160 km/h市域车真实载客工况下的弓网关系研究

彭有根 叶 超

(广州地铁集团有限公司 广东 广州 510000)

0 引言

广州地铁18、22号线全长92.1 km，采用8辆编组市域快线列车，是全国首条160 km/h全地下轨道交通快线，配备目前国内载客量最大、速度最高的市域8节编组D型车。全线首次采用160 km/h的隧道全刚性接触网，为掌握该线弓网匹配状态，确保线路如期开通及后期运营安全，须针对该线开展弓网关系评估研究。

根据广州地铁18、22号线开通前联调联试数据，采用对比关联方法对表征弓网关系的接触网动态几何参数、弓网接触力、燃弧、硬点参数特性进行分析。结合现行标准对广州地铁18、22号线弓网关系进行评价，给出局部超限整改建议。

1 弓网参数检测

1.1 弓网参数检测项点

弓网参数检测由弓网动态几何参数、弓网接触力、视频图像、燃弧、硬点5个模块组成，检测设备安装于电客车车顶，如图1所示。

图1 弓网关系试验主要设备图

1.2 弓网检测试验

本次试验全方位模拟实际运行工况，在广州地铁22号线祈福站至陈头岗上制定了车速从60 km/h～176 km/h(设计最高车速160 km/h的110%)、不同运行方向(开闭口)多个试验计划，对比分析不同运行状态下的检测数据，综合评价弓网关系。

1.2.1弓网动态接触力检测

全线路弓网动态接触力变化曲线与车速变化如图2所示。

图2 全线路弓网接触力-速度变化曲线

由以上可知，速度低于80 km/h弓网动态接触力保持稳定，车速高于80 km/h时，速度越快，弓网动态接触力越大。试验区间内各速度下弓网动态接触力均正常，接触力标准偏差在规定范围内。

现有学者根据标准EN 50367，提出高速列车运行时的弓网平均接触力公式[1]：

F=Av2+Bv+C-kv2

(1)

其中：F为弓网平均接触力,N；v为列车运行速度,km/h；A、B、C为平均接触力参数；k为空气动力学修正系数。相较于EN 50367中给出的弓网平均接触力最大/最小值理想公式，上述公式引入了Bv与kv2两个修正系数，更能反应列车高速运行状态下弓网接触力真实变化情况。车速80 km/h以上弓网平均接触力与上述理论模型符合且分布在EN 50367中规定的最大及最小平均接触力范围中，如图3所示。

图3 平均弓网接触力分布情况

速度越大，弓网动态接触力的变化越剧烈，弓网动态接触力极差、标准差越大[2]，变化的趋势如图4所示。

图4 弓网动态接触力波动剧烈程度随速度变化

已有学者仿真证明了高速运行状态下，受电弓闭口运行的弓网接触力明显高于开口方向[3]，本线路未加装导流板时开闭口弓网接触力如图5所示。

图5 未装导流板开闭口检测弓网动态接触力差

为改善受流质量，本次弓网试验在受电弓上增加了导流板，结构如图6所示。

图6 本次试验加装主导流板结构及实物图

对受电弓进行空气动力学分析可得，受电弓开口运行时主导流板能有效截取空气阻力，获得上升的空气动力，增加开口运行时的弓网接触力；闭口运行时主导流板获得下压的空气动力，减小闭口运行时弓网接触力。从而平衡高速运行下受电弓在开、闭口方向的弓网动态接触力，改善受电弓开、闭口运行的受流质量[4]。加装主导流板后，开闭口下弓网动态接触力差如图7所示。

图7 加装主导流板后开闭口检测弓网动态接触力差

受电弓闭口方向弓网接触力略大于开口方向，加装主导流板成功起到了改善受电弓开闭口运行的受流质量的作用。

理想情况下前滑板(相对运动方向)的弓网接触力小于后滑板时，受电弓能获得理想的受流质量。而在加装主导流板前，列车低速运行时，前滑板的弓网接触力略大于后滑板，此时弓网关系质量良好，当速度较快时，前滑板的弓网接触力大于后滑板的弓网接触力，弓网关系质量变差，如图8所示。

