关于降低刚性架空接触网磨耗不均匀的研究

任 杰

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610036)

0 引 言

刚性架空接触网自2002年在广州地铁2号线隧道内成功应用后，因其具有零部件少、接触线无张力、安装维护简便、净空要求低、载流量大、安全可靠性高、安装费用低等优点而逐步代替柔性接触网，成为隧道内架空接触网的主要形式，在城市轨道交通和干线电气化铁路得到越来越广泛的应用。成都地铁1、2、3、4、5、6、7、8、9、10号线，合肥地铁1、2、3号线，贵阳地铁1、2号线，北京地铁14号线、新机场线等工程隧道内均采用了刚性架空接触网。上海地铁在1、2、3、4号线隧道内采用了柔性接触网，在之后的6、8、9、10、11、14、15、18号线隧道内也都采用了刚性架空接触网。

但刚性架空接触网在实际运营过程中出现弓网磨耗大且磨耗不均匀等问题，主要表现在受电弓碳滑板磨耗不均匀，受电弓碳滑板工作面的形状不规则且起伏不平，拉出值最大值(±200 mm)处和锚段关节(±100 mm)处受电弓磨耗严重，形成较深的凹槽，如图1所示。车辆受电弓碳滑板出现不均匀磨耗，主要原因在于刚性架空接触网的悬挂结构弹性和平面布置设计不尽合理，导致接触线在受电弓碳滑板上的分布概率及磨耗时间不均匀。

图1 刚性架空接触网不均匀磨耗在受电弓碳滑板工作面上形成的凹槽

1 设计方案

1.1 悬挂结构弹性

目前国内城市轨道交通刚性架空接触网悬挂汇流排的方式主要采用刚性支撑件加瓷绝缘子固定方式,图2所示。尽管该方式具有全线刚度统一、无特殊硬点等优点，但由于悬挂结构欠缺弹性，因此对受电弓运行中由于震动产生的冲击缺少缓冲，使得受电弓离线率增加，导致电气磨耗加大，且磨耗不均匀。

图2 刚性架空接触网刚性支撑件加瓷绝缘子安装图

为了减小架空刚性接触网弓网间的磨耗，有必要对刚性架空接触网悬挂装置进行改进，增加支持装置的弹性。上海地铁18号线设计采用弹性绝缘组件替代瓷绝缘子，如图3所示。弹性绝缘组件能在维持刚性悬挂结构稳定性的基础上，吸收受电弓对刚性悬挂结构的冲击，降低受电弓离线率，减少电气磨耗。

1.2 接触网平面布置

目前刚性架空接触网平面布置主要有两种方式，一种是正弦波形状布置方式，一种是八字形状布置方式。

正弦波形状布置方式最大拉出值不超过200 mm，最大锚段长度不超过250 m，非绝缘锚段关节处拉出值为±100 mm，如图4所示。广州地铁2号线，成都地铁1、2、3号线，上海地铁6、8号线等工程均采用了这种平面布置方式。

图3 刚性架空接触网刚性支撑件加弹性绝缘组件安装图

图4 刚性架空接触网正弦波形状布置示意图

采用正弦波形状布置时，每个锚段弯曲2次，将锚段中部最小拉出值处悬挂点设置为中心锚结。各悬挂点的拉出值变化率并不是比较恒定的数值，而是变化很大，即在不同线路区段，接触线在受电弓碳滑板上的扫动频率不一致，导致接触线在受电弓碳滑板上不同部位的摩擦概率不同。因此，随着运营时间增长，受电弓碳滑板上难免出现凹凸不平的情况。尤其在正弦曲线的波峰和波谷，即两侧最大拉出值处，拉出值变化率最小，而且连续跨距长，直接导致此处受电弓碳滑板磨损最严重。锚段关节处受电弓碳滑板磨损也较严重。

八字形状布置方式最大拉出值不超过280 mm，最大锚段长度不超过250 m，非绝缘锚段关节处拉出值为±100 mm,图5所示。成都地铁4、5、7、9号线及上海地铁9号线等工程均采用了这种平面布置方式。

