城市轨道交通刚性接触网拉出值优化

艾东兵

(深圳市地铁集团有限公司，518026，深圳//工程师)

刚性接触网具有零件种类少、维护方便、载流量大、对隧道净空要求较低及接触线无张力等诸多优点，已在城市轨道交通行业被大量推广使用。但刚性接触网拉出值存在一定的设计缺陷，且汇流排刚度较大、弹性较差。根据城市轨道交通多年运行经验，在刚性接触网系统下，普遍存在受电弓滑板不均匀磨耗，甚至滑板局部凹槽等现象，极大地缩短了受电弓滑板的使用寿命。同时，当不均匀磨耗的滑板通过接触网分段绝缘器、锚段关节等设备时，又会与设备发生碰撞，产生拉弧等问题，进而形成恶性循环。

鉴于刚性接触网拉出值布置是造成受电弓碳滑板磨耗不均匀的重要原因，本文通过对现有运行线路的两种刚性接触网典型拉出值布置方式进行深入分析和研究，指出其存在的问题，并据此对刚性接触网拉出值布置进行优化设计，供设计和运营管理部门参考。

1 刚性接触网典型的拉出值布置方式及运行表现

1.1 刚性接触网简介

正线刚性接触网一般采用锚段关节实现机械分段和电气分段。锚段长度一般选取219 m、231 m和243 m。接触网非绝缘锚段关节处2支接触线水平间距一般为200 mm(绝缘关节为300 mm)，锚段关节处2支接触线拉出值为100 mm(绝缘锚段为150 mm)。为便于分析比较，除特殊说明外，本文所有分析均按以下原则进行：

(1) 所有分析计算均取1个波形周期进行计算。

(2) 锚段长度取243 m，每个锚段两端3.8 m范围按接触线抬高区段考虑，不计入受电弓有效摩擦距离。

1.2 正弦波布置

刚性接触网典型拉出值布置如图1所示。图1 a)和图1 b)中的刚性接触网拉出值按正弦波形布置，根据既有线路的运营经验，接触网按图1 a)方式进行拉出值布置时，受电弓滑板经过长期运行后，其上表面整体呈“W”形，滑板两侧距中心100～200 mm区段磨耗较大(见图2)，且在接触网分段绝缘器短滑靴端部等位置存在碰撞现象；当接触网拉出值按图1 b)进行布置时，除以上产生的问题外，接触网曾多次发生支撑绝缘子炸裂问题。

1.3 “V”形布置

图1 c)中接触线拉出值按“V”形进行布置。其中，B—C段为直线，B—A—B′段为曲线段。受电弓滑板经过长期运行后，其上表面整体呈“V”形，即受电弓滑板中心附近磨耗较大(见图2)，且在接触网分段绝缘器长滑靴端部等位置存在碰撞现象。

a) 1个锚段内接触线拉出值按1个正弦波进行布置

b) 1个锚段内接触线拉出值按2个正弦波进行布置

c) 1个锚段内接触线拉出值按“V”形进行布置

图2 受电弓滑板磨耗实物照片

2 刚性接触网拉出值布置与受电弓磨耗异常关系分析

2.1 正弦波布置情况下的磨耗关系分析

取锚段内接触线的最大拉出值为200 mm，接触线拉出值正弦波布置曲线可用式(1)表示：

a=200 sin(πx/λ)

(1)

式中：

x——距拉出值为0的悬挂点的距离，m；

a——接触线在x点处的拉出值，mm；

λ——正弦波半波长度，m。

图1 a)中，接触线在C点处的拉出值为100 mm，C点距锚段终端距离为3.8 m。根据式(1)，C点对应的三角函数的弧度为π/6，则C点距B点的距离为(243 m/2)-3.8 m=117.7 m。因为半波长对应的三角函数的弧度为π，因此图1a)中的λ=117.7 m/(5/6)=141.24 m。同理，可得图1 b)中λ为64.2 m。

