时速160 km城市轨道交通靴轨关系测试技术研究

林 建

0 引言

钢铝复合接触轨系统具有导电性能好、载流量大、重量轻、安装方便、耐腐蚀、耐磨性能好、使用寿命长等一系列优点。随着我国城市轨道交通的快速发展，钢铝复合接触轨系列产品已广泛应用于第三轨、中低速磁浮、跨座式单轨、空中悬挂列车等轨道交通模式。

近几年，由于轨道交通运营速度的提升需求，运营单位、设计单位、科研院校以及供货厂商越来越关注高速运行下供电系统产品的适用性以及靴轨关系影响因素，并开展相关理论研究。随着北京、长沙中低速磁浮线陆续开通，受流器与接触轨作为磁浮列车供电载体，已逐渐积累了一定的工程运营经验。在此之前，国内学者针对磁浮列车受流器及接触轨的设计和试验已开展较多的研究。文献[1]公开了一种双极受流器，设有电流进入端和回流端，为磁浮列车提供电源回路。文献[2～4]设计出一种侧向受流器，包含滑靴、摆动机构和地板，由 弹簧提供驱动力，通过球铰和第二套摆杆件等摆动结构，能适应列车在横向位移及偏摆幅度大的应用工况下保持靴轨受流。文献[5，6]提出了一种中低速磁浮列车受流器的状态监测设备，监测信息包括受流器的加速度、电流互感器信息、电压互感器信息、接触力、靴温度、侧接触轨与车轨之间的水平距离、垂直距离。文献[7，8]对中低速磁浮列车的受流方式进行了比较，认为侧向受流方式是优选方案，提出一种侧向受流器的设计方案，并研制了相应的样机。文献[9]基于磁浮列车运行姿态，提出了磁浮列车受流器垂直和侧向的平移位移计算模型。虽然在长期工程运营和设计过程中，针对中低速受流器与钢铝复合接触轨之间的匹配，积累了大量的经验；然而在高速运行的轨道交通中，如何验证钢铝接触轨与集电靴之间匹配良好，依然是一个亟待解决的问题。

本文提出一种可高速、恒速运行的接触轨-集电靴测试平台搭建方法，对接触轨振动位移和靴头振动加速度、靴轨燃弧进行测试，并基于测试数据对接触轨-集电靴匹配关系进行合理评估，以完善相关产品的设计。

1 靴轨关系测试平台搭建及测试

1.1 测试原理

测试平台上安装有中速磁浮供电轨及附件、集电靴，确保接触轨能够提供中速磁浮运行线路状况下集电靴需要的电流及电压。集电靴按照中速磁浮的运行速度及压力在接触轨上平稳运行。

通过测试平台和测试方法，进行接触轨几何参数、集电靴加速度、燃弧、接触轨磨耗等测试。基于该测试，提出以燃弧以及加速度等动态参数指标评价中速磁浮集电靴与接触轨之间的相互作用关系，较好地模拟集电靴与接触轨的静动态关系，评价、验证轨靴匹配性是否满足正常运营要求。

1.2 平台搭建

接触轨-集电靴性能测试的试验平台由环形接触轨线路、集电靴取流装置、交直流电源、监测系统及防护栏组成。试验方案见图1。

图1 测试方案装置

其中，环形接触轨线路由4根预弯接触轨、1套分段绝缘器、1套膨胀接头、2套分段绝缘接头及2套电缆连接板组成。环形接触轨接触面朝上，底部由可调绝缘支架支撑；2套电缆连接板分别设置在环形接触轨线路的对称点位，通过电缆连接直（交）流电源输出端，给环形接触轨线路供电；分段绝缘器与膨胀接头设置在环形接触轨线路的对称点位，其连线与2套电缆连接板的连线正交；2套绝缘接头设置在膨胀接头两端，分别与预弯接触轨连接。集电靴取流装置由动力机构、旋转杆、2套集电靴及电连接铜排组成。动力机构设置在环形接触轨线路圆心位置，控制着集电靴的走行速度；2套集电靴分别布置在旋转杆两端，通过绝缘子与旋转杆连接，集电靴靴头与环形接触轨线路接触面接触取流；电连接铜排通过小绝缘子固定在旋转杆上，两端分别与集电靴连接，使2套集电靴与环形接触轨线路形成完整回路。

测试系统由激光几何参数检测模块、非接触式靴轨燃弧检测模块（紫外传感器）、靴轨加速度测量模块、转速定位模块、电源转换单元及数据处理单元组成。系统的各功能单元及检测模块安装在集电靴取流装置的旋转杆上。通过无线局域网的传输方式将检测到的数据实时传输至计算机中。图2为测试系统的结构框图。

图2 测试系统结构框图

在该装置中，旋转杆（包含特制辅助支架）长度为8 m，通过中间电机驱动，最大转速可达106.2 r/min（线速度160 km/h），速度无级可调。弹性集电靴共有2套，集电靴的接触压力为70～150 N，弹性范围±30 mm。短接触轨处断口尺寸最大可调整到100 mm。电源系统可提供电流500 A。钢结构护栏的直径为10 m，可通过视频实时监控。在测试系统中配备了转速测试仪1台，可测量旋转杆实时转速；接触网检测装置1套，用于检测集电靴状况；热电偶温度传感器1套，可测量接触轨轨温；非接触式电弧检测装置（紫外传感器）1台，用于检测燃弧情况；音量检测仪1台，用于检测噪音；经纬仪1台，可检验接触轨钢带面平整度。

