城市轨道交通长锚段架空刚性接触网拉出值布置优化

田 彩，冯 超，代洪宇

0 引言

架空刚性接触网具有结构简单、安装空间小、设备维护方便、不易断线等诸多优点，在国内外的城市轨道交通中得到了广泛应用，目前已经成为城市轨道交通隧道内架空接触网的主要型式[1]。结合既有线路的运营经验，刚性接触网的拉出值布置方式直接影响受电弓滑板的磨耗情况，不合理的拉出值布置将造成滑板不均匀磨耗，形成局部凹槽，极大地缩短受电弓滑板的使用寿命，进而影响弓网系统全生命周期成本。近年来，随着城市轨道交通的快速发展，列车速度逐渐提高，特别是旋转腕臂式悬挂方案的推广应用，架空刚性接触网的锚段长度也随之不断增加，但到目前为止，针对长锚段的拉出值布置优化研究相对较少。

考虑到刚性接触网拉出值不合理布置是造成受电弓滑板磨耗不均匀的重要原因，本文针对长锚段架空刚性接触网的拉出值布置方式进行研究和分析，探究拉出值布置与滑板磨耗的关系，为长锚段架空刚性接触网拉出值布置提供参考。

1 锚段长度确定

对于城市轨道交通正线段地下线路，若列车设计时速高于120 km，可采用适应长大锚段的旋转腕臂式悬挂方案，同时为减少锚段关节数量，进一步改善弓网关系，可设置为长锚段。每个锚段中部设置中心锚结，以防止锚段中心发生顺线路方向窜动，保证锚段两端膨胀或收缩均匀对称。

参照TB 10009—2016《铁路电力牵引设计规范》相关规定，最高气温应按15年发生一次的平均最高值计算确定，最高计算温度一般取最高气温的1.5倍，对于牵引负荷大、行车密度高的线路，最高计算温度可结合最高气温及导线最高工作温度提高，但不宜大于80 ℃。本文分析的温度区间为0～40 ℃，按照最高气温的1.5倍考虑，即最大温差为60 ℃。

本文分析的刚性接触网汇流排参数按照标准TB/T 3252—2010执行[2]。以标称截面积为2213 mm2的铝合金汇流排为例，汇流排及其附件的线性膨胀系数为0.024。计算采用1000型膨胀接头。

单个锚段最大膨胀量计算式为

式中：k为单锚段最大膨胀量，mm；f为汇流排线性膨胀系数；Δt为整条线路最大温差，℃；l为单个锚段长度，m。

结合汇流排单根长度为12 m、接触网平面布置标准跨距为8 m，在膨胀接头能满足要求的前提下，应考虑适当增加锚段长度并减少锚段连接数量，锚段长度宜为汇流排长度和跨距的倍数，计算得到不同锚段长度下汇流排膨胀量如表1所示。

表1 汇流排膨胀量计算结果

分析表1可知，当最大温差考虑为60 ℃，刚性接触网单个锚段长度为216、360、502、624、648 m时，单个锚段的最大膨胀量分别为311.04、518.4、722.88、898.56、933.12 mm。1000型膨胀接头的最大膨胀量为1000 mm，使用过程中膨胀接头宜预留一定的安全裕量，按照10%左右考虑，则在最大温差60 ℃工况下，刚性接触网锚段长度一般不大于624 m。

参照以上环境条件、材质特性，若采用旋转腕臂悬挂、锚段关节接头型式的锚段连接方案，当锚段长度为502 m，吊柱角度偏差为1°，考虑最大温差时，经分析，锚段最后一个悬挂点位置的变化量最大，导高变化约6 mm。因汇流排热胀冷缩及吊柱安装角度误差，锚段关节处会出现导高变化，在一定范围内导高变化量与锚段长度成正相关。锚段长度过长则加大关节处导高偏差，增大过渡风险，锚段长度过小则增加关节数量，增加潜在硬点。结合国内既有线路运营情况，刚性接触网锚段长度一般不宜大于502 m，同时建议运营阶段加强对锚段关节处导高的检测与调整。

综上所述，本文后续分析中，采用锚段关节连接的锚段长度考虑为502 m，采用膨胀接头连接的锚段长度最高考虑为624 m。

2 拉出值布置方式

2.1 正弦波布置

刚性接触网拉出值正弦波布置方式如图1所示，图1（a）中锚段关节相对于线路中心线两侧布置，图1（b）中锚段关节相对于线路中心线同侧布置。锚段长度为502 m，研究对象取1.5个正弦波，图1所示为一个完整的正弦波布置周期[6]。

