刚性悬挂接触网系统分析及应用前景

2022-11-01阎娜

电气化铁道 2022年5期

阎娜

1 刚性接触网的国内外应用情况

刚性接触网由汇流排、接触线、悬挂与定位结构等组成，将接触线夹持在汇流排中[1]，并靠其自身刚性保持接触线的恒定位置，使其不因重力而产生弛度，并取消柔性接触网的承力索和吊弦。

国外刚性接触网的应用较早，如1895 年美国巴尔的摩第一条电气化铁路，1961 年日本营团地铁日比谷线，1983 年法国巴黎RATPA 线，1988年瑞士辛普伦隧道使用1 100 m 刚性悬挂，这些线路的运营速度均低于160 km/h。目前200 km/h 及以上线路的刚性接触网应用较少，2014 年奥地利开通的维也纳—林茨城际铁路，长4.8 km 的Sittenberg 隧道应用刚性悬挂，其运行速度达到250 km/h；2020 年瑞士的Ceneri-Base 隧道使用刚性悬挂，运营速度超过250 km/h。但总体来看，高速刚性接触网多为既有内燃线路低净空隧道的电气化改造，在线路中的占比相对较低。

我国第一条刚性悬挂接触网应用于2003 年建成的广州地铁二号线三元里—琶洲段，该段线路长18.4 km。随后国内多条铁路隧道内接触网采用刚性悬挂，最早的25 kV 交流电气化铁路刚性悬挂应用于2006 年兰新铁路的乌鞘岭隧道，之后青藏线的关角隧道、南疆线的中天山隧道、京九线电气化改造工程、焦柳线电气化改造工程、精伊霍铁路的北天山隧道、蒙华铁路运煤通道、北京新机场线等均采用刚性悬挂，其中北京新机场线的运营速度最高，为160 km/h。目前国内尚无200 km/h 及以上刚性接触网的应用，其技术方案、装备设计、施工安装、运营维修等方案设计仍较欠缺。

2 刚性接触网技术特点

2.1 跨距

刚性接触网通常跨距为5～12 m，锚段长度为200～250 m，拉出值一般在500 m±200 mm 范围内。刚性接触网跨距与跨中弛度密切相关，跨距越小，弛度越小，则刚性接触网的平顺性越好。但跨距越小导致定位与悬挂结构较多，增加建设成本。刚性接触网的跨距常见有3 种：6、8、10 m。10 m跨距的跨中弛度较大，一般用于80 km/h 以下的线路，8 m 跨距一般用于160 km/h 以下的线路。弓网仿真表明，跨距为6 m 的刚性接触网系统接触力波动幅度更小，能满足最高运行速度为220 km/h 的线路，因此，200 km/h 刚性接触网跨距可考虑采用6 m。

跨距与汇流排通过速度有关。汇流排一般由铝材制成，约12 m 一段，安装时用鱼尾板将其连接为一体。接触线上安装刚柔过渡汇流排然后直接接入刚性接触网。每一段汇流排之间用汇流排中间接头连接，构成刚性悬挂的每个锚段。对于刚性接触网在隧道内悬挂安装，汇流排选择π 型结构比T型结构更适合（图1）。

图1 π 型汇流排

标准π 型汇流排一般有PAC110 和PAC80 两种。我国的乌鞘岭隧道刚性悬挂接触网采用的是π型汇流排PAC110 型。PAC110 汇流排通过速度与跨距的关系如表1 所示。

表1 PAC110 汇流排通过速度与跨距

2.2 锚段关节

目前，在我国城市轨道交通刚性接触悬挂中，刚性锚段关节（绝缘与非绝缘）多采用2 根汇流排终端平行并列、互相错开重叠而成。在重叠范围内采用悬挂定位点对导高、汇流排间距进行调整。图2 为上海地铁6 号线刚性悬挂锚段关节示意图[2]。其中，非绝缘锚段关节间距200 mm，绝缘锚段关节间距300 mm。

图2 刚性悬挂锚段关节示意图

对比刚性悬挂，柔性接触网通过“三跨”接触线立面的交叉，“四跨”一段距离的接触线平面等高进行过渡，柔性悬挂的锚段关节相对繁琐。图3所示为350 km/h 接触网柔性悬挂常见的四跨非绝缘锚段关节（b= 200 mm）。