根据以上正弦波半波波长，可定量计算出图1 a)和图1 b)所示1个锚段上、不同拉出值范围内受电弓滑板与接触线滑动摩擦的距离，如表1所示。由表1可知，当接触网按图1采用正弦波对接触线拉出值进行布置时，拉出值越大的区段(即越靠近正弦波波峰的区段)，受电弓滑板滑动摩擦距离的占比越大；拉出值较小的区段，受电弓滑板滑动摩擦距离占比越小。以上分析说明，受电弓滑板在拉出值大的范围内滑动摩擦距离长，相应滑板磨耗速率也大，磨耗也严重。如拉出值在180～200 mm范围时，不同正弦波半波波长占比甚至分别达到34.46%和31.32%，该结论与受电弓滑板长时间运行后呈“W”形的实际磨耗情况一致。另外，当锚段长度相同，λ取值不同时，相同拉出值范围内受电弓滑板滑动摩擦距离占比不尽相同。当λ越小，不同拉出值范围内受电弓滑板滑动摩擦距离占比越趋合理，受电弓滑板磨耗越均匀。

表1 锚段长度为243 m时不同正弦波半波波长下的受电弓滑动摩擦距离

综上所述，当接触网采用正弦波布置时，受电弓滑板会存在磨耗不均匀的问题。通过减小正弦波半波波长，理论上能改善滑板不均匀磨耗的问题，但考虑汇流排横向刚度较大，正弦波半波波长不能无限度地取小。因为当正弦波波长变小时，接触网汇流排曲率变大，接触网汇流排定位线夹、绝缘子和支撑装置等横向受力变大。在汇流排热胀冷缩的过程中，造成定位线夹偏斜、汇流排与定位线夹的摩擦力增加，严重时出现卡滞情况，进而造成接触网零件损坏。以上分析即是锚段内2个正弦波布置时出现绝缘子炸裂的重要原因。

2.2 “V”形布置情况下的磨耗关系分析

图1 c)中，2个锚段“V”形开口方向相反，其可视为拉出值的1个变化周期，即取2个锚段作为分析对象。锚段内接触线的最大拉出值为200 mm，B点的拉出值为180 mm，C点拉出值为100 mm。按前述分析方法，可解出同侧不同拉出值范围受电弓的滑动摩擦距离及其占比，如表2所示。

表2 刚性接触网“V”形布置时1个周期内受电弓滑动摩擦距离

由表2可知，当接触网按“V”形布置、拉出值在0～100 mm范围内时，受电弓滑板滑动摩擦距离占比相对较大，滑板磨耗速率较快；拉出值在100～200 mm范围内时，受电弓滑板滑动摩擦距离占比相对较小，滑板磨耗速率也相对较慢。加之平面图设计中，人防门、防淹门等特殊区段的拉出值需按0 mm进行布置等因素影响，加剧了受电弓滑板在拉出值为0 mm范围的磨耗，造成拉出值按“V”形布置时，受电弓经过长期运行后，受电弓滑板上表面呈“V”形。

通过以上分析得知受电弓滑板磨耗不均匀的原因。但在分析及计算过程中发现，图1 a)中相对于1个完整的正弦波，在1个锚段(即1个变化周期)内，锚段两端拉出值为0～100 mm范围均有缺失；若将图1 a)所示正弦波两端继续延伸，便可得到优化后的刚性接触网拉出值正弦波布置图，如图3所示。按上述计算方法，可得λ为100.89 m。各拉出值范围内受电弓的滑动摩擦距离及其占比如表3所示。

图3 优化后的刚性接触网拉出值正弦波布置示意图

拉出值范围/mm1个锚段内对应拉出值的滑动摩擦距离/m滑动摩擦距离占比/%(0,20)9.65 8.20 [20,40)9.75 8.28 [40,60)9.96 8.46 [60,80)10.29 8.74 [80,100)10.80 9.17 [100,120)7.70 6.54 [120,140)8.47 7.20 [140,160)9.76 8.29 [160,180)12.36 10.50 [180,200)28.97 24.61

由表3可知，按图3所示的拉出值布置方式，当拉出值在180～200 mm范围内时，受电弓滑板滑动摩擦距离占比达24.61%，由此说明受电弓滑板在该范围内会出现磨耗严重的问题。但对比表1可知，不同拉出值范围内受电弓滑板滑动摩擦距离占比整体更加均匀，因此受电弓滑板不均匀磨耗问题得到较大改善。同理，如图1 c)所示，在拉出值1个变化周期(即2个锚段)内，相对于同侧拉出值，拉出值在0～100 mm范围内时，受电弓通过4次；而拉出值在100～200 mm范围内时，受电弓仅通过2次。暂时忽略A—B段与其他位置斜率的不同，则受电弓滑板在拉出值为0～100 mm范围内滑动摩擦距离占比为66.7%；而拉出值在100～200 mm范围内时，滑动摩擦距离占比仅为33.3%。综上分析可知，可考虑通过调整不同拉出值区段的数量来实现拉出值的合理布置以及受电弓滑板均匀磨耗的目的。

