靳守杰，李鯤鵬，占 棟，萬永勝，鐘 尉，馮 超

（1.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510330；2.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010；3.西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031；4.成都唐源電氣股份有限公司，四川 成都 610046）

廣州地鐵21 號線鎮(zhèn)龍西—員村段線路全長35.0 km，其中地上線路7.2 km，地下線路27.8 km，最高運營速度120 km/h，采用DC 1500 V 鋼鋁復合型接觸軌下部受流方式供電，接觸軌受流面距鋼軌頂面的垂直距離為(200 ± 5) mm，接觸軌中心至線路中心距離為(1550±5)mm.根據交通運輸部2019 年印發(fā)的《城市軌道交通初期運營前安全評估管理暫行辦法》（交運規(guī)【2019】1 號）[1]，城市軌道交通新建線路開通運營前須完成安全評估工作，未通過運營前安全評估的線路不得投入運營.該文件明確了受電弓-接觸網（弓網）關系安全評估指標要求，無集電靴-接觸軌（靴軌）關系安全評估指標要求.因此，針對靴軌集電系統(tǒng)，如何給出靴軌集電系統(tǒng)安全評估測試方法及評估技術指標，確定線路是否具備開通條件，是靴軌集電系統(tǒng)目前面臨的突出問題.

弓網關系測試及評價，國內外均有標準可循.國外：EN 50317?2002[2]記載了弓網系統(tǒng)技術參數的測試方法和誤差要求；EN 50367?2012[3]規(guī)定了弓網動態(tài)相互作用技術指標，明確了弓網接觸力、燃弧率、接觸線抬升等弓網動態(tài)性能參數的允許范圍[2].國內：TB 3271—2011[4]規(guī)定了弓網動態(tài)相互作用參數指標范圍；TB 10761—2013[5]明確了弓網系統(tǒng)幾何參數、燃弧率、弓網接觸力和硬點的技術標準；文獻[6]記載了城市軌道交通試運行前的安全評估技術規(guī)范，指明了弓網關系的測試內容和方法，但是缺乏靴軌關系的相關測試方法和評估指標；TB 10621—2014[7]記載了關于弓網離線率、弓網接觸力和平均接觸力的技術指標，各參數的制定主要針對中國高鐵的實際情況進行確認；CJJ/T 198—2013[8]記載了接觸軌的施工驗收標準，其內容主要集中在零部件的安裝布置和材料等相關內容的驗收標準；文獻[9]記載了針對120 km/h 接觸軌的設計規(guī)范和驗收標準.

綜上，目前僅有針對弓網集電系統(tǒng)初期運營前的安全評估指標，有必要結合城市軌道交通的運營經驗和技術現狀提出城市軌道交通靴軌系統(tǒng)安全評價指標及方法.

廣州地鐵21 號線運營車靴軌關系檢測裝置屬國內首次將檢測裝備安裝在運營電客車上，通過靴軌動態(tài)參數在線檢測技術，采用激光攝像方法，實現了對高速復雜環(huán)境下接觸軌動態(tài)幾何參數的檢測；通過振動、加速度等光纖光柵精密傳感器實現對靴軌動態(tài)運行中的壓力、硬點的描述；同時結合紫外光子數字探測技術對靴軌動態(tài)受流中的燃弧參數進行刻畫，為掌握靴軌動態(tài)受流機理及全生命周期內服役性態(tài)變化規(guī)律提供可靠數據參考.

靴軌在線監(jiān)測裝置充分考慮地鐵復雜線路環(huán)境中的各種因素，運用先進傳感與圖像處理技術實現具有強適應性的高精度靴軌在線檢測，滿足120 km/h 及以下速度電客車的使用.本研究基于靴軌在線檢測裝置的檢測結果提出復雜線路靴軌關系的安全評估方法，為城市軌道交通初期運營前安全評估提供參考.

1 靴軌關系安全測試方法

采用裝有具有精確定位功能的運營車靴軌關系檢測裝置的電客車在待測線路完成測試，以列車ATO（automatic train operation）模式運行，對測試線路全線進行測試，以反映真實工況.

1.1 靴軌關系測試參數定義

1.1.1 接觸軌動態(tài)幾何參數

接觸軌動態(tài)幾何參數是指測量接觸軌中心位置距軌道中心位置的水平距離和接觸軌受流面與相鄰走行軌頂面的垂直距離[10-11].接觸軌幾何參數的安裝不精確或部分區(qū)段接觸軌在水平或垂直方向上出現偏離預定正常值，易使集電靴不能正常與接觸軌接觸，從而影響受流質量[12].