图1 刚性接触网拉出值正弦波布置

2.2 V型布置

刚性接触网拉出值V型布置方式如图2所示，图2（a）中锚段关节相对于线路中心线两侧布置，图2（b）中锚段关节相对于线路中心线同侧布置。锚段长度为502 m，A-E与E-F采用等斜率布置，A-B与F-D采用等斜率布置，两者斜率可不一致，但不能相差太大。C-A-C′接触线需按照曲线布置。图2所示为一个完整的V型布置周期。

图2 刚性接触网拉出值V型布置

2.3 膨胀接头布置

刚性接触网锚段关节是接触网相邻锚段的连接部分，是刚性接触网的重要组成部分。接触网锚段关节的结构复杂，其状态和质量的优劣直接影响弓网系统性能，进而影响接触网的供电质量和电力机车的取流质量。

锚段关节的连接方式除了锚段关节接头型式外，还有采用膨胀接头型式[3]。在既有线路的设计方案中，膨胀接头大多统一安装在拉出值布置为0的位置，根据既有线路运营经验，该布置方式导致拉出值布置为0位置滑板磨耗大，滑板中间位置出现严重凹槽，极大地缩短了滑板的使用寿命。

针对上述问题，本文提出一种新的拉出值布置方式：膨胀接头布置考虑按照顺线路方向布置，无需左右两端拉出值保持一致，仅对膨胀接头本体中心位置进行要求；膨胀接头按照拉出值为0，100，200，100，0，-100，-200，-100，0的规律在线路上均匀布置，进而减少由于膨胀接头安装在同一拉出值位置对滑板的局部磨耗。

2.3.1 等斜率布置

按照子锚段的斜率一致布置方式（图3），斜率考虑为4，最大拉出值位置附近采用曲线布置，接触网子锚段长度略有不同，其中子锚段1、2、7、8长度为624 m，子锚段3、4、5、6长度为576 m。图3所示为一个完整的子锚段拉出值等斜率布置周期，一个布置周期的锚段组长度为4800 m。

图3 刚性接触网拉出值等斜率布置

2.3.2 等锚段长度布置

按照子锚段的锚段长度一致布置方式（图4），考虑接触网子锚段长度为624 m，最大拉出值位置附近采用曲线布置，子锚段斜率略有不同，其中子锚段1、2、7、8的斜率考虑为4，子锚段3、4、5、6的斜率考虑为3.7。图4所示为一个完整的子锚段等长度布置周期，一个布置周期的锚段组长度为4992 m。

图4 刚性接触网拉出值等锚段布置

3 拉出值布置方式与受电弓滑板磨耗关系

3.1 正弦波布置

锚段内接触线正弦波布置的最大拉出值为300 mm，正弦波布置曲线可由式（2）表示[4]：

式中：x为距离拉出值为0悬挂点的距离，m；λ为正弦波的半波长，m；a为接触线在x点处的拉出值，mm。

根据最大拉出值采用300 mm，图1（a）中，接触线在B点、D点的拉出值为115 mm，B点、D点距离线路终端的距离为1.5 m，由于半波长对应的三角函数弧度为π，计算得到λ= 181.48 m。图1（b）中，接触线在B点拉出值为0，在D点的拉出值为230 mm，B点和D点距离线路终端的距离为1.5 m，计算得到λ= 151.43 m。

根据式（2），可计算出在一个布置周期内不同拉出值范围对应的受电弓滑板与接触线滑动摩擦距离[5]，计算结果如表2所示，得到不同拉出值范围摩擦磨耗所占百分比如图5所示。

表2 一个正弦波布置周期内滑板滑动摩擦距离 m

图5 拉出值正弦波布置的滑板磨耗百分比

分析表2和图5可知：当刚性接触网拉出值采用正弦波布置方式时，受电弓滑板存在严重的磨耗不均匀情况，拉出值越大的区段，受电弓滑板与接触线的摩擦距离越大，磨耗越大；锚段关节相对于线路中心线两侧布置时，受电弓滑板不均匀磨耗现象相较于锚段关节相对于线路中心线同侧布置时更为严重。因此在目前的工程设计中，一般不再采用拉出值正弦波布置方式。

3.2 V型布置

根据最大拉出值采用300 mm，图2（a）中，接触线在B点、D点的拉出值为115 mm，B点、D点距离线路终端的距离为1.5 m，其中A-B、D-F按照斜率3.9布置，A-E、E-F按照斜率4.2布置。图2（b）中，接触线在B点拉出值为0，在D点的拉出值为230 mm，B点、D点距离线路终端的距离为1.5 m，其中A-B、D-F按照斜率4布置，A-E、E-F按照斜率4.2布置。一个布置周期内，不同拉出值范围对应的受电弓滑板与接触线滑动摩擦距离计算结果如表3所示，得到不同拉出值范围摩擦磨耗所占百分比如图6所示。