图5 刚性架空接触网八字形状布置示意图

采用八字形状布置时，每个锚段只弯曲1次，将锚段最大拉出值所在悬挂点设置为中心锚结。各悬挂点的拉出值在顺线路方向按2～5 mm/m的恒定变化率设置，接触线在受电弓碳滑板上的扫动频率基本一致，接触线在受电弓碳滑板上的摩擦概率大致相同，受电弓碳滑板上相对平整。但在中心锚结和锚段关节处，受电弓碳滑板在拉出值±250～±280 mm和±100 mm范围内磨耗的概率要高于其他位置，随着运营时间增长，直接导致此处受电弓碳滑板磨损最严重，受电弓碳滑板上还是难免出现凹凸不平的情况。

为了使受电弓碳滑板磨耗均匀,延长其使用寿命，上海地铁18号线设计在八字形状布置方式基础上进行了优化，将锚段关节处拉出值调大与中心锚结处保持一致，如图6所示，使得±100 mm范围内磨耗的概率与其他位置一致，避免了受电弓碳滑板中间部位出现异常磨耗。

图6 刚性架空接触网八字形状布置优化示意图

1.3 受电弓工作高度

各城市轨道交通刚性架空接触网受电弓工作高度主要在4 040～4 050 mm，盾构隧道主要采用内径为5 400 mm的断面，刚性架空接触网安装净空是520 mm，在曲线区段净空尤其紧张，而现场安装调整时易受盾构隧道施工误差和沉降等因素影响而出现受电弓工作高度低于4 000 mm的情况，刚性架空接触网不得不进行变坡调整，影响弓网间的关系。

上海地铁18号线采用内径5 900 mm的大断面盾构隧道，受电弓工作高度采用4 100 mm，刚性架空接触网安装净空是850 mm，如图7所示，安装空间比较富余，能够消化盾构隧道施工误差和沉降等土建因素影响，更有利于刚性架空接触网的安装，更能保障受电弓工作高度恒定不变化，增加了受电弓工作稳定性，改善了弓网关系，有利于受电弓碳滑板均匀磨耗。

图7 刚性架空接触网高净空盾构隧道安装图

2 运营效果

上海地铁18号线于2020年12月26日开通运营一期工程南段(御桥站至航头站)，在2021年2月20日现场察看了受电弓碳滑板的磨耗情况，如图8所示。

图8 受电弓碳滑板现场照片

3 结论及建议

根据运营后的检查结果，受电弓碳滑板在拉出值±250 ～±250 mm范围磨耗均匀，解决了受电弓碳滑板中间部位一直存在的异常磨耗，但在±250～±280 mm范围磨耗还是比较明显。±250～±280 mm范围主要集中在中心锚结附近，汇流排自身结构不能像柔性接触网之字形布置，中心锚结两侧拉出值变化率最小，而且连续跨距长，直接导致此处受电弓碳滑板磨损最明显。

为了彻底解决中心锚结处的磨耗问题，可以将刚性架空接触网锚段布置成直线形，如图9所示，即将锚段首末两端悬挂点的拉出值设置为最大拉出值，其他悬挂点的拉出值在顺线路方向按一定的变化率设置，每个锚段不弯曲，每个锚段中部的最小拉出值所在悬挂点设置为中心锚结。

图9 刚性架空接触网直线形状布置示意图

如此设置后，每个锚段各悬挂点的拉出值在顺线路方向的变化率是相同的，接触线在受电弓碳滑板上的扫动频率完全一致，接触线在受电弓碳滑板上的摩擦概率完全相同，受电弓碳滑板磨耗均匀。此外，每个锚段不弯曲，汇流排呈直线布置，在施工时汇流排不易发生变形，接触线架设时放线小车不易卡滞，从而保证施工质量。但为了保证受电弓碳滑板与接触线不发生烧蚀，各悬挂点的拉出值在顺线路方向须按2～5 mm/m的变化率设置，锚段长度应适当缩短，锚段关节数量会适当增加。

4 结束语

弓网磨耗是机械磨耗和电气磨耗的耦合整体结果，刚性架空接触网由于自身结构弹性小、车辆取流大、线路曲线多等原因加剧了弓网磨耗，使得受电弓碳滑板磨耗不均匀。这个问题在各城市轨道交通运营过程中都表现突出，亟待解决。本文从刚性架空接触网的平面布置方式、悬挂结构弹性等方面进行了一些改善优化措施，并在上海地铁18号线成功得到应用，取得了比较好的效果，可供类似工程借鉴参考，但受电弓碳滑板仍存在磨耗不均匀的问题,需要同行们不断努力加以研究和解决。