地铁刚性接触网弓网关系与优化策略分析

宋博瀚

（中铁建电气化局集团轨道交通器材有限公司，江苏 常州 213179）

作为地铁工程最关键的构成部分之一，刚性接触网虽然比柔性悬挂有非常显著的优势，但与此同时，其局部弹性较差及磨耗不均匀的问题也是不能忽略的，如果无法进行弓网关系的及时优化，则地铁运行的效率与安全性也无法得到保证。由此可见，作为接触网专业技术人员，结合地铁工程对刚性接触网的施工要求，以及刚性施工网的特征对弓网关系进行优化以减少磨耗已势在必行。

1 地铁刚性接触网的构成及其特征

刚性接触网的主要构成，即为接触悬挂、支持定位装置、绝缘部件和架空地线，其中接触悬挂则主要有汇流排、接触线、伸缩部件和中心锚结这四个组成部分；支持定位装置需在隧道顶部或者壁上安装；悬挂布置的整体形状为正弦波，一个锚段形成半个正弦波，各悬挂点通常情况下和受电弓中心间距不会超过200mm（图1）。

图1 刚性悬挂网布置图

虽然刚性接触网出现的时间并不长，但却凭借自身施工方便、安全稳定、维护简单、适应速度强、成本低以及供电间距长等优势，以其结构紧凑简单、施工方便、工程造价低、安全可靠、可维护性高、供电间距长以及适应速度较高等优点，被广泛应用于地铁建设中。与此同时，刚性接触网的优势还体现在占空间小和无轴向张力上，其与受电弓共同组成地铁架空刚性接触网弓网系统，使车辆在足够能量的驱动下实现稳定运行。

2 优化地铁刚性接触网弓网关系的必要性

虽说电气化铁路柔性接触网弓网系统，与地铁架空刚性接触网弓网关系的功能没有太大区别，但二者的线路条件、受电弓性能、行车组织以及接触悬挂结构类型却是存在极大差异的，这导致各城市甚至同一城市各线路的特征都不同，进而造成弓网关系恶化、接触线磨耗分布严重不均的问题。如果无法及时检测并优化，则地铁刚性接触网弓网关系的稳定性和安全性必然会降低，不仅会使运维压力大幅提高，对车辆行驶来讲也是不能忽视的安全威胁。因此，地铁运维部门与技术人员使用专业的检测技术，在掌握各线路弓网系统运行特征的基础上，为相应的优化工作提供指导，制定完善、科学的策略并落实，达成提高运维效率和水平的目的，为刚性接触网弓网系统的可靠运行创造良好环境。

3 刚性接触网弓网关系的现状

首先，经实践证明，刚性接触网的结构稳定性强，能为地铁高效运行提供高度保证，但与此同时，相比柔性悬挂技术来讲，刚性悬挂网柔性差和拉出值调节困难的问题也很明显，特别是地铁工程的施工空间较小，所以弓网关系的优化是目前此领域迫在眉睫的任务。

其次，在电弓磨耗不规则的情况下，接触线磨耗不均匀也是正常的，进一步在受电弓被磨后两端形成的凹槽作用下，导致锚段中部接触线也出现偏磨的问题。最后，接触线工作面的平滑性无法保证，也会加重受电弓磨耗不规则的问题，长此以往，弓网关系恶化必然还会更加严重，进而加大打火和拉弧及离线问题出现的概率，其甚至会导致接触线、受电弓或接触网设备受损，使机车受流质量大幅下降。

4 影响地铁刚性接触网弓网关系的主要因素

4.1 平面布置形式

由于刚性接触网的主要特征就是较大的汇流排刚度，所以其在平面布置形式时无法选择“之”字形，导致平面布置的均匀性与实际要求差距较大。就我国地铁线路施工的目前情况来看，“S”和“八”字是刚性接触网单个锚段平面布置最常见的两种形式，其中前者又可以划分成一次过零和三次过零这两种方法，且拉出值通常会在±100mm或者是±200mm处呈集中状态分布；而后者的拉出值分布均匀性相对较强。受电弓滑板在通过的过程中，会受到接触线分布空间位置差异的影响，具体来讲，接触线接触滑板的各位置并发生摩擦的概率不确定，所以滑板各位置的磨耗量也不同，进而导致滑板形状被磨耗的不均匀。

此时，刚性接触网采取不同的平面布置形式，也会受到拉出值分布特征的影响，致使受电弓滑板各处磨耗程度不同。

除此以外，为符合地铁线路建设和汇流排伸缩的具体要求，一条线路一般情况下需采取一种及以上的平面布置形式，与此同时，各平面布置形式的占比差异，也会对受电弓滑板磨耗分布起到决定性的作用，再形成最终的滑板磨耗廓形。

对各地地铁全线动态拉出值分布特征进行分析后可得出结论，其中除含括三类平面布置特征外，滑板磨耗形状和用于分析的拉出值分布特征高度重合，由此可见，不同平面布置形式是受电弓滑板磨耗廓形受到影响的重要因素，进而影响刚性接触网整体的弓网关系。

4.2 接触线磨耗分布不均匀

刚性接触网弓网系统运行的原理，简单来讲，就是基于复杂的大气环境，多场耦合作用下形成的载流摩擦磨损现象，而磨损机理则共有机械磨耗和电气磨耗这两个重点构成部分，前者含括磨粒、疲劳以及黏着磨损这三种类型，后者以电弧熔融喷溅与电离子转移为主要内容。根据相关调查研究报告显示，在接触线与受电弓滑板材料固定的情况下，这两种磨损是由刚性接触网的弓网接触力和牵引电流决定的。另外，如果以刚性接触网平顺度足够为前提，则弓网接触力和运行速度间的联系最密切，相关研究人员通过大量仿真与现场试验得出的结果表明，以往传统的地铁线路刚性接触网运行速度，最高只能达到120km/h，而在采取跨距优化和弹性线夹安装等策略后，运行速度最高可达到250km/h，由此可见，刚性悬挂接触线的载流磨损分布情况，会受到车辆牵引电流分布特征的极大影响。

