刚性接触网拉出值布置与磨耗分析

白凯元

(重庆市轨道交通设计研究院有限责任公司,400020,重庆∥工程师)



刚性接触网拉出值布置与磨耗分析

白凯元

(重庆市轨道交通设计研究院有限责任公司,400020,重庆∥工程师)

从地铁接触网单“八”字拉出值布置方式入手,并结合重庆地铁6号线刚性悬挂拉出值布置方式,依据更合理利用受电弓滑板的原则,对接触网拉出值布置进行优化,得到变坡“八”字拉出值布置方案。全面统计并分析不同拉出值区段汇流排的分布,并采用全线统一考虑的设计思路,实现增加受电弓的使用寿命、提高授流质量的目的。

地铁; 刚性接触网; 受电弓; 拉出值

Author′s address Chongqing Rail Transit Design and Research Institute Co.,Ltd.,400020,Chongqing,China

目前,我国地铁刚性接触网主要采用正弦波以及“八”字拉出值布置方式。采用传统正弦波拉出值布置方式易产生受电弓磨耗不均情况,而“八”字拉出值布置方式可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,提高授流质量[1]。故从简述单“八”字拉出值的布置入手,基于提高受电弓的使用寿命,结合重庆地铁6号线刚性接触网拉出值布置及受电弓实际磨耗情况,提出较合理的优化方案。

1 单“八”字拉出值布置方式

此种刚性接触网拉出值布置形状近似“八”字,并且1个锚段之内只有1个“八”字,故称之为单“八”字拉出值布置方式(如图1所示)[1]。在单“八”字拉出值布置方式中,曲线区段及直线区段均统一按照直线区段考虑; 只考虑汇流排相对于受电弓中心的相对轨迹; 让悬挂点在受电弓中心两侧均匀分布;在最大拉出值位置设置中锚; 中锚两侧的半锚段内,根据锚段长度的不同,一般按照2.5～10.0 mm/m的拉出值变化率布置。这种布置方式在中锚及两侧最近的一个悬挂点仍按照正弦波曲线布置,且一般以2个锚段为1个周期。

注:A、B、C、D为关键悬挂点图1 刚性悬挂单“八”字拉出值布置方式示意图

2 重庆地铁6号线“八”字拉出值布置

重庆地铁6号线刚性接触网(以下简称“6号线”)采用了改进的单“八”字的拉出值布置方式。6号线接触网最大拉出值为250 mm,设置于中锚位置;中锚两侧的汇流排按照一定的拉出值变化率布置;每个半锚段的拉出值变化率又根据锚段长度的不同,大致按照2.5～5.0 mm/m选用;关节处按2.5 mm/m的拉出值变化率统一设置。与传统单“八”字拉出值布置方式不同的是,6号线的改进单“八”字拉出值布置方式没有利用正弦波曲线,而采用4个锚段为1个周期的布置方式,并通过改变周期及关节等设置,对传统“八”字拉出值布置方式进行了优化。图2为6号线1个周期的典型锚段布置图。

磨耗距离表示一定线路范围内受电弓接触到的汇流排长度。实际分析中,假定各悬挂点以及各跨中都与受电弓均匀良好地接触,故本文分析中均以一定线路范围内的汇流排长度表示磨耗距离。锚段末端上翘部分不与受电弓接触,故不计入磨耗距离。

图2 6号线1周期的典型锚段布置示意图

单位磨耗距离表示每毫米拉出值区间内的汇流排分布长度。

根据图2的各半锚段拉出值变化率,在拉出值为0～10 mm、10～70 mm、70～130 mm、130～190 mm及190～250 mm等5个区间,单位磨耗距离分别为2.42 m/mm、2.05 m/mm、1.75 m/mm、1.45 m/mm及1.21 m/mm。

