接触网刚性悬挂拉出值布置方式比较

2013-09-25尹魁元

城市轨道交通研究 2013年2期

尹魁元

（铁道第三勘察设计院集团有限公司，300251，天津∥工程师）

目前，在我国城市轨道交通中，牵引网主要采用架空柔性悬挂、架空刚性悬挂、接触轨等3种形式，但以架空刚性悬挂为主，而且在今后新建的城市轨道交通中仍将以架空刚性悬挂为主。在已经建成运营的架空刚性悬挂线路中，普遍存在受电弓磨耗不均匀的问题，主要体现在受电弓两个半弓磨耗不一致以及受电弓在最大拉出值附近磨耗大，磨耗严重的会出现凹槽。受电弓磨耗不均匀容易引起离线、产生电火花等问题，而这又加重了对受电弓及接触线的损伤，形成恶性循环。造成受电弓磨耗不均匀的主要原因是接触网拉出值平面布置不当。

牵引网的接触线直接与列车受电弓接触。为保证受电弓和接触线可靠接触、不脱线，以及保证受电弓磨损均匀，接触线在线路上要按技术要求安装在固定位置。即在定位点处保证接触线与受电弓滑板中心有一特定的距离。这个距离被称为拉出值，用符号“a”表示。在柔性悬挂中，接触网可以按照“之”字形布置，这样接触线离线路中心的变化率是稳定的值，受电弓在工作时与接触线的磨耗也是均匀的。而在刚性悬挂中，由于汇流排无法按照“之”字形来布置，因此，在刚性悬挂中需要采用变通的方式来进行拉出值布置。

1 两种拉出值布置方式

1.1 正弦波拉出值布置方式

在目前已经建成运营的城市轨道交通线路中，牵引网刚性悬挂采用正弦波拉出值布置方式的线路占绝大多数。在这些线路中，接触线及受电弓磨耗不均匀现象比较严重，尤其是受电弓磨耗不均匀的现象非常明显。

根据刚性悬挂正弦波的排布规律，在理论上，接触网悬挂点在线路两侧的排布数量基本是等同的，汇流排在线路两侧的排布总长也基本是等同的，因此，受电弓在一条线路上经多年滑动之后，受电弓碳滑板上两个半弓的磨耗分布应是均匀的。这是最理想的设计效果。但是，上述分析仅适用于直线段工程。当线路进入曲线地段以后，在早期的地铁工程中，汇流排往往被布置在曲线外侧。这种做法沿用了柔性悬挂拉出值曲线外侧布置的原则。如果汇流排位于曲线内侧，其轨迹往往近似于一条直线，与汇流排的正弦波轨迹不符。因此，在曲线较多的线路上，尤其是在环线线路上，受电弓两个半弓磨耗不一致的问题非常突出。解决这一问题可以采取如下措施：统一将曲线地段按照直线地段考虑，不考虑正弦波的绝对轨迹，而是考虑正弦波以受电弓为中心的相对轨迹；悬挂点数量的分布以受电弓为中心，在其两侧绝对平分。这样可以保证受电弓两侧两个半弓磨耗一致。在最近几年的城市轨道交通建设中一般都采用将曲线地段按照直线地段考虑的方案。但在采用此种布置方式的项目中，又出现了受电弓在最大拉出值附近磨耗非常严重的现象。最严重的会形成局部的凹槽，缩短了受电弓的使用寿命。下面以一个典型锚段为例来分析出现这种状况的原因。

当刚性悬挂拉出值的平面布置采用正弦波布置方式时，无论是直线区段还是曲线区段，均按直线区段考虑布置拉出值（见图1、图2）。由于汇流排的横向刚度较小，所以通过人工操作就可以实现这种平滑自然的弯曲。汇流排的人工弯曲最小半径为80 m，允许的最小弯曲半径为45m。

图1 刚性悬挂半个正弦波拉出值布置示意图

图2 刚性悬挂一个正弦波拉出值布置示意图

正弦波布置的公式为：

式中：

a——最大拉出值，一般取值为200mm；

λ——正弦波半波长度，相当于柔性悬挂中的跨距；

x——距离拉出值为0的悬挂点的距离；

y——x点处的拉出值。

在刚性悬挂平面布置中，一般采用关节式锚段关节。锚段长度通过计算一般不超过250m，每个锚段两端均有一根长7.5m的终端汇流排。为了减少现场截取汇流排的数量，在平面布置中每个锚段均尽量采用整根汇流排。因此，锚段长度一般可以选取的值为（n×12＋15）m（n为整数，锚段长度最大不超过250m）。在实际工程中，锚段长度采用最多的是219m、231m和243m。而在正弦波方式拉出值平面布置中，关键就是λ的取值。可以选取一个范围内的值（一般可以采用50～90m），以达到一个锚段内有整数个半波的目的。