3 刚性接触网拉出值布置的优化方案

3.1 “√”形布置方案

刚性接触网拉出值“√”形布置方案如图4所示。该方案的布置要点为：统一将曲线区段按照直线区段进行考虑，不考虑曲线区段的绝对轨迹，而是将所有拉出值按受电弓中心线的相对轨迹进行布置。图4中，A、B、E、D4点拉出值分别为200 mm、180 mm、0 mm和180 mm时，非绝缘锚段关节间距为180 mm。B—C与B′—E段接触线按直线进行布置，相邻锚段B′—E段斜率须与前—锚段相同，但B—C段可在一定范围内任意设置斜率。B—A—B′段接触线需按曲线布置，其中，A点和B、B点为相邻的悬挂点。考虑B—A—B′段接触网汇流排按曲线布置，且由于汇流排刚度较大，汇流排在以上3个悬挂点处均会产生1个横向力，因此要求汇流排定位线夹和绝缘子具备更高强度的抗弯能力。

图4 刚性接触网拉出值“√”形布置示意图

针对A、B悬挂点承受横向力的问题，建议A点和B点的拉出值分别为200 mm和180 mm。同时，合理选取直线段的斜率，将A点尽量置于锚段中部，并将中心锚结设置在A点位置，进而将汇流排对A、B点热胀冷缩的影响降到最小，避免造成热胀冷缩时汇流排在A、B悬挂点处因滑动不畅产生的阻力与横向弯曲时产生的横向力叠加，进而造成悬挂点绝缘子或定位线夹等零部件受力过大而损坏。

由图4可知，因B—C段接触线拉出值相对受电弓中心两侧相等，因此只要周期内受电弓两侧B′—E段接触线斜率相等，便能保证受电弓滑板在-180～180 mm范围(B、D两点间)内均匀磨耗。参考以上计算各拉出值范围内受电弓的滑动摩擦距离及其占比的方法可知，受电弓滑板在拉出值为180～200 mm范围内的摩擦距离相对较小，但考虑该拉出值范围已属受电弓磨耗边缘，且范围较小，对受电弓滑板寿命及弓网受流质量影响有限。同时，该方案针对现场人防门、防淹门及线岔等特殊区段，可通过改变直线段斜率或锚段长度以及调整某个拉出值的位置来实现设计阶段拉出值的灵活布置。

3.2 交叉布置方案

刚性接触网拉出值交叉布置即为不同布置方式的混合布置。该布置方案允许不同波形交叉混合进行布置，也允许不同拉出值下同种波形的交叉混合布置，以实现接触网拉出值的平均分布，保证受电弓滑板的均匀磨耗。

假设接触网某区段按图3和图4所示波形各取1个周期进行拉出值布置。取图4中A点为锚段中心，则可计算出各拉出值范围下受电弓的滑动摩擦距离及其占比，如表4所示。由表4可知，受电弓滑板在各拉出值范围的滑动摩擦距离及其占比基本一致，由此表明受电弓滑板在经过长期运行后，其上表面仍将是一个平面，进而延长受电弓滑板使用寿命，保证良好的弓网受流质量。

表4 接触网拉出值交叉布置时受电弓滑动摩擦距离及其占比表

4 结语

接触网拉出值平面布置不当是造成受电弓滑板磨耗不均匀的重要原因。结合城市轨道交通运营经验，深入分析了现有两种典型拉出值布置方式存在的不足，提出了“√”形布置和交叉布置两种优化方案，这两种方案均能有效地解决刚性接触网下受电弓滑板磨耗不均匀的问题。两种方案可根据线路实际情况择优进行选取。当线路多为直线时，建议直接选用“√”形布置方案；当线路比较复杂且多曲线，或当某种设备需被大量采用且有规定拉出值范围，亦或存在刚性接触网和柔性接触网混搭的线路时，则建议选用交叉布置方案。