杨凤凤
深圳市地铁集团有限公司运营总部
摘要：地铁刚性接触网具有无轴向张力、结构简单、检修维护工作量小等优势，在地铁建设中极受欢迎。地铁牵引供电系统运行的优劣主要判断标准是授流质量，而授流质量的好坏主要由弓网关系所决定。因此，改善弓网关系对减少磨耗具有重要意义。
关键词：刚性接触网；弓网关系；磨耗；弹性；授流质量
一、刚性接触网磨耗过大的危害与产生原因
接触网系统磨耗过大会造成电阻增加，降低系统的使用寿命以及增加维修成本等。在刚性接触网运行中产生的磨耗主要分电气磨耗与机械磨耗两类，其中又以电气磨耗为主导因素。对于接触网来说，磨耗量的大小与诸多因素有关，在不同工程实际的影响面也不尽相同。在实际运行中，不论是广州地铁，还是苏州、郑州、深圳等城市轨道交通均有出现磨耗量偏大的现象。结合大量现场实际情况，磨耗与关节、减震道床、转弯、导高变化率等因素均相关。当相关因素单独作用时，接触线磨耗情况并不明显。但当几个因素共同作用时，接触网磨耗明显，尤其是在机车加速区段。
结合刚性悬挂授流分析，架空刚性悬挂弹性较小而刚度较大，在上述特殊区段，受电弓与接触网系统之间的跟随性、匹配性等不一致，是造成该区段导线磨耗不均匀的主要原因。
二、减少刚性接触网磨耗的措施
架空刚性悬挂接触网部分区段弓网磨耗较严重，从接触网刚性悬挂弹性角度进行探讨，将既有悬挂系统刚度降低，这样一来又可以提高系统弹性以缓解弓网之间的磨耗，比较适合地铁的特点，对悬挂结构的刚度进行模拟研究，减少整个悬挂系统的刚度。
受电弓本身的弹性性能和接触网决定了弓网授流体系的等效刚度，它随受电弓和接触网结构及参数的改变而改变。对碳滑板而言，其位移变化趋势则是随着刚度的减小而增大。对于刚性接触网，导线抬升和碳滑板最大振幅都能满足要求，对于刚性接触网，一般接触压力小于 70N，弓网就会发生离线产生拉弧现象，从而加速导线的电气磨耗。现假定电客车受电弓参数以及运行状态均不变，在当前刚性接触网等效刚度作用下，利用有限元分析法进行模拟分析，来分析悬挂系统的刚度对授流质量的影响。
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图1 刚性接触网恳挂结构等效计算模
在施工过程中，由于客观原因导致接触线与轨道不平行，从而需要调节悬挂结构使得接触线与轨道平行或接近平行，导致其等效参数不同。应用非线性和动力有限元的基本原理，对弓网关系进行的耦合仿真研究结果表明只改变刚性接触网的刚度，不考虑悬挂机构等效质量的变化，不改变其质量时前、后受电弓接触力极值、均值等的变化情况，研究接触力的变化情况。从下表的数据中可以看出当刚性接触网系统刚度降低一个至四个数量级时接触力的极值、均值、幅值和碳滑板最低位移的变化。其中刚性接触网系统刚度的变化对接触力的影响无规律可寻，但是其刚度变小导致接触网变柔，因此受电弓滑板最大位移随刚度的变大而变小。因此，接触网系统刚度在原来基础上增大或减小一个数量级对授流效果的影响是不可忽视的，减小两个数量级时，由于接触网相对刚度下降了，但受流效果不好。当其刚度降低三个数量级时，受电弓接触力变化情况是最大值最小，最小值最大，幅值最小，均方差最小，表明此时弓网授流质量最佳。当再继续降低其系统刚度的数量级时，弓网授流质量又明显变差。说明接触网系统刚度的取值不是越小越好，而是要找到一个最佳的值。由于悬挂机构处为接触网系统的固定约束点，其自重及弛度作用下，接触力的最小值一般出现在悬挂点来车方向附近，因此选用合适的系统刚度，其对授流效果影响较大。
表1 悬挂机构刚度对接触力的影响
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通过上述结果分析，我们将系统刚度降低三个数量级与原来的进行对比来具体说明悬挂机构刚度的影响。下图为不同刚度条件下接触力变化曲线对比。从图中可以看出，刚性悬挂机构的刚度变化前后，接触力的最小值都恰好出现在悬挂点附近，而且与原来刚度时相比，当悬挂机构等效刚度降低三个数量级时，即增加了刚性悬挂结构的弹性，其最小接触压力可达 75N，与电客车正常运行时最小接触压力相当。从图中也可以看出等效刚度下降三个数量级，受电弓接触力的最大值要减小很多，最小值也比降低刚度前大，受流情况要好很多，后面的授流情况也比原来改善很多。