测试平台搭建完成，交直流电源及检测系统连接调试正常后，启动交直流电源向环形钢铝复合接触轨线路供电，稳步增加旋转杆转速。在20～160 km/h速度范围内，其中每间隔20 km/h匀速运行并测试，分别记录相应速度下的接触轨振动位移、靴头振动加速度和靴轨燃弧数据。

2 测试结果及分析

本文提出的靴轨关系测试平台主要针对高速运行的轨道交通线路。因此，在实际测试过程中的运行速度为120、140、160 km/h。

2.1 接触轨与集电靴之间的振动及燃弧影响

图3给出了不同速度下钢铝复合接触轨振动位移和靴头振动加速度试验数据。

图3 振动位移与加速度实时数据

从图中可以看出，靴头运行速度从120 km/h增至160 km/h时，靴头振动加速度的平均振幅加大，并且在特定位置出现最大振幅上升的现象；同时，最大振幅出现的次数增加，最大振幅的衰减减缓。这表明随着速度的增加，靴轨振动加剧。

图4给出了在不同测试速度下的靴轨燃弧实时数据。随着速度的增加，靴头燃弧的数量和持续时间有了显著的增加。在速度为140和160 km/h时，靴轨每次燃弧的持续时间最大值达到了110 ms，而速度为120 km/h时，每次燃弧的持续时间为1 ms。

图4 靴轨燃弧实时数据

2.2 振动及燃弧原因分析

2.2.1 接触轨垂向位移影响

以角度作为X轴，相应的检测数据为Y轴作图，以分析导致接触轨振动和燃弧的原因。图5给出了在相应速度下不同角度接触轨垂向振动位移的所有数据的统计分析。由图可知，相同角度下的垂向位移基本相同，表明受流器在一定速度下运行时，其接触轨上的振动不依赖于时间，而仅与振动位置相关，并具有较高的重复性和规律性。

图5 接触轨垂向位移统计规律

考虑角度对应的位置，X轴数据按照0°～360°记录，其中，40°的位置对应接触轨膨胀接头部件，130°的位置对应接触轨中间接头部件，220°的位置对应接触轨分段绝缘器部件，310°的位置对应接触轨中间接头部件。由图5可以看出，垂向位移变化较大的区域主要集中在225°附近，即绝缘接头处，这表明绝缘接头结构具有较高的弹性，与接触轨力学性能的差异较大（考虑到高速轨道交通，绝缘接头结构应增加一定的结构刚度）。在不同测试速度下，接触轨通过两处中间接头时，垂向运动位移变化很小，说明受流器对接触轨的形变影响很小，中间接头对测试系统具有较好的匹配能力。另外，出现靴头振动加速度最大的区段均在膨胀接头断点附近，说明接触轨断点是引起靴轨振动、接触力不平稳的主要因素。

2.2.2 接触轨靴轨燃弧位置及时间影响

图6给出了在相应速度下不同角度接触轨靴轨燃弧所有数据的统计分析。从图中可以看出，靴轨燃弧的分布没有一定的规律性，并没有出现在接触轨断点的位置，不同速度等级均存在一定的燃弧，但燃弧的次数和持续时间各有不同。标准EN 50317[10]对燃弧率进行了相关规定，燃弧持续时间大于5 ms的燃弧才计算在燃弧率中。当运行速度为120、140、160 km/h时，出现了个别燃弧持续时间大于5 ms的燃弧点，并随着运行速度的增加，燃弧次数和持续时间也有所增加。当速度为160 km/h时，受流器运行一圈的燃弧平均持续时间总和为0.002 s，结合试验台的结构特点，存在膨胀接头和分段绝缘器2个接触轨断点，受流器在试验台上运转一圈可等效实际受流器通过2个连续接触轨锚段，长度按100 m计算，则受流器在实际线路上等效的运行总时间为2.25 s，燃弧率为0.089%，满足标准TB/T 3271[11]中对DC 1.5 kV供电系统的燃弧要求。

图6 靴轨燃弧位置及时间统计规律

2.2.3 靴头振动加速度的影响

对比不同加速度的振动情况，如图7所示。

图7 靴头振动加速度统计规律

当受流器以120 km/h运行速度通过接触轨时，除了在角度为40°、130°、220°、310°的接触轨断点附近靴头振动加速度较大外，其他区域出现靴头振动加速度较大的点也显著增多，已经不再集中在接触轨断点处，但接触轨断点的靴头振动加速度仍最大，说明当受流器运行速度达120 km/h以上时，通过接触轨断点后，靴头的振动加剧，接触质量变差，需要较长的无断点运行距离后靴轨的剧烈振动才能衰减下来。当受流器以160 km/h运行速度通过接触轨时，整个靴轨试验台出现靴头振动加速度较大的点分布均匀，说明此时整个靴轨的振动剧烈。这可能与试验台的长度有限以及是环形循环试验有关，实际轨道交通中，接触轨连续区段较长，靴轨的振动将逐渐降低。

3 结论

通过以上测试和分析，该接触轨系统能够满足时速160 km及以下的靴轨良好受流要求。

（1）不同速度等级下靴轨的最大燃弧率小于标准值。随着运行速度的增加，燃弧次数和持续时间均有所增加，接触轨振动和靴头振动均有所加剧。膨胀接头、分段绝缘器、中间接头等接触轨断点附近的靴轨振动最大。

（2）随着速度的增加，振动加剧，膨胀接头和分段绝缘器的振动更显著，建议优化该两类结构的动力学性能。

（3）在实际使用中，测试系统的实时数据有效地验证了160 km/h速度下钢铝复合接触轨的适应性，从而得出影响靴头振动的关键因素，对后续接触轨供电产品优化及探索靴轨关系提供参考。