深圳市地铁集团有限公司运营总部
摘要：由于地铁线路通常都是在隧道内，为了减小隧道断面和隧道净空通常采用刚性悬挂接触网来为地铁车辆供能。此外，刚性悬挂接触网还具有结构简单、机械可靠性好（允许磨耗大）及施工维护量小等诸多优点，这也使得其在地下轨道交通中得到了越来越多的应用。而跨距参数失效对刚性接触网失效会带来哪些影响呢？
关键词：地铁；刚性接触网；失效影响
1 刚性接触网结构及安装形式
刚性悬挂接触网的结构主要由在隧道顶部钻孔安装的悬挂装置、固定接触线的汇流排装置以及接触线三部分组成。接触线安装在汇流排上以此来提高接触线的抗弯刚度，常用的汇流排有“ ”形和“T”形两种截面结构；而汇流排每隔一段长度就用悬挂装置将其固定在洞壁顶部上。两悬挂点之间的距离称之为刚性接触网的跨距。
2 刚性接触网跨距参数失效
对于刚性悬挂接触网，为了从接触网角度保证弓网受流的质量，其接触网的设计参数必须合理。刚性接触网自身的结构参数是接触网设计的基础，其中较为重要的一个参数就是接触网的跨距。在列车运行取流的过程中，尤其在高速情况下，为了保证弓网之间有良好的受流性能，要求接触线与轨面的垂直距离要保持统一的高度，这就与跨距的选取密切相关，因为跨距长度的选取会直接关系到接触线在自重作用下的下悬状态。同时，跨距的不同还会造成接触线弹性均匀度的差异，有研究表明：接触网的弹性均匀度越好，受电弓通过时弓网的受流质量越好。综上，刚性悬挂接触网的跨距参数对于接触网自身的振动特性以及弓网之间的动态性能都至关重要，因此有必要对接触网跨距失效所带来的影响进行研究。
3 跨距对接触网的影响
3.1 跨距对接触网驰度的影响
接触线在一跨内的驰度的定义是：从接触线垂弧的最低点到连接两悬挂点间的垂直距离。因为接触网在一跨内可以看作是两端悬挂点在同一水平高度的等高悬挂，所以，接触网的驰度就是跨中位置到悬挂点的垂直距离。
刚性接触网是把接触导线和悬挂系统一起当成具有一定刚度的梁来进行研究，因此刚性梁可以看作在跨距内均匀分布载荷的简支梁，由此刚性悬挂接触网一跨的驰度可近似看作均匀分布载荷的简支梁在其自重下的最大挠度，可用下式表示：
式中：q为刚性梁的线密度；E为弹性模量；I为重心主惯性矩；L为跨距。
从刚性梁的参数可以得到不同跨距情况下的跨中最大挠度，其跨中挠度曲线如图2所示。
由图1可以看出，跨中挠度随着跨距的增大而增大，也就是说刚性接触网的驰度随着悬挂跨距的增大而增大。一方面，接触网的驰度会直接影响弓网的受流质量。所以为了保证受流质量，跨距的选取要合理。另一方面，接触网跨距越小就意味着接触网的施工投资越大，这也是不容忽视的一个现实问题。
3.2跨距对接触网刚度的影响
为了研究接触网跨距对接触网刚度的影响，本文利用有限元中的模态分析法，对刚性悬挂接触网在几种不同跨距下的结构固有频率和振型进行了计算。下面给出锚段长度为240m，跨距分别为6m，8m，10m的几种刚性悬挂接触网前10阶的固有频率。
从表1中的数据来看，对于相同锚段长度和结构参数的刚性悬挂接触网，其固有频率随着跨距的增大而减小。而自振频率减小则说明刚性悬挂接触网的刚度减小，因此也说明了刚性悬挂的跨距直接影响着刚性接触网的刚度。
接触网的刚度（弹性）会直接影响到弓网之间接触压力变化的快慢程度。刚度大则刚性网自振频率大，自然接触力的变化频率也大；刚度小则刚性悬挂振动慢，则单位时间里接触压力的变化次数会减少。刚性悬挂的刚度若过小，则接触线易产生变形，有类似于柔性接触网容易产生离线的问题，而且会增大对受电弓跟随性的要求。有资料建议在车辆行驶速度为80km/h时，刚性悬挂接触网的最大跨距不宜超过12m。另一方面，若刚性悬挂刚度过大，则接触线对较剧烈的接触压力缓冲作用小，会加大弓网之间的磨耗，减少接触线和受电弓的使用寿命。
综合以上分析，跨距过大会容易产生弓网离线，跨距过小会导致弓网磨耗增大。所以，接触网跨距过大或过小都会带来接触网结构的失效。
3.3跨距对弓网动力学的影响
为了研究接触网不同跨距对弓网受流质量的影响，采用跨距分别为6m，8m，10m的三种刚性接触网，得到受电弓以不同的速度等级通过时弓网系统的动力学性能。图2给出了80km/h，120km/h以及160km/h速度下6m，8m和10m三种接触网跨距的接触压力曲线图。其中黑色实线代表跨距6m，红色虚线代表跨距8m，蓝色实线代表跨距10m。