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图 2 不同刚度条件下接触力变化曲线对比图
因此，在满足接触网系统抬升量及碳滑板位移限值要求的情况下，应尽量选用等效刚度较小的接触网和受电弓。减少系统刚度可以适当地改善弓网关系，并可改善高速授流，如果系统刚度过大，接触网系统的微小振动都会引起弓网接触力的较大变化，如果系统刚度过小，则碳滑板易于产生相对运动，所以适当减小系统刚度有利于提高跟随性，改善授流质量。
模拟结果显示：为有利于受电弓受流，接触刚度应控制在一定范围之内。不考虑悬吊结构等效质量的变化，仅改变其等效刚度时，以前面模拟刚性悬吊结构为例，其等效刚度为 k 约为4×107N／m。根据模拟结果，其最优值应降低3个数量级，kep ≈4×104N／m。
影响刚性接触网悬挂结构等效刚度和等效质量的因素有构件的长度、力学性能、线密度、汇流排悬挂位置等。其中构件长度受强度的限制，其影响最多可达一个数量级；悬挂位置由端部向中部移动时，其等效刚度逐渐降低，最多可达一个数量级；抗弯刚度仅随槽钢型号而变化，其影响同样有限；构件的抗拉刚度：钢材的弹性模量是固定的，连接螺栓的规格及截面面积变化有限，因此螺栓的抗拉刚度对等效刚度的影响较小。然而，随着技术发展绝缘子和线夹的弹性模量可根据需要在较大的范围内调整，
故其力学性能对等效刚度的影响最大。
据调查，国际上就如何减少架空刚性接触网悬挂结构刚度，增加系统弹性进行研究，并且采用了将悬挂螺杆改为弹性螺杆、定位线夹改为弹性定位线夹、把悬挂绝缘子改为弹性绝缘子等方案。这些方案在一定程度上增加了刚性接触网系统悬挂的弹性，提高了刚性悬挂受电弓的匹配性，同时改善了授流效果。国内的地铁建设者也在广佛线、杭州地铁等应用了弹性绝缘子和弹性定位线夹以降低刚性接触网悬挂结构刚度，增加系统弹性，从而改善弓网授流质量。
目前应用较多的弹性绝缘子和弹性定位线夹方案，其工作原理是相同的，均是利用结构部件的高弹性变形特性减小原有悬挂系统的刚度值，从而缓解了受电弓可能对刚性接触网的冲击，使弓网授流更趋平稳，达到改善弓网的动态受流性能及减少接触网异常电气磨损的目的。
随着技术研发能力的提高，弹性悬挂绝缘子和弹性定位线夹已经可以实现整合，将两个部件合二为一成弹性绝缘悬挂组件。其工作原理为：当汇流排安装在弹性绝缘悬挂组件上，在汇流排及接触线自重的作用下，弹性绝缘悬挂组件的橡胶弹性元件产生形变，达到力学平衡。当电客车受电弓滑过悬挂点时，由于受电弓向上冲击力作用，橡胶弹性元件的形变得到恢复，在避让受电弓冲击的同时吸收了冲击能量和列车运动所产生的振动，从而克服了硬点的产生，也减小了受电弓的离线率，提高弓网的授流质量，减缓了弓网的磨耗。
三、 解决方案
采用具有径向大刚度、轴向高弹性的弹性绝缘悬挂组件能有效减小刚性接触网悬挂系统的刚度值，减缓弓网磨耗，改善弓网授流质量。今后在刚性悬挂接触网系统中可以采用弹性绝缘悬挂组件，但还应注意以下问题：弹性绝缘子不易从外观判断其弹性是否失效，失效后对系统的影响有多大；弹性绝缘子为橡胶弹性元件，由于其新产品投入市场是近几年的事情，能否满足接触网系统 20 年大修年限的要求还有待在今后的实际运用中进行验证。从减少地铁刚性接触网悬挂系统的弓网磨耗和改善弓网授流质量的角度出发，就目前的技术能力采用弹性绝缘悬挂组件是最优方案。
参考文献:
[1]张道俊，张韬.接触网运营检修与管理.中国铁道出版社.
论文作者:杨凤凤
论文发表刊物:《基层建设》2016年32期
论文发表时间:2017/1/17
标签：刚度论文; 磨耗论文; 刚性论文; 弹性论文; 系统论文; 流质论文; 数量级论文; 《基层建设》2016年32期论文;