锚段的最后1个悬挂点一般都要求抬高,而且理论上这个点是不与受电弓接触的。但是,受施工误差及汇流排终端上翘工艺等因素的影响,很多时候,受电弓从这里开始即接触到汇流排。为了便于分析,假定受电弓与锚段内的每个悬挂点及跨中部分都均匀良好地接触。6号线关节处2个悬挂点间距为2 m,根据图2的关节拉出值数据,关节处的单位磨耗距离为0.4 m/mm。也就是说,在拉出值为10～15 mm、70～75 mm、130～135 mm及190～195 mm的区间内,会叠加1个0.4 m/mm的单位磨耗距离。结合关节外的单位磨耗距离可以看出,最大的单位磨耗距离为2.45 m/mm,出现在拉出值为10～15 mm区间。

综上,6号线的拉出值设置基本上保持了对称性。经过对6号线受电弓磨痕(见图3)的观察也可看出,采用该方式的受电弓磨痕较平滑,其授流质量能得到保证。

图3 现拉出值布置方式的受电弓磨痕

3 拉出值布置优化方案

虽然6号线的拉出值布置比较合理,但由于半锚段采用统一的拉出值变化率,而且受关节处拉出值设置的影响,仍出现了受电弓中部磨耗大、两侧利用率低的问题。根据计算,在假设悬挂点及各跨中都与受电弓均匀良好接触的前提下,6号线在1个周期内的磨耗距离为837.6 m,最大单位磨耗距离为2.45 m/mm。折算可得,在1 000 m的磨耗距离下,最大单位磨耗距离为2.93 m/mm。在1 000 m的磨耗距离下,且最大拉出值按照250 mm设置时,理想状态下的单位磨耗距离为2.00 m/mm。故拉出值布置存在很大的改进空间。为此,本文提出了一种变坡“八”字拉出值布置方案作为拉出值布置优化方案。

3.1 优化原则

变坡“八”字拉出值布置方案遵循以下几点优化原则:

(1) 继承6号线中关于最大拉出值及中锚设置、典型锚段、曲线区段的处理原则,以及4个锚段为1个周期等设计思路。

(2) 将拉出值分为不同的区段。虽各区段的拉出值变化率不一致,但可使每个区段内的拉出值变化率保持一致,以做到拉出值的对称分布。

(3) 数据分析均不考虑汇流排的刚度。所有区段全部按照理想的直线段考虑。

(4) 假定受电弓与锚段内的每一个悬挂点以及跨中部分的接触都均匀良好。

(5) 为减小绝缘关节和非绝缘关节间距不一致对汇流排分布的影响,全部关节的间距均按绝缘关节的要求设置。

(6) 按照半个锚段长度不大于125 m,并将拉出值变化率控制在2.5～5 mm/m的原则进行优化。

3.2 优化方案的单位磨耗距离计算及分析

借鉴6号线的经验,将关节和中间悬挂点分开讨论。可以看出,关节的拉出值变化率设定对整体的影响比较大。关节拉出值变化率取值越大,关节对最大单位磨耗距离的影响就越小。本文取10 mm/2 m的关节拉出值变化率进行分析。

根据改进原则及关节拉出值变化率的设置思路,假定某方向拉出值为正,另一向拉出值为负,并将拉出值划分为18个区间。优化方案1个周期的设置如图4所示。考虑到拉出值平滑,而且单位磨耗距离以拉出值为0的位置为中心向两侧递减,故得到变坡“八”字拉出值的计算结果(见表1)。根据表1,在磨耗最严重的区段,单位磨耗距离为1.78 m/mm,1个周期内的磨耗距离为838 m。折算得到1 000 m磨耗距离对应的最大单位磨耗距离为2.12 m/mm。

