改善刚性悬挂接触网弹性措施浅析

高鑫 中国铁路设计集团有限公司

20世纪90年代，架空接触网在国内上海和广州城市轨道交通中开始应用，地下段均采用了架空刚性悬挂接触网。在借鉴国内、外城市轨道交通架空刚性悬挂接触网成功经验的同时，又密切结合了我国城市轨道交通的实际情况，架空刚性悬挂接触网在我国城市轨道交通中取得了长足发展。较之于架空柔性悬挂接触网，架空刚性悬挂接触网具有无张力、载流量大、结构简单、节省隧道净空等突出优势。架空刚性悬挂接触网在运行过程中产生的磨耗主要分电气磨耗和机械磨耗两类，其中又以电气磨耗为主导因素。对于受电弓和接触线而言，磨耗量的大小与诸多因素有关，不同工程实际的影响面也不尽相同。在实际运行中，广州地铁二号线个别区段出现了磨耗量偏大的现象。仅从接触网的角度来分析，广州地铁二号线和三号线均采用架空刚性悬挂，虽然两条线路的设计规格不同，广州二号线是80km/h的设计标准，广州三号线是120km/h的设计标准，但是绝缘锚段关节设置、悬挂安装方式、减振道床的设置原则基本一致。广州二号线出现了多处磨耗严重区段，而三号线的磨耗量到目前为止基本良好，可见架空刚性悬挂接触网磨耗严重不是普遍问题，应根据具体情况进行分析。

经调查分析，广州地铁二号线接触网异常磨耗区段与机车加速有关。当机车加速，受绝缘锚段关节、减振道床、小曲线等几个因素共同影响时，接触网异常磨耗严重，单独作用时，接触线磨耗情况正常。根据刚性悬挂接触网弓网受流特性，架空刚性悬挂接触网受结构特性影响不具备弹性，在锚段关节、减振道床、小曲线等区段，受电弓与刚性悬挂之间的匹配性、跟随性不一致，造成接触网异常磨耗。本文从架空刚性悬挂接触网系统弹性作为出发点，针对架空刚性悬挂接触网在城市轨道交通部分线路弓网磨耗异常问题，探讨如何降低刚性悬挂接触网刚度，提高刚性悬挂接触网系统弹性，从而缓解弓网异常磨耗的方案。为此，需要对既有架空接触网刚性悬挂结构的刚度进行建模并分析研究，探讨影响刚性悬挂结构刚度值的关键因素。

一、悬挂结构等效刚度

接触网等效刚度取决于接触网和受电弓本身弹性，等效刚度伴随接触网和受电弓几何参数的改变而改变。受电弓碳滑板位移，伴随接触网刚度的增大而减小。

刚性悬挂接触线抬升量一般均能满足受电弓碳滑板的最大振幅需求，是否发生弓网震荡离线通常是由受电弓在运动过程中接触压力来体现，当受电弓接触压力小于70N时，弓网就会发生震荡离线，从而产生放电火花。在受电弓几何参数以及运行状态不变前提下，利用有限元分析法，对既有刚性悬挂悬吊结构等效刚度进行建模，分析刚性悬挂系统刚度对弓网关系的影响。

图1 刚性悬挂接触网等效计算模型

在工程实施阶段，受曲线区段外轨超高影响，需通过调整悬挂锚栓长度使接触线与轨道连线平行，这样就会造成悬挂机构等效参数不同。应用非线性和动力有限元原理，对弓网关系进行弓网耦合仿真，仿真结果表明：悬挂机构等效质量不变前提下，仅改变刚性悬挂接触网的刚度，受电弓接触力最大值、最小值、变化幅值、均值、均发生较大变化。当刚性悬挂接触网悬挂刚度降低一个数量级到四个数量级时受电弓接触力的最大值、最小值、变化幅值、碳滑板位移等均发生变化。改变刚性悬挂结构刚度对接触力的影响无既定规律，但改变刚性悬挂结构刚度会引起受电弓碳滑板最大位移发生变化。悬挂结构刚度的改变对弓网关系的改变非常直观：当悬挂结构刚度减小一个数量级，弓网关系变好，但效果不显著；当悬挂结构刚度减小两个数量级时，接触网相对刚度下降，弓网关系变差。当悬挂刚度降低三个数量级时，弓网关系最好，效果最为显著；继续降低悬挂机构刚度的数量级，弓网关系又明显变差。因此，改变刚性悬挂结构刚度，可以很大程度改善弓网关系，但刚度值不能随意改变，而是需找到一个理想值。将刚性悬挂结构等效刚度在1倍与0.001倍时两种结果进行对比，悬挂结构刚度变化前后，接触网重量均集中在悬挂点附近，且受受电弓弹簧约束，受电弓接触力最小值均出现在悬挂点附近。当悬挂结构等效刚度降低为0.001倍时，增加了刚性悬挂结构弹性，受电弓接触压力可达75N，与正常运行时受电弓需求的最小接触压力相近。因此，当悬挂结构等效刚度下降三个数量级时，弓网关系改善效果最为显著。

根据以上分析：为改善弓网关系，减小刚性悬挂接触网特殊区段异常磨耗，可通过改变接触刚性悬挂结构刚度实现，但刚度不应随意选择，应控制在一定合理值。以现有国内城市轨道交通大面积运用的悬挂结构为例，参照模拟结果，改变刚性接触网刚度最理想值应为降低3个数量级（kep≈4×104N/m）。

二、影响悬挂结构等效模型参数的因素

以现有国内城市轨道交通大面积运用的悬挂结构为例，影响刚性悬挂结构等效刚度和等效质量主要原因有：结构件的长度、结构件的刚度、悬挂点位置设置等。

（一）结构件的长度

接触网刚性悬挂结构件主要由：螺栓、悬吊槽钢、绝缘子组成。从理论上分析，结构件越长接触网等效刚度越低。但螺栓、绝缘子长度较短，因此对刚度影响可忽略不计，悬吊槽钢采用碳素钢，其强度较大，因此对刚度影响也较小。

（二）悬挂点位置

改变悬挂点位置，适当增大跨距可减小刚性悬挂接触网等效刚度，但接触网跨距受汇流排自重及车辆运行速度影响，为保证列车高速运行时弓网关系，接触网刚性悬挂跨距已为最合理值。

（三）结构件的刚度

从理论上分析，构件抗拉、抗弯刚度越大接触网等效刚度越大。但接触网悬挂用钢材的弹性模量是固定的，因此其对等效刚度的影响可忽略不计。绝缘子、定位线夹的弹性模量可调整余量较大，因此其对接触网等效刚度影响最大。

三、改善刚性悬挂接触网弹性措施分析

根据对等效模型影响因素分析，要改善刚性悬挂接触网悬吊结构的弹性，需从改善绝缘子及定位线夹的弹性进行研究。在原有刚性悬挂零部件的基础上，开发研制新型的刚性悬挂弹性装置。国外已通过弹性定位线夹、弹性绝缘子的应用等方案来改善刚性悬挂接触网弹性。国内城市轨道交通广佛线、杭州地铁目前也应用了弹性绝缘子和弹性定位线夹。这些两种方案能改善刚性悬挂接触网弹性，降低接触网刚度，增强了受电弓的匹配性及追随性，极大程度改善了弓网关系，减少了刚性悬挂接触网特殊区段异常磨耗。弹性绝缘子和弹性定位线夹均是利用自身结构弹性形变特性，改善刚性悬挂接触网系统的刚度值，缓解受电弓硬性冲击汇流排，使得授流更趋平缓。