接触压力是评判与控制弓网动态受流质量的一个重要条件及内容，它可以用来描述受电弓在运行状态下与接触线之间的接触程度与状态。接触压力最大值、最小值以及标准差基本表征了不同工况下弓网之间的受流差异，而接触压力的平均值可以反映出弓网接触压力的整体状态。根据集流质量的评价标准“当采用接触力来评价集流时，接触力的平均值和标准差应作为集流质量的评价标准，并且接触力的平均值减去三倍标准差应为正数”对以上三种速度工况下不同刚性接触网跨距的接触压力进行了统计分析，如下表2所示。同时，为了更为直观地展现三种速度工况下不同跨距值对接触力的影响，用柱状图的形式对其进行了表达，如图3所示。
首先由图3可以清晰地观察到接触压力随运行速度的变化情况，对于6m，8m和10m这三种跨距的接触网，其接触压力随速度的变化趋势都是一致的，即接触压力的最小值随着速度的增大而减小，接触压力的最大值和标准差随着速度的增大而增大。由此可以看出，尽管接触网的跨距值不同，但弓网之间的受流情况都会随着受电弓运行速度的增大而恶化。
其次，再来看同一速度工况下不同跨距对弓网接触压力的影响情况。由图3和表2可见：在速度80km/h时，三种接触网跨距都能满足弓网受流性能的要求，不存在跨距失效的情况。其中采用跨距为6m的接触网系统所得到的接触压力波动幅度最小，说明其动态受流质量最优；对于跨距为8m和10m的接触网系统，8m跨距接触网的接触压力最小值要大于10m跨距的接触网，而8m跨距接触网的接触压力最大值却略大于10m跨距的接触网，但二者的接触压力的标准差基本一样，说明对于跨距为8m和10m的接触网系统其动态受流质量基本接近。在保证受流质量的前提下，考虑到接触网造价等经济方面的因素，在速度为80km/h的情况下，跨距值选取10m最为合理。
当速度提升至120km/h时，仍然是跨距为6m的接触网系统动态受流质量最优；跨距为8m的接触网受流质量次之，但仍然可以保证受电弓有良好的受流质量；而当跨距为10m时，此时接触压力的变化有了大幅度的增加，接触压力最大值从8m跨距时的158.62N增加到了200.54N，最小值从8m跨距时的80.07N减小到了43.19N，标准差也从8m跨距时的18.99N增加到了44.76N，说明在120km/h的情况下，相比于6m和8m跨距的情况，1 0m跨距的接触网系统受流质量有较大程度的恶化现象。同时，注意到此时的接触压力减去3倍标准差己经小于零，因此根据集流质量的评价标准，10m跨距的刚性悬挂接触网系统已经不能满足120km/h的运行工况了。
当速度进一步增加到160km/h时，由图2（c）可以看到此时6m跨距接触网系统的接触压力振荡幅度剧烈，甚至出现了很多离线点（接触压力为零的情况），说明此时的受流情况严重恶化，不能保证受电弓有良好的受流。而当跨距为8m时，弓网受流质量良好，没有出现离线点，接触压力的波动也较小，完全可以满足160km/h的运行工况。当跨距为10m时，相比于6m跨距的接触网，接触压力的最小值有所改善，没有出现离线现象，但接触压力的最大值却有增大的趋势，同时接触压力的波动幅度相比于8m跨距接触网也过大，同样注意到此时的接触压力减去3倍标准差己经小于零，已经不能满足集流质量评价标准。因此，在速度为160km/h的情况下，6m和10m跨距的接触网都不能满足弓网之间有良好的取流质量，跨距值选取8m最为合理。
通过以上分析，我们发现速度在120km/h以内时，跨距越小，弓网的受流质量越好。这个也不难解释，减小跨距也就减小了接触线的挠度，从而可以增加接触线的平直度，提高接触网在一跨内的弹性均匀度。而一般来说，接触网的弹性均匀度越好，弓网受流质量就越好。因而，从提高接触网弹性均匀度来说减小跨距可以使受流质量得到改善。但是当速度为160km/h时，跨距6m的接触网却反而比8m和10m跨距接触网受流情况糟糕很多，甚至是出现了很严重的弓头离线情况。
4 结束语
刚性悬挂接触网的跨距直接影响着接触网的刚度，因此在不同的受电弓运行速度等级下必须选择合适的跨距。为了避免失效的跨距参数对接触网或弓网系统带来不利影响，就要综合考虑接触线刚度一致性以及高速运行时接触线下悬状态带来的周期性激扰这两方面的影响。同时，在弓网系统受到跨距激扰频率带来严重影响的情况下，考虑采用随机跨距的接触网系统可以有效避免倍频现象的产生。
论文作者:李志明
论文发表刊物:《基层建设》2017年第22期
论文发表时间:2017/11/21
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