鉴于接触网刚性悬挂的特殊性,并考虑施工误差等因素,刚性接触网无法完全做到如柔性接触网“之”字布置下的均匀分布。

图4 变坡“八”字拉出值布置方式的1周期锚段设置示意图

拉出值区间/mm拉出值变化率/(mm/m)锚段1(100～-250～180mm)锚段2(-140～250～-180mm)锚段3(140～-250～220mm)锚段4(-100～250～-220mm)左半锚段长度/m右半锚段长度/m左半锚段长度/m右半锚段长度/m左半锚段长度/m右半锚段长度/m左半锚段长度/m右半锚段长度/m单位磨耗距离/m/mm250～2202.8010.7110.7110.7110.711.43220～2103.153.173.172.003.173.171.47210～1803.159.529.529.529.529.521.59180～1703.552.002.822.822.822.822.821.61170～1403.558.458.458.458.458.458.451.69140～1304.002.502.502.502.002.502.502.501.70130～1004.007.507.507.507.507.507.507.501.75100～904.502.002.222.222.222.222.222.222.221.7590～04.5020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.001.780～-904.5020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.0020.001.78-90～-1004.502.222.222.222.222.222.222.002.221.75-100～-1304.007.507.507.57.507.507.507.501.75-130～-1404.002.502.502.002.502.502.502.501.70-140～-1703.558.458.458.458.458.458.451.69-170～-1803.552.822.822.002.822.822.821.61-180～-2103.159.529.529.529.529.521.59-210～-2203.153.173.173.173.172.001.47-220～-2502.8010.7110.7110.7110.711.43

3.3 典型锚段设计

锚段设计应采用标准化的设计思路。首先,根据表1,可分别画出拉出值区间-100～0～250 mm、-140～0～250 mm、-180～0～250 mm及-220～0～250 mm等4个半锚段;然后,根据技术及经济跨距进行半锚段内的悬挂点布置;布置完成之后,分别计算每个悬挂点的拉出值;最后,将这4个半锚段组合成1个周期内的4个典型锚段(见图4)。

当悬挂点布置完成以后,会出现部分跨距跨越2个拉出值区间的问题。该跨距内的汇流排轨迹将发生变化,会略微加深小拉出值区间内的单位磨耗距离。故宜将最小拉出值区间作为关键悬挂点(按表1进行设置时,宜将拉出值为90 mm处设为关键悬挂点),以保证不增大最大单位磨耗距离。

3.4 整体设计的思路

在刚性接触网的设计中,应尽量采用典型锚段。但受接触网上网点位置及区间结构断面等因素的影响,设计中会出现很多非典型锚段。在非典型锚段设计时,可根据典型锚段各拉出值区间的单位磨耗距离设定情况,减小单位磨耗距离较大的拉出值区间的汇流排布置比例,进一步降低整体的最大单位磨耗距离值。

4 结语

变坡“八”字拉出值布置方案主要通过改变拉出值在不同区间的变化率来实现。其拉出值变化率一般按照2.5～5.0 mm/m设置,且中锚附近的拉出值变化率很小。这对汇流排线夹及绝缘子的弯矩要求没有大幅提高。而且,通过改变拉出值变化率的方式,可大幅优化采用确定拉出值变化率情况下的磨耗分布。这是一个不错的设计方向。但受经济及技术跨距的影响,不可能完全按照所设定的拉出值区间进行定位。由此会造成一定的不确定性磨耗。但是,通过设计过程中的统计和分析,可在非典型锚段布置时予以克服。因此,优化后的变坡“八”字拉出值布置方式是一种可控、可靠的拉出值布置方式。

[1] 尹魁元.接触网刚性悬挂拉出值布置方式比较[J].城市轨道交通研究,2013(2):81-84.

[2] 于松伟,杨兴山,韩连祥,等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都:西南交通大学出版社,2008.

[3] 于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都:西南交通大学出版社,2003.

Analysis of Rigid Catenary Stagger Layout and Wear

BAI Kaiyuan

Taking the subway catenary stagger layout with “zigzag” wire contact into account,combined with the modality of rigid catenary suspension stagger layout on Chongqing metro Line 6,a more optimal blue print of catenary stagger layout is proposed based on the principle of more rational use of the pantograph collector strip.A comprehensive statistical analysis of different segments stagger layout of the bus bar distribution is provided by using the full range of unified design ideas,in order to increase the service life of pantograph and improve the stream quality.

subway; rigid catenary; pantograph; stagger

U225.5；U226.5+4

10.16037/j.1007-869x.2017.06.033

2015-10-28)