时速160km刚性悬挂接触网的可行性分析

2020-05-11陆佳

科技创新与应用 2020年13期

陆佳

摘要：近年来，我国的发展有了日新月异的变化，城镇化率越来越高，人口生活圈更加集中紧密。随着城市圈的不断扩大，为了满足人们便利的出行要求，城市轨道线路规划越来越多，线路慢慢由城市中心向周边辐射，长大型的城市轨道交通线路逐渐增多，城市轨道交通提速提上议程。文章分析了时速160km刚性悬挂接触网在城市轨道交通中的应用情况，并对影响刚性悬挂提速的关键结构进行了逐个分析，最后确定了关键结构的选型，以满足城市轨道交通线路提速的要求。

关键词：刚性悬挂;接触网;受电弓;城市轨道交通;有限元分析

Abstract： In recent years， the development of our country has changed with each passing day， the urbanization rate is higher and higher， and the population life circle is more concentrated. With the continuous expansion of the city circle， in order to meet people's convenient travel requirements， more and more urban rail lines are planned. The lines radiate from the city center to the surrounding area slowly. The growth of urban rail transit lines gradually increases， and the acceleration of urban rail transit is put on the agenda. This paper analyzes the application of 160km/h rigid suspension catenary in urban rail transit， analyzes one by one the key structures affecting the rigid suspension acceleration， and finally determines the selection of key structures to meet the requirements of urban rail transit line acceleration.

1 概述

刚性悬挂普遍适用于城市轨道交通，采用1500V直流电源供电，一般设计時速为80km。但自2006年以来，刚性悬挂在25kV交流电气化铁路中逐步得到运用，最高设计时速达到160km，实际运营速度还未达到160km。

相对柔性悬挂而言，刚性接触网悬挂刚度较高，拉出值小，对于受电弓的磨损相对较大，在线路较长的隧道中，受电弓异常磨损更加明显，就受流效果来看，柔性悬挂更具优势。但刚性悬挂接触网对隧道净空要求降低，能极大延长的接触网维护周期;刚性悬挂的结构更加稳固，接触线无张力，不存在断线的风险;受温度等其它因素的影响较小，整个刚性悬挂接触网运营的可靠性更好。其系统零部件少，结构简单，因此建设和维护的成本也大大降低，具有显著的经济和社会效益。[1]

2 国内外应用情况

国外刚性悬挂在25kV交流电气化铁路中应用较早，国外刚性悬挂接触网悬挂系统的技术更加成熟、先进，主要以瑞士FF公司、法国加朗公司为首，拥有一整套的时速160km及以下隧内刚性悬挂接触网系统零部件，在国内外多条线路上投入使用。例如：奥地利Sittenberg隧道刚性接触网试验时速260km、运行时速200km。瑞士Kerenzerzberg隧道的刚性接触网设计时速为160km，初期试验时速达到了185km。[2]

国内刚性悬挂最早在25kV交流电气化铁路中应用的线路是2006年开通的兰新铁路的乌鞘岭隧道，设计时速达到160km，实际运营时速140km。国内刚性悬挂接触网在25kV交流系统中应用情况如表1。

3 相关研究

文献[3]研究了跨距跟运营速度的关系，全面计算了各跨距下的弓网动态接触压力频谱，最终得出了为满足运营时速达到120km以上，刚性悬挂接触网的跨距应≤8m。

文献[4]研究了定位线夹带一定的弹性对改善弓网关系起到的良好作用，并且通过仿真分析得出弹性定位线夹的弹性系数宜选7.6×104N/m。

文献[5]则是研究了适用于时速160km刚性接触网的受电弓，分析了4种工况条件下受电弓的受力情况，研究表明弓头刚度在10000N/m时，在一定速度范围内容易发生共振，应避免选用该参数。

4 关键结构分析

刚性悬挂接触网较柔性悬挂接触网简单，零件种类少，结构简单，主要有汇流排及其附件、悬挂定位装置、中心锚结装置、锚段装置、刚柔过渡装置等组成。结构及平面布置的合理性，将直接影响城市轨道车辆运营的速度。

4.1 悬挂装置

悬挂定位装置一般有悬吊式和悬臂式两种，悬吊式（见图1）由悬吊底座、T头螺栓、悬吊角钢、针式绝缘子、汇流排定位线夹等组成，适用于1500v直流供电系统。为满足线路伸缩、膨胀要求，汇流排与线夹之间可窜动，汇流排与线夹之间的间隙大，弓网匹配效果稍差，是制约车速的一个方面，适用速度等级低，一般设计时速为80km。

悬臂式（见图2）一般由吊柱、旋转底座、绝缘子、调整底座、定位线夹等组成，适用于25kV交流供电系统。悬臂可旋转以应对汇流排的伸缩和膨胀要求。该形式下弓网之间的匹配度好，可满足轨道车辆较高的速度等级要求。

4.2 锚段装置

为了减小事故面积，通常会将接触网分成数个彼此分隔的区间，我们称为锚段。各锚段之间互不干扰而又能协同工作，通常分为关节式和贯通式。

关节式锚段（见图3）之间采用汇流排终端过渡，终端横向间隔200-300mm排布，汇流排终端端部1.5m处折弯上翘70mm，避免受电弓打弓。

贯通式锚段（见图4）采用膨胀接头将两个锚段连接在一起。

4.3 刚柔过渡装置

地下段采用刚性悬挂，地上段采用柔性悬挂，连接刚性段和柔性段就需要刚柔过渡装置，使得刚性和柔性之间有一个平顺的过渡。刚柔过渡处的结构是制约车速的另一个重点。一般分为关节式（见图5）和贯通式（见图6）。

文献[6]研究了适用于时速160km的高速刚柔过渡安装方式，通过有限元法，将刚性接触网装置离散成有限单元，建立一套符合实际工作情况的动力学模型。利用有限元软件仿真得到各条件下的弓网动态接触压力曲线，通过对比分析认为贯通式刚柔过渡能适应160km/h的运营要求。

通过分析，为满足160km/h的运营要求，建议选用25kV交流供电，悬挂装置采用悬臂式，取消锚段式关节，刚柔过渡采用贯通式。

5 结论

随着城市圈范围的扩大，目前我国三大城市群以及一些热门城市已经规划了上千公里的市域铁路，为满足人们多样化的出行方式，城市轨道交通的提速已是必然。而刚性悬挂可以适用于低净空隧道断面，有效的节约投资成本，并且其结构简单、维护成本低等特点，成为主流的设计结构。

发展时速160km刚性悬挂接触网的实际需求逐渐增多，国外有成熟的运营经验，国内相关的研究也越来越多，并且即将在北京、广州等城市运用，具有广泛的市场推广前景。