在地铁车辆运行特殊性的作用下，其运行过程中的牵引电流相对较大，且电流会在驶出站区的时候出现骤增的现象，导致刚性接触线在此区段受到严重磨耗。以某地铁线路为例，在对其区间接触线严重磨耗部位分布进行统计后，可明确全线区间共有27个，出站区第1个到第5个锚段，是刚性接触网磨耗最严重的位置，这与上述所分析的牵引电流分析特征是相同的。其中有两个区间因为间距大所以出站区的加速时间较长，所以其磨耗严重的锚段也更多，因此，技术人员可从此入手展开弓网关系的优化。

5 优化地铁刚性接触网弓网关系的有效措施

5.1 准确测量实际磨耗值

上述已经提过，刚性接触网平面布置是滑板磨耗的重要影响因素，但在受电弓横向摆动量与车体晃动量的作用下，刚性接触线和受电弓滑板中心的水平空间位置，和它与线路中心的不同，二者的拉出值分别是动态和静态的，因此，仅掌握其静态拉出值分布特征，受电弓滑板磨耗形状检测的准确性很难得到保证，动态拉出值的测量也是非常必要的。此时，技术人员还应充分考虑到，无论是同一车辆或者不同车辆，在载荷与运动速度存在差异的情况下，相对受电弓滑板中心来讲，线路位置相同的接触线与其的水平横向位置也不是固定不变的，若想尽可能提高车辆受电弓滑板磨耗程度的准确性，就必须先确保检测装置能实现对接触线与水平横向位置的准确测量。

具体来讲，技术人员可以基于各类载荷工况，对运营车辆的全线接触线动态拉出值数据，展开科学、全面、详细的分布特征统计，进而最大程度地提高运营车辆受电弓滑板磨耗值测量的准确性。此外，技术人员还应重视其他的检测参数，例如，接触线高度、导线水平和垂直间距、速度、距离以及拉出值等，这样不仅对测量锚段关节等双支接触线高区段长度的顺利展开非常有帮助，也使得滑板磨耗形状结果更加准确。

5.2 改良悬挂结构刚度和系统弹性

根据国际相关学者的研究结果可知，如果能在使刚性接触网悬挂结构的刚度降低的同时强化系统弹性，如使用弹性螺杆代替悬挂螺杆，使用弹性绝缘子与弹性定位线夹，则对地铁刚性接触网弓网关系的优化而言能发挥极好的效果。

经实践证明，这些先进器件能有效提高接触网系统悬挂的弹性，一方面，使刚性悬挂受电弓得匹配性得以提升；另一方面，也能使授流得到改善。现如今，弹性绝缘子与弹性定位线在实际施工中应用的最多，其原理简单来讲，就是基于结构对高弹性特征，使悬挂接触网的刚度尽量减小，进一步减弱受电弓对接触网可能造成的冲击，最大程度上增强弓网授流的平稳性，最终实现尽量避免接触网电气异常磨损与优化弓网动态受流性能的目的。我国广东省佛山市以及杭州等地铁线路，均在刚性接触网施工中使用了弹性绝缘子与弹性定位线，以通过降低刚度、强化弹性优化接触网弓网关系，进而降低运维的难度和压力。

除此之外，弹性悬挂绝缘子与弹性定位线夹还可以组合使用，即技术人员需在弹性绝缘悬挂组件上安装汇流排，同时，依靠刚性接触线与汇流排本身的重量，使悬挂组件的弹性元件形状变化，实现力量上的相互平衡。这样一来，在电客车受电弓与刚性接触网悬挂点相错的时候，就会由弹性元件抵消受电弓向上冲击时产生的力，同时，橡胶材料还能吸收大部分车辆运动带来的振动，从而有效减少受电弓的离线率，使弓网磨耗得到大幅降低。

5.3 确保受电弓与接触网的匹配性

地铁线路刚性接触网和受电弓属于一个整体，因此，即使各线路的运行速度不同，也必须确保接触网类型及参数与之相适应，且需有用于匹配接触网类型的受电弓。另外，若想减少弓网磨耗，技术人员应将受电弓静态接触压力调整并控制在100～140N，在采取气囊悬挂方式的同时，选择质量较小的弓头，保证滑板能在弓投结构的作用下和接触线稳定接触，需使用电阻率小的滑板材料。相同线路的滑板材质和种类最好相同，否则，刚性接触线表层结构也会出现差异，进一步使接触线与滑板所受的磨耗更加严重。技术人员应对受电弓进行日常检查，如果发现碳滑板出现1～2mm的凹凸，则应及时进行打磨，确保工作面的平滑度与标准相符，从细节处为刚性接触网弓网关系的优化奠定牢固基础。

6 结语

综上所述，对于地铁刚性接触网弓网关系而言，其极易受到多方因素的影响，而导致出现接触线磨耗不均匀分布等问题，如果无法有针对性地优化改良，则必然会使弓网系统的安全性和稳定性下降，进而加大地铁运行系统整体的运维难度。未来城市交通对地铁的需求和要求还会不断提高，从优化刚性接触网弓网关系等细节处入手，来提高地铁工程的整体质量，也必须提上日程，这也是城市交通领域能实现健康可持续发展的必要途径。