何國軍

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600）

1 引言

架空剛性接觸網(wǎng)優(yōu)點主要有：接觸線無補償張力、無斷線風(fēng)險、結(jié)構(gòu)安裝簡單、安裝凈空要求低、系統(tǒng)載流量大、使用壽命長及維護工作量少等，被大量應(yīng)用于地鐵隧道內(nèi)以及低凈空隧道內(nèi)[1]。國外早在20 世紀(jì)60 年代初就有架空剛性接觸網(wǎng)投入運營使用；國內(nèi)廣州地鐵2 號線于2003 年投入運營，首次應(yīng)用架空剛性懸掛接觸網(wǎng)。

廣州地鐵3 號線、天津地下直徑線、深圳地鐵11 號線等，地下段均采用了剛性接觸網(wǎng)懸掛，設(shè)計速度為120 km/h；改建鐵路邯長和邯濟鐵路擴能改造工程、蒙華鐵路、太原西南環(huán)線，隧道內(nèi)剛性懸掛設(shè)計速度為120 km/h。南疆線中天山隧道接觸網(wǎng)剛性懸掛設(shè)計速度為160 km/h，初期開通速度為120km/h，運營速度為140 km/h，并提速至160 km/h。北京大興國際機場線、廣州地鐵18 和22 號線、蘭新二線烏鞘嶺隧道，隧道內(nèi)接觸網(wǎng)剛性懸掛設(shè)計速度為160 km/h。

架空剛性接觸網(wǎng)普遍應(yīng)用于地鐵領(lǐng)域，在國鐵領(lǐng)域也有應(yīng)用，根據(jù)TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》5.1.11-2 要求“設(shè)計速度不大于160 km/h 的隧道，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較合理時，可采用剛性懸掛”[2]。我國剛性懸掛雖然起步較晚，但經(jīng)過多年的發(fā)展，已完全實現(xiàn)國產(chǎn)化，目前高速剛性懸掛成為工程實際應(yīng)用研究的焦點。

2 架空剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)

架空剛性接觸網(wǎng)一般由接觸線、支持裝置、匯流排、定位線夾、錨段關(guān)節(jié)、剛?cè)徇^渡等零部件組成。

2.1 支持裝置

支持裝置一般采用門式支持結(jié)構(gòu)或懸臂支持結(jié)構(gòu)，用于懸掛支撐和固定匯流排。門式支持結(jié)構(gòu)主要由懸吊安裝底座、懸吊槽鋼、定位線夾、絕緣子等組成[3]。懸臂支持結(jié)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)固定底座、支撐絕緣子、定位線夾等組成。

不同設(shè)計時速的剛性接觸網(wǎng)需比較兩種支持結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度及動力性能進行選取。從國內(nèi)實際應(yīng)用來看，城市軌道交通的懸掛結(jié)構(gòu)多使用門式支持結(jié)構(gòu)；時速較高的城市軌道交通線路及干線鐵路，如北京大興國際機場線、廣州地鐵18 和22 號線多使用懸臂支持結(jié)構(gòu)。

2.2 匯流排

匯流排一般分為T 形和Π 形，國內(nèi)大多采用Π 形匯流排，匯流排與匯流排之間利用中間接頭相連，匯流排長度大部分為8～12 m，多段匯流排相連接組合成一個錨段匯流排。

2.3 定位線夾

定位線夾承托著匯流排，具有旋轉(zhuǎn)功能，以恒定匯流排的線路方向，并且具有順線路方向自動調(diào)節(jié)功能，以保證線路平滑過渡。定位線夾一般分為剛性定位線夾和彈性定位線夾，彈性定位線夾和剛性定位線夾相比，彈性定位線夾增加了彈簧。

2.4 錨段關(guān)節(jié)

剛性接觸網(wǎng)的錨段關(guān)節(jié)一般分為兩種形式，一種是機械式過渡錨段關(guān)節(jié)；另一種是膨脹接頭錨段關(guān)節(jié)。

TB 10623—2014《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》規(guī)定“設(shè)計速度100 km/h 以下的錨段、道岔銜接處可采用錨段關(guān)節(jié)接頭型式；設(shè)計速度100 km/h 及以上的，可采用膨脹接頭型式”[4]。T/CRS C0101—2017《市域鐵路設(shè)計規(guī)范》指出“設(shè)計速度120 km/h 及以下時，錨段銜接處宜采用錨段關(guān)節(jié)型式；設(shè)計速度120 km/h 以上時，可采用與行車速度相適應(yīng)的膨脹接頭型式”[5]。設(shè)計速度為160 km/h 的北京大興國際機場線、廣州地鐵22 號線采用機械式錨段關(guān)節(jié)型式；廣州地鐵18 號線、中天山隧道等采用膨脹接頭錨段關(guān)節(jié)型式。