图8 加装主导流板前前后滑板弓网接触力-速度曲线

对受电弓滑板进行受力分析，单个受电弓前后滑板受力不均是因为弓网摩擦力，在摩擦力转矩作用下，弓头沿转轴产生顺时针偏转，速度越快，弓网接触力的压力越大，故弓网摩擦力越大，使得受电弓前滑板的弓网接触力大于后滑板，受力分析示意图如图9所示。

图9 前后滑板受力分析示意图

图6中前后小导流板在适当的尺寸角度下，能够起到平衡前后滑板弓网接触力的作用，前后滑板会被施加方向相反的空气动力，与摩擦力形成一个相反的转矩以确保前后滑板与接触线保持良好的接触，理论分析如图10所示。受电弓上加装前后小导流板的试验结果如图11所示。

图10 小导流板附加空气动力受力分析

图11 加装导流板后前后滑板弓网接触力-速度曲线

由以上可知，加装导流板后前后滑板弓网接触力基本平衡，相比于未加装导流板时受电弓受流质量明显提升。

1.2.2弓网燃弧检测

不同速度级、开闭口运行下的弓网燃弧检测数据如图12所示。

图12 不同速度及开闭口的燃弧持续时间曲线

全线燃弧试验结果在指标规定范围内。其燃弧率与速度及开闭口运行关系如图13所示。

图13 开闭口运行燃弧率比较

图中开闭口运行下燃弧率有较大区别，车辆沿受电弓开口方向运行时燃弧率明显高于沿闭口方向的燃弧率。说明受电弓在开口方向运行相比闭口方向受流质量较差，这与1.2.1小节中的主导流板调节开闭口弓网接触力相关，可继续调节主导流板尺寸角度，进一步优化受流质量。

1.2.3受电弓垂向加速度(硬点)检测

受电弓垂向加速度(硬点)检测结果如图14所示。测试区间在速度为176 km/h时产生最大硬点，硬点幅值为8g。

图14 运行速度及硬点变化曲线

由以上可知，受电弓在列车各速度运行情况下垂向加速度值保持在标准范围内，当速度越快时，硬点的幅值越大。

1.2.4动态几何参数检测

全线路动态几何参数检测结果及分布情况如图15所示。全线导高数据稳定，其检测曲线及分布如图16所示。由图可知，全线导高呈正态分布，拉出值分布均匀，无明显的高频次拉出值，受电弓能在接触线上平稳过渡。从接触网架设维度有效地保证了该线路的良好弓网关系。

图15 拉出值检测结果及分布

2 弓网关系评价

依据交办运[2019]17号文中对弓网关系测试的指标要求，结合本次试验对广州地铁22号线祈福站-陈头岗站弓网关系总结如下：

(1)接触网动态几何参数符合设计要求，导高拉出值分布均匀。

(2)弓网燃弧测试符合指标要求。在试验设计的各运行状态下燃弧次数均小于指标要求的“1次/160 m”， 燃弧率小于5%，一次燃弧最大持续时间小于100 ms。

图16 导高检测结果及分布

(3)线路弓网接触力符合要求，按跨统计最大值、最小值和标准差均在规定范围内。

(4)受电弓在列车各速度运行情况下垂向加速度(硬点)值保持在标准范围内。

综上所述该线路目前弓网关系良好，受流稳定。受电弓加装导流板后，前后滑条受力均匀，后续可微调主导流板角度，增加列车沿受电弓开口方向运行时的弓网接触力，减少燃弧产生，进一步优化该线路弓网关系。

3 结论

广州地铁18、22号线作为国内首次采用160 km/h的隧道全刚性接触网，在线路开通之初具备良好的弓网关系；同时该线路搭载了电客车在线检测装置，实时对线路进行全方面状态感知，并向地面端上传检测数据，为今后线路运行预测、预警和智慧决策提供良好的数据支撑。本线路的建设及运营模式可以为后续类似线路提供参考。