1.1.2 靴軌燃弧

根據EN 50317?2002[2]和GB/T 32592—2016[13]，用燃弧最大持續(xù)時間、燃弧次數、燃弧率3 個指標衡量靴軌電氣作用過程[14-15]：燃弧最大持續(xù)時間為測試區(qū)段內最大燃弧的持續(xù)時間；燃弧次數是測試區(qū)段內發(fā)生所有燃弧的總次數；燃弧率為所測區(qū)段的燃弧總時間與測量時間的比值，是反映靴軌關系受流質量的重要指標.靴軌燃弧發(fā)生時，瞬間釋放大量熱量，造成接觸軌和集電靴碳滑板嚴重的電氣侵燭和損傷[16].

1.1.3 靴軌動態(tài)接觸力

靴軌動態(tài)接觸力指集電靴施加到接觸軌垂直力，是所有接觸點的力之和，反映靴軌集電系統(tǒng)高速運行時靴軌接觸狀態(tài)，用靴軌動態(tài)接觸力量化表征[17].

1.1.4 集電靴硬點

集電靴硬點指所測區(qū)間內集電靴對接觸軌的垂向加速度，是反映接觸軌平順性的重要指標.

1.2 靴軌關系參數測試方法

靴軌關系參數的測試方法如表1 所示.

表1 靴軌關系各參數測試方法Tab.1 Test methods for each parameter about collector shoe-rail

2 靴軌關系安全評估方法

本文提出各項檢測參數的評估標準，并結合《供電系統(tǒng)專業(yè)管理評價辦法》[18]提出適用于時速120 km/h 及以下接觸軌動態(tài)檢測綜合評價計分方法，綜合評估靴軌受流質量，為新建線路工程是否具備開通條件提供技術參考.

2.1 各參數評定標準

針對各個參數指標單獨給出各參數的評價指標，線路檢測出的各參數需滿足表2 所示參數評定標準要求.表中：Fm,max、Fm,min分別為平均接觸力的最大值、最小值；V為受電弓運行速度，km/h；σ 為靴軌接觸力標準差.

表2 靴軌關系各參數評定標準Tab.2 Evaluation standard for each parameter about collector shoe-rail

2.2 接觸軌動態(tài)運行質量指數評價方法

依據接觸軌動態(tài)運行質量各參數的特征，建立接觸軌動態(tài)運行質量評價函數，選擇接觸軌工作高度、接觸軌偏移值、靴軌燃弧率和靴軌動態(tài)接觸力4 項檢測參數進行評價，采用Topsis 評價方法[18]建立數學模型，構建接觸軌動態(tài)運行質量指數（conductor rail quality index，CRQI）評價函數.Topsis評價方法的基本原理為根據有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序，在現有的對象中進行相對優(yōu)劣的評價.

定義參與評價的接觸軌線路總里程L，區(qū)間的里程為l，則區(qū)間權重系數為

接觸軌工作高度為一個錨段內接觸軌受流面與軌平面的垂直距離標準差，其得分為

式中：σH為一個錨段內接觸軌工作高度標準差.

接觸軌偏移值為一個錨段內接觸軌中軸線與軌道中心線的水平距離標準差，其得分為

式中：σS為一個錨段內接觸軌偏移值標準差.

由于靴軌燃弧參數不具備連續(xù)性，接觸軌燃弧評價以燃弧率作為計算指標，燃弧率以錨段為計算步長單位，其得分為

式中：γNQ為一個錨段內靴軌燃弧率.

靴軌動態(tài)接觸力是集電靴和接觸軌之間的接觸力，通過接觸力的最大值、標準差對靴軌動態(tài)接觸力進行評價[17,19]，其綜合得分為如式（5）所示.

綜上，一個錨段內CRQI 得分率qCRQI為[18]

線路區(qū)間i的CRQI 得分率qi為該線路各錨段qCRQI的平均值.則該線路CRQI 得分為

式中：pi為區(qū)間i的權重系數；M為線路區(qū)間數量.

當Q≥90.00，該線路CRQI得分優(yōu)良；當Q<90.00，CRQI 得分不合格，需要繼續(xù)整改.

2.3 線路開通運營條件

根據本文提出的安全測試評估方法，城市軌道交通新建線路開通運營，需同時滿足兩個要求：全線各參數統(tǒng)計指標滿足對應的評定標準；Q≥90.00.

