點(diǎn)的位置，不同速度等級均存在一定的燃弧，但燃弧的次數(shù)和持續(xù)時(shí)間各有不同。標(biāo)準(zhǔn)EN 50317[10]對燃弧率進(jìn)行了相關(guān)規(guī)定，燃弧持續(xù)時(shí)間大于5 ms的燃弧才計(jì)算在燃弧率中。當(dāng)運(yùn)行速度為120、140、160 km/h時(shí)，出現(xiàn)了個(gè)別燃弧持續(xù)時(shí)間大于5 ms的燃弧點(diǎn)，并隨著運(yùn)行速度的增加，燃弧次數(shù)和持續(xù)時(shí)間也有所增加。當(dāng)速度為160 km/h時(shí)，受流器運(yùn)行一圈的燃弧平均持續(xù)時(shí)間總和為0.002 s，結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，存在膨脹接頭和分段絕緣器2個(gè)接觸軌斷點(diǎn)，受流器在試驗(yàn)臺(tái)上運(yùn)轉(zhuǎn)一圈可等效實(shí)際受流器通過2個(gè)連續(xù)接觸軌錨段，長度按100 m計(jì)算，則受流器在實(shí)際線路上等效的運(yùn)行總時(shí)間為2.25 s，燃弧率為0.089%，滿足標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3271[11]中對DC 1.5 kV供電系統(tǒng)的燃弧要求。

圖6 靴軌燃弧位置及時(shí)間統(tǒng)計(jì)規(guī)律

2.2.3 靴頭振動(dòng)加速度的影響

對比不同加速度的振動(dòng)情況，如圖7所示。

圖7 靴頭振動(dòng)加速度統(tǒng)計(jì)規(guī)律

當(dāng)受流器以120 km/h運(yùn)行速度通過接觸軌時(shí)，除了在角度為40°、130°、220°、310°的接觸軌斷點(diǎn)附近靴頭振動(dòng)加速度較大外，其他區(qū)域出現(xiàn)靴頭振動(dòng)加速度較大的點(diǎn)也顯著增多，已經(jīng)不再集中在接觸軌斷點(diǎn)處，但接觸軌斷點(diǎn)的靴頭振動(dòng)加速度仍最大，說明當(dāng)受流器運(yùn)行速度達(dá)120 km/h以上時(shí)，通過接觸軌斷點(diǎn)后，靴頭的振動(dòng)加劇，接觸質(zhì)量變差，需要較長的無斷點(diǎn)運(yùn)行距離后靴軌的劇烈振動(dòng)才能衰減下來。當(dāng)受流器以160 km/h運(yùn)行速度通過接觸軌時(shí)，整個(gè)靴軌試驗(yàn)臺(tái)出現(xiàn)靴頭振動(dòng)加速度較大的點(diǎn)分布均勻，說明此時(shí)整個(gè)靴軌的振動(dòng)劇烈。這可能與試驗(yàn)臺(tái)的長度有限以及是環(huán)形循環(huán)試驗(yàn)有關(guān)，實(shí)際軌道交通中，接觸軌連續(xù)區(qū)段較長，靴軌的振動(dòng)將逐漸降低。

3 結(jié)論

通過以上測試和分析，該接觸軌系統(tǒng)能夠滿足時(shí)速160 km及以下的靴軌良好受流要求。

（1）不同速度等級下靴軌的最大燃弧率小于標(biāo)準(zhǔn)值。隨著運(yùn)行速度的增加，燃弧次數(shù)和持續(xù)時(shí)間均有所增加，接觸軌振動(dòng)和靴頭振動(dòng)均有所加劇。膨脹接頭、分段絕緣器、中間接頭等接觸軌斷點(diǎn)附近的靴軌振動(dòng)最大。

（2）隨著速度的增加，振動(dòng)加劇，膨脹接頭和分段絕緣器的振動(dòng)更顯著，建議優(yōu)化該兩類結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能。

（3）在實(shí)際使用中，測試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有效地驗(yàn)證了160 km/h速度下鋼鋁復(fù)合接觸軌的適應(yīng)性，從而得出影響靴頭振動(dòng)的關(guān)鍵因素，對后續(xù)接觸軌供電產(chǎn)品優(yōu)化及探索靴軌關(guān)系提供參考。