2.5 剛?cè)徇^渡結(jié)構(gòu)

從架空剛性接觸網(wǎng)過渡到柔性接觸網(wǎng)，采用在匯流排上切槽的方式使其剛度逐漸降低，實現(xiàn)接觸網(wǎng)懸掛類型的轉(zhuǎn)變和平穩(wěn)過渡，一般通過剛?cè)徇^渡段的運營速度均比較低。剛?cè)徇^渡主要有切槽貫通式剛?cè)徇^渡和關(guān)節(jié)式剛?cè)徇^渡。從目前工程實際應(yīng)用來看，在滿足運營速度及弓網(wǎng)受流條件下，一般采用切槽貫通式剛?cè)徇^渡。

3 剛性接觸網(wǎng)動力學(xué)仿真

架空剛性接觸網(wǎng)動力學(xué)仿真的研究主要集中在以下幾方面：（1）弓網(wǎng)建模；（2）弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析；（3）最大運行速度分析等。國內(nèi)外對于設(shè)計速度低于160 km/h 的剛性懸掛從弓網(wǎng)模型、運行速度、跨距選擇、錨段關(guān)節(jié)、剛?cè)徇^渡結(jié)構(gòu)等方面進行了大量的研究，近些年對于設(shè)計速度為160 km/h 的剛性懸掛研究碩果累累。

3.1 受電弓與剛性接觸網(wǎng)建模

關(guān)金發(fā)等[6]根據(jù)剛性懸掛弓網(wǎng)系統(tǒng)的特點，推導(dǎo)了受電弓、剛性接觸網(wǎng)、弓網(wǎng)耦合接觸動力方程；通過建立受電弓與剛性接觸網(wǎng)的耦合動力學(xué)模型，經(jīng)過仿真分析給出了剛性弓網(wǎng)動力相互作用指標(biāo)及范圍[7]。

文獻[8]針對160 km/h 速度等級剛性懸掛，從弓網(wǎng)匹配、弓頭懸掛剛度匹配、各速度等級下弓網(wǎng)匹配等方面進行分析，驗證了160 km/h 速度剛性接觸網(wǎng)懸掛的可行性。

3.2 剛性懸掛技術(shù)方案研究

3.2.1 跨距

文獻[9]研究了設(shè)計時速120 km 跨距跟運營速度的關(guān)系，針對不同列車運行速度以及不同剛性懸掛跨距，進行仿真分析，給出了不同運行速度下跨距的推薦值。文獻[10]對剛性接觸網(wǎng)進行了不同跨距、不同速度等級下的弓網(wǎng)動態(tài)仿真分析，得出了速度為160 km/h 的剛性接觸網(wǎng)跨距。不同速度下剛性接觸網(wǎng)跨距選擇建議如表1 所示[11]。

表1 不同速度下剛性接觸網(wǎng)跨距

3.2.2 平面布置

剛性接觸網(wǎng)平面布置方案主要有兩種，一種為正弦波布置，另一種為之字形布置[12-13]。正弦波布置又包括半波方式和全波方式。

根據(jù)文獻[13]不同布置方式、不同拉出值位置處受電弓磨耗距離可以看出，剛性懸掛接觸網(wǎng)拉出值采用之字形布置相較于正弦波拉出值布置方式具有明顯優(yōu)勢。

3.2.3 錨段關(guān)節(jié)

文獻[10]對不同速度等級下的機械錨段關(guān)節(jié)及膨脹接頭錨段關(guān)節(jié)進行了仿真，并提出了一種新型貫通式膨脹關(guān)節(jié)。但實際應(yīng)用中膨脹接頭錨段關(guān)節(jié)由于其自身質(zhì)量較重，從而導(dǎo)致接觸網(wǎng)運行硬點較大，對快速受流會產(chǎn)生影響。

廣州地鐵18 號線對膨脹接頭進行了改進，減輕了其質(zhì)量，但還是存在一些客觀問題，需要很高的安裝精度，加大了施工及運營維護難度。因此，建議在快速線路剛性懸掛設(shè)計時，在能夠滿足弓網(wǎng)快速受流條件下，推薦機械式錨段關(guān)節(jié)為剛性接觸網(wǎng)懸掛分段的首選方案。