表3 一个V型布置周期内滑板滑动摩擦距离 m

分析表3和图6可知：当刚性接触网拉出值采用V型布置方式时，若锚段关节相对于线路中心线两侧布置（图2（a）），则拉出值在0～±120 mm范围内占比较大，滑板磨耗速率大，运营一段时间后导致滑板中间位置出现凹槽；若锚段关节相对于线路中心线同侧布置（图2（b）），在0～±240 mm范围内，受电弓滑板呈均匀磨耗，无凹槽，能够有效延长滑板的使用寿命。拉出值290～300 mm范围滑动磨耗占比大是由于最大拉出值位置附近采用曲线布置致使滑动摩擦距离增大导致的，在运营过程中需定期对滑板进行打磨整平处理。

综上所述，对于采用锚段关节接头型式的锚段连接方案，拉出值布置方式推荐采用锚段关节位于线路中心线同侧的V型布置方式，能够使受电弓滑板均匀磨耗，有效延长滑板使用寿命。

3.3 膨胀接头布置

最大拉出值采用300 mm，最大拉出值位置附近需按曲线布置。一个布置周期内，不同拉出值范围对应的受电弓滑板与接触线滑动摩擦距离计算结果如表4所示，得到不同拉出值范围摩擦磨耗所占百分比如图7所示。

图7 采用膨胀接头布置的滑板磨耗百分比

表4 一个布置周期内滑板滑动摩擦距离 m

拉出值范围/mm 等斜率布置 等锚段长度布置 [180,200) 160.00165.68 [200,220) 160.00166.49 [220,240) 160.00166.49 [240,260) 160.00166.49 [260,280) 125.44128.68 [280,300] 202.24202.24

分析表4和图7可知：当接触网锚段采用膨胀接头连接时，拉出值等斜率布置和等锚段长度布置对于受电弓滑板摩擦磨耗的影响差别很小，均能满足滑板均匀磨耗的要求，从功能角度考虑两种布置方式均可。但考虑到等斜率布置会导致一个锚段内出现较多的非标准跨距，增加接触网平面布置工作量，增加施工单位现场施工、调整难度；并且一个等斜率布置周期内，部分子锚段的长度较短，对于膨胀接头的利用率较低，进而增加膨胀接头数量，增大投资。因此，一般不推荐采用等斜率布置方式。

综上所述，当接触网锚段采用膨胀接头连接时，拉出值布置推荐采用等锚段长度布置方式。

4 拉出值优化的效益分析

结合第3节不同拉出值布置方式对受电弓滑板摩擦磨耗的影响分析结果，本节对拉出值布置方式优化的效益进行简要分析，只考虑理论情况，不考虑运营过程中对滑板打磨整平等措施的影响。

某地铁受电弓单块滑板碳条长800 mm、宽30 mm、厚20 mm，线路最大拉出值按±300 mm考虑。结合运营经验：每万公里滑板碳层厚度磨耗2 mm约用时一个月，考虑碳层厚度剩6 mm左右时需更换滑板，本节的分析按照滑板均匀磨耗，则滑板服役期间被磨耗的体积为252 cm3，更换周期为7个月，运行里程为7万km，运行1 km滑板磨耗为0.0036 cm3。

考虑碳滑板最大磨耗点处碳层厚度为6 mm时需更换滑板，此时一个拉出值计算区段（10 mm）内最大磨耗量为3×1.4×1 = 4.2 cm3。根据一个布置周期内滑板各拉出值下的磨耗百分比，可计算出每公里最大磨耗点处的磨耗量，进而得出滑板的服役里程。不同拉出值布置方式的滑板服役里程如表5所示。

表5 不同拉出值布置方式的受电弓滑板服役里程

由表5可知：对于长锚段架空刚性接触网的拉出值布置，较正弦波布置方式而言，V型布置方式以及膨胀接头布置方式的受电弓滑板服役里程明显较高，约为正弦波关节两侧布置服役里程的3.4倍和3倍。

5 结论

刚性接触网的拉出值布置方式直接影响受电弓滑板的磨耗情况。本文针对城市轨道交通长锚段架空刚性接触网的拉出值布置，对比分析正弦波布置方式、V型布置方式以及膨胀接头布置方式对受电弓滑板磨耗的影响。研究发现：当锚段连接采用锚段关节接头型式时，拉出值布置推荐采用关节位于线路中心线同侧的V型布置方式，滑板磨耗均匀，服役里程最大，约为正弦波布置方式的3.4倍；当锚段连接采用膨胀接头型式时，拉出值布置推荐采用等锚段长度布置方式，滑板磨耗均匀，服役里程约为正弦波布置方式的3.1倍。该相关研究结论可为长锚段架空刚性接触网的平面布置提供参考。