图3 柔性悬挂四跨非绝缘锚段关节（单位：mm）

2.3 刚柔过渡

结合国外200 km/h 及以上刚性接触网工程，高速架空刚性接触网系统宜采用贯通式刚柔过渡，即刚性接触网与柔性接触网合为一支接触悬挂，其工作原理是柔性接触网进入隧道时承力索于隧道口或内部下锚。

刚柔过渡结构主要有两种方式：锚段关节式和切槽贯通式。由于切槽贯通式膨胀元件对刚性悬挂系统的安装和调试允许有更大的误差范围。国外200 km/h 及以上刚性悬挂，相邻两锚段衔接处采用贯通式锚段关节。

依据国外200 km/h 刚性接触网运营资料，贯通式膨胀接头其导高系统误差上限为5 mm，受电弓以200 km/h 速度通过时，全里程弓网接触力处于0～300 N 范围，满足标准要求，且受电弓经过膨胀接头时弓网接触力未出现很大波动，说明弓网受流质量良好，这是由于贯通式膨胀接头允许更大的安装误差范围。因此，200 km/h 刚性接触网锚段关节可采用贯通式膨胀接头。贯通式刚柔过渡平面布置如图4 所示。

图4 贯通式刚柔过渡平面布置

3 刚性接触网运动分析及运动频率

3.1 刚性接触网系统运动方程

利用运动微分方程可以分析接触网的运动状态，求解其固有频率、主振型、静态曲线等，也可以结合仿真软件进行分析。刚性接触网汇流排与接触线一体按锚段划分，其截面相对长度之比很小，可等效为梁。汇流排上方通过定位线夹间隔一定跨距固定，定位线夹若没有弹性元件，刚度很大，可假设为简支固定，若有弹性元件，可采用一垂向弹簧替代。刚性接触网整体为连续梁结构，采用动力微分方程表示刚性接触网随时间空间变化的垂向振动位移[3]，即

式中：ρ为刚性悬挂接触线密度；A为梁单元截面面积；u(x,t)为拉力，x为运动点处的位置，t为运动时间；E为杨氏弹性模量；I为梁单元截面惯性矩；m为定位点个数，当锚段长度为100 m，跨距为10 m 时，定位点为9 个；kd为刚度常数，常取5×106N/m；δ(x)为狄拉克函数；上式等号右边为弓网接触力载荷与重力载荷，fc为弓网接触力，弓网接触力载荷是随速度v移动的载荷，用狄拉克函数表示，其大小也随时间t变化；t0为受电弓在接触网上的初始时刻；x0为受电弓在接触网上的初始里程；ρAg为重力荷载，沿连续梁分布施加。

3.2 接触网系统运动频率

任何振动系统均有其运动的固有频率，其值由本身结构决定。接触网振动系统存在大量固有频率，结合接触网运动方程及ANSYS 软件，对刚性接触网系统进行模态分析，求解其固有频率。以某线路跨距10 m 的双弓刚性接触网系统为例进行统计分析[4]，刚性悬挂接触网系统固有频率如图5 所示。

图5 刚性接触网固有频率

由图5 可知，刚性悬挂接触网系统的前100 阶振动频率均小于10 Hz，到第236 阶才到20 Hz。

对比刚性接触网，结合ANSYS 软件，对柔性简单链形悬挂接触网系统进行分析。弹性模量为1.2×1011，泊松比为0.3；铜合金接触线密度设为8 282.82 kg/m3[5]，接触线采用CTSH-120。以完整锚段作为研究对象[6]，建立锚段1 和锚段2 的有限元模型，锚段关节拉出值按图3 设定[7]。锚段1 有限元模型：4 跨锚段关节（跨距40 m）+16 跨（跨距50 m）+4 跨锚段关节（跨距40m）= 1 120 m；锚段2 有限元模型：4 跨锚段关节（跨距50 m）+16跨（跨距60 m）+4 跨锚段关节（跨距50 m） =1 360 m。两个模型的前100 阶固有频率见图6。

图6 柔性接触网固有频率

柔性接触网系统的前10 阶固有频率不超过20 Hz。相比于短锚段，长锚段频率较小，且长锚段在60 阶才出现较大变化，短锚段在30 阶出现较大变化，因此设计时尽量选长锚段，避免短锚段。

由刚性接触网系统和柔性接触网系统的固有运动频率可见，接触网为低频系统，刚性接触网固有频率相对柔性接触网更小，从运