要确定λ的取值，首先确定一个锚段的长度。在图1、图2所示的各个悬挂点中，悬挂点A为最大拉出值，取值为200mm；悬挂点C为非绝缘关节时拉出值，为100mm；绝缘关节时，拉出值为150 mm。通过A，C这两个悬挂点即可计算出λ。

现以一个锚段长度为231m的锚段，定量分析λ取不同数值时（λ＝95.75m时，一个锚段里有一个正弦波；λ＝67.02m时，一个锚段里有一个半正弦波；λ＝51.56m时，一个锚段里有两个正弦波），不同拉出值位置处受电弓的磨耗距离（见表1）。

由表1可见，采用正弦波拉出值布置方式时，无论λ取值是多少，在相同的拉出值范围内，受电弓磨耗距离占对应正弦波的百分比是相同的。由此可得如下结论：当采用正弦波拉出值布置方式时，λ的取值对受电弓的磨耗均匀与否没有影响，也即选择正弦波波长的大小与受电弓的磨耗均匀与否无关。

由表1还可见：在拉出值190～200mm区间内受电弓磨耗距离特别大，磨耗距离占正弦波的百分比达20%以上；其它相同拉出值变化范围内受电弓磨耗距离很小，磨耗距离占正弦波的百分比基本在3%～8.5%之间；越是拉出值接近0的位置，相同拉出值变化范围内受电弓磨耗距离越小。从式（1）也同样可以发现：无论采用何种布置方式，在拉出值为0的附近，拉出值变化率大，说明受电弓在拉出值为0的附近磨耗距离短，相应磨耗就轻；而在最大拉出值附近，拉出值变化率小，说明受电弓在最大拉出值的附近磨耗距离长，相应磨耗就严重。因此，完全按照正弦波布置方式布置时受电弓磨耗就不均匀，在最大拉出值处磨耗最严重。在已经运营的线路中，受电弓甚至经常在最大拉出值附近磨出凹槽。而一旦受电弓磨耗不均匀，离线率就高，就易产生电火花，对接触线和受电弓都会有损伤，形成恶性循环。

1.2 “八”字拉出值布置方式

为了使受电弓磨耗均匀，提高受流质量，要实现受电弓在相同移动距离的情况下拉出值的变化率一致，现研究一种新的刚性悬挂拉出值平面布置方式，无论是直线区段还是曲线区段，同样均按直线区段统一考虑，即不考虑汇流排的绝对轨迹，而是考虑汇流排以受电弓为中心的相对轨迹；让悬挂点数量以受电弓为中心在其两侧绝对平分，拉出值均匀布置，以保证导线在受电弓上的变化速率基本一致。

表1 锚段长度为231m时不同λ的受电弓磨耗距离

刚性悬挂拉出值一般按2.5～10.0mm／m（根据不同锚段长度确定）左右的拉出值变化率确定。考虑到汇流排的横向刚度，在最大拉出值附近的两三个悬挂点仍按照正弦波曲线布置（其中一个为最大拉出值，如图3和图4中的悬挂点A；另外两个称之为次最大拉出值，如图3和图4中的悬挂点B）。在锚段内剩余其它位置按照拉出值变化率布置，即可保证导线在受电弓上的变化速率基本一致，从而可以解决受电弓磨耗不均匀问题。汇流排的人工弯曲最小半径为80m。最大拉出值附近的两三悬挂点按照曲线布置时，弯曲半径不能超过此值。悬挂点A与悬挂点B的距离一般为8m，拉出值可以选择在170～200mm之间（弯曲半径1 000m以上）。在人防门、防淹门、道岔区等特殊区段可根据具体情况选取拉出值。人防门处刚性悬挂拉出值一般为0。此种布置方式形状近似“八”字，故称之为“八”字形拉出值布置方式（如图3、图4所示）。