3 試驗數據分析

3.1 試驗數據分析

廣州地鐵21 號線鎮(zhèn)龍西—員村段為采用靴軌集電系統(tǒng)的新建項目，線路長35.0 km，其中地上線路7.2 km，地下線路27.8 km，依據交通運輸部頒發(fā)的文件規(guī)定，需要完成靴軌關系安全測試評估.按照測試方法要求，通過在AW0 工況下電客車上安裝的靴軌檢測裝置對測試線路工程正線靴軌關系進行現場測試.

3.1.1 接觸軌動態(tài)幾何參數

運營車靴軌關系檢測裝置具備定位點識別功能，每個定位點對應輸出1 組接觸軌動態(tài)幾何參數檢測數據，統(tǒng)計全線上、下行每個定位點的接觸軌動態(tài)幾何參數的實測值與設計值的各等級偏離值個數，如表3 所示.

表3 全線接觸軌的工作高度、偏移值各等級偏離點統(tǒng)計Tab.3 Deviation point quantity of different contact rail operation heights and different offsets for all sections 個

分析表3 可得：全線接觸軌幾何參數無偏離值大于5 mm 的數據，大部分偏離數據分布在0～4 mm，個別定位點偏離數據在4～5 mm，全線接觸軌幾何參數滿足評定標準要求.

3.1.2 靴軌燃弧

各試驗區(qū)間燃弧率分布和最大燃弧持續(xù)時間如表4 所示.

由表4 可知：下行線路燃弧率最大為0.022%，最大燃弧持續(xù)時間為53 ms，上行線路燃弧率最大為0.025%，最大燃弧持續(xù)時間為49 ms，表明全線靴軌燃弧與最大燃弧時間均滿足評定標準要求.

表4 全線靴軌燃弧率與最大燃弧時間Tab.4 Arcing rate and maximum arcing time of collector shoe-rail for all sections

3.1.3 靴軌動態(tài)接觸力

按照各試驗區(qū)間統(tǒng)計靴軌動態(tài)接觸力平均值與標準差，如表5 所示.

由表5 可知：下行線路接Fm,max為135.6 N，Fm,min為119.8 N，σ≤0.3Fm,max，上行線路Fm,max為130.3 N，Fm,min為120.6 N，σ≤0.3Fm,max，表明全線靴軌動態(tài)接觸力均滿足對應的評定標準要求.

表5 全線靴軌動態(tài)接觸力的平均值與標準差Tab.5 Mean value and standard deviation of dynamic contact force of collector shoe-rail for all sections N

3.1.4 集電靴硬點

全線集電靴最大硬點如圖1 所示.由圖可知：下行、上行線路最大瞬時硬點分別為29.8、28.2 g，表明全線集電靴硬點滿足對應的評定標準要求.

圖1 全線集電靴最大硬點Fig.1 Maximum hard spot of collector shoe for all sections

綜上，廣州地鐵21 號線鎮(zhèn)龍西—員村段工程各參數均滿足對應的評價指標要求.

3.2 CRQI 計算與評定

根據3.1 節(jié)各參數的統(tǒng)計結果對全線CRQI 進行計算.各試驗區(qū)間根據里程計算的權重系數、CRQI 得分率、加權CRQI 得分率如表6 所示.根據表6 計算得到的該線路CRQI 為92.89 分，大于90.00 分[18].

表6 全線權重系數與CRQI 得分率Tab.6 Weight coefficients and score rates of CRQI for all sections

綜合3.1 節(jié)和3.2 節(jié)的分析結果可知，廣州地鐵21 號線鎮(zhèn)龍西—員村段全線各參數統(tǒng)計指標滿足對應的評定標準.

4 結 論

本文從廣州地鐵21 號線鎮(zhèn)龍西—員村段運營車全線靴軌檢測數據出發(fā)，提出了靴軌關系安全測試評價方法.結合現場開通運營情況可得到以下結論：

1）采用接觸軌動態(tài)幾何參數、靴軌燃弧、靴軌動態(tài)接觸力、靴軌硬點4 項獨立參數統(tǒng)計指標和基于Topsis 的接觸軌動態(tài)運行質量指數評分的方法具有可行性，能夠為城市軌道交通開通運營前靴軌關系安全評估工作提供技術參考.

2）采用本方法對廣州地鐵21 號線鎮(zhèn)龍西—員村段全線35.0 km 線路進行安全評估，其各項檢測參數指標均符合對應的評價指標要求，且全線接觸軌運行質量指數評分Q >90.00 分，符合評估要求.

3）隨著檢測數據的積累以及本方法在實踐中的應用，本方法能夠為城市軌道交通開通運營前靴軌關系安全評估相關標準提供前期基礎和有益探索.