3.2.4 剛?cè)徇^渡

文獻[14]建立了剛性懸掛剛?cè)徇^渡弓網(wǎng)仿真模型，設(shè)計了剛?cè)徇^渡結(jié)構(gòu)方案，給出了采用貫通式剛?cè)徇^渡的方式。文獻[15]和[16]從工程技術(shù)角度，通過對160 km/h 速度剛性接觸網(wǎng)懸掛裝置、跨距、拉出值、錨段關(guān)節(jié)、電分段、電分相、剛?cè)徇^渡裝置的選取，以及剛性接觸網(wǎng)施工工藝分析，為以后160 km/h速度剛性接觸網(wǎng)建設(shè)提供了技術(shù)支撐和建設(shè)指導(dǎo)。文獻[17]建立了200 km/h 剛性弓網(wǎng)系統(tǒng)模型，對剛性懸掛零部件進行了方案比選，并提出了適用于200 km/h 剛性接觸網(wǎng)拉出值平面布置方案，初步形成了200 km/h 剛性接觸網(wǎng)零部件選型及可行性方案。

4 剛性接觸網(wǎng)評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國際電工委員會IEC 62486—2017 標(biāo)準(zhǔn)和歐盟TSI鐵路互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范[18]，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)如表2 所示。

表2 A C 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)電流

根據(jù)《交通運輸部辦公廳關(guān)于印發(fā)城市軌道交通初期運營前安全評估技術(shù)規(guī)范 第1 部分：地鐵和輕軌》（交辦運〔2019〕17 號）[19]的通知要求，弓網(wǎng)動態(tài)接觸力測試應(yīng)符合如下相關(guān)技術(shù)指標(biāo)：

1）對于直流1 500 V 制式，測試結(jié)果應(yīng)符合以下評判標(biāo)準(zhǔn)[20]：

平均接觸力的最大值（N）：Fm，max<0.000 97v2＋140；

平均接觸力的最小值（N）：Fm，min>0.00112v2＋70；

標(biāo)準(zhǔn)偏差（N）：σ≤0.3Fm，max。

2）對于交流25 kV 制式，測試結(jié)果應(yīng)符合以下評判標(biāo)準(zhǔn)：

平均接觸力的最大值（N）：Fm，max<0.000 47v2＋90；

平均接觸力的最小值（N）：Fm，mim>0.000 47v2＋60；

標(biāo)準(zhǔn)偏差（N）：σ≤0.3Fm，max。

式中，v 為速度，km/h；Fm，max為平均接觸力的最大值，N；Fm,min為平均接觸力的最小值，N；σ 為標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3）其他制式應(yīng)符合有關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求：

接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測項目主要包括接觸線高度、拉出值和相對位置，其主要技術(shù)指標(biāo)如表3 所示。

表3 接觸線幾何參數(shù)測量技術(shù)指標(biāo)

弓網(wǎng)動態(tài)作用參數(shù)檢測項目主要包括弓網(wǎng)接觸力、硬點和弓網(wǎng)燃弧等，其主要技術(shù)指標(biāo)如表4 所示。

表4 弓網(wǎng)動態(tài)作用參數(shù)測量技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)語

160 km/h 速度剛性接觸網(wǎng)在系統(tǒng)零部件、動力學(xué)仿真、弓網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系和檢測技術(shù)等方面已經(jīng)有了一定的研究，取得了不錯的成果，但也存在著一些工程實際問題，有待進一步完善。

隨著160 km/h 速度剛性接觸網(wǎng)實際工程應(yīng)用的不斷增多，以及川藏鐵路的開工建設(shè)，最高速度達200 km/h 的剛性接觸網(wǎng)懸掛也給設(shè)計及研究人員帶來了新的技術(shù)挑戰(zhàn)，快速剛性接觸網(wǎng)研究還需解決以下問題：

1）既有架空剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較單一，根據(jù)不同設(shè)計時速的要求，剛性接觸網(wǎng)應(yīng)具有不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，針對運行速度更高的剛性接觸網(wǎng)，需充分論證現(xiàn)有剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性。

2）應(yīng)用剛性接觸網(wǎng)動力學(xué)仿真技術(shù)，解決現(xiàn)有剛性接觸網(wǎng)在工程實際應(yīng)用中的一些問題，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及平面布置，延長剛性接觸網(wǎng)零部件的使用壽命，降低施工安裝難度及后期運營維護成本。

3）建立快速剛性接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化體系，制定設(shè)計、施工、驗收、維修等全壽命周期的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。