图3 刚性悬挂单“八”字拉出值布置示意图

图4 刚性悬挂双“八”字拉出值布置示意图

在“八”字拉出值布置方式中，确定拉出值变化率是关键。现分别通过单“八”字和双“八”字两种情况说明如何确定拉出值变化率。

在单“八”字拉出值布置方式中，先确定拉出值变化范围，即B点拉出值（一般可取值170mm）和C点拉出值（非绝缘关节取值为100mm，绝缘关节取值为150mm）；然后确定B点和C点沿线路方向的距离。最大拉出值悬挂点A和次最大拉出值悬挂点B间距一般为8m，C点距离锚段终端为3.8m。由此可确定B点和C点沿线路方向的距离为（L／2－8－3.6）m （L为锚段长度），拉出值变化率为270／（L／2－8－3.6）或者320／（L／2－8－3.6），然后即可计算出其它各个悬挂点的拉出值。

在双“八”字拉出值布置方式中，一个锚段内采用拉出值变化率来确定拉出值的共分为三段，即锚段两端各一段和锚段中间一段。对于锚段两端的拉出值变化率确定方式跟单“八”字类似，先确定拉出值变化范围，即B点拉出值（一般可取值170mm）和C点拉出值（非绝缘关节取值为100mm，绝缘关节取值为150mm），然后确定B点和C点沿线路方向的距离；最大拉出值悬挂点A和次最大拉出值悬挂点B间距一般为8m，C点距离锚段终端为3.8m，由此可确定B点和C点沿线路方向的距离为（L／4－8－3.6）m，拉出值变化率为270／（L／4－8－3.6）或者320／（L／4－8－3.6）。对于锚段中间的那一段拉出值变化率的确定方式，首先确定直线段拉出值变化范围，即B点拉出值（一般可取值170mm），然后确定锚段中间的两个B点沿线路方向的距离；最大拉出值悬挂点A和次最大拉出值悬挂点B间距一般为8m，可确定锚段中间的两个B点沿线路方向的距离为（L／2－16）m，拉出值变化率为340／（L／2－16）。然后即可计算出其它各个悬挂点的拉出值。

2 两种拉出值布置方式的优缺点

2.1 正弦波拉出值布置方式的优缺点

直线段汇流排轨迹完全按照正弦波布置，而在曲线段统一按照直线段考虑（即不考虑正弦波的绝对轨迹，仅考虑正弦波以受电弓为中心的相对轨迹，让悬挂点数量以受电弓为中心，在其两侧绝对平分）。其优点是可保证两侧两个半弓磨耗一致；缺点是受电弓在最大拉出值附近的磨耗非常严重，最严重的会形成局部凹槽磨损，缩短了受电弓使用寿命。

2.2 “八”字拉出值布置方式的优缺点

在“八”字拉出值布置方式中，考虑到汇流排的横向刚度，刚性悬挂所用汇流排无法按照柔性悬挂的“之”字方式布置，而是在最大拉出值处布置时采用满足汇流排横向刚度要求的正弦波布置方式，在其它悬挂拉出值处布置时采用拉出值变化率布置方式，以保证接触线在受电弓上的变化速率基本一致。“八”字拉出值布置方式近似柔性悬挂中的“之”字布置方式。统一将曲线地段按照直线地段考虑，不考虑汇流排的绝对轨迹，而是考虑汇流排以受电弓为中心的相对轨迹，让悬挂点数量以受电弓为中心，在其两侧绝对平分，以保证受电弓两侧的两个半弓磨耗一致，增加受电弓使用寿命，提高受流质量。

但是，采用“八”字拉出值布置方式存在一个问题，就是在最大拉出值悬挂点A处及次最大拉出值悬挂点B处，B，A，B三个点按照正弦曲线来布置，其曲线半径比采用正弦波时小得多。通过计算，采用“八”字拉出值布置方式时，B，A，B三个点的曲线半径一般为1 000～2 000m，而采用正弦波拉出值布置方式时最大拉出值附近三个悬挂点处的曲线半径一般为6 000m以上。由于汇流排有一定刚度，在最大拉出值处弯曲半径越小则悬挂汇流排的线夹、绝缘子及吊架等横向受力就越大（横向即垂直线路方向），尤其对于汇流排线夹和绝缘子来说，线夹的横向受力明显加大，而绝缘子的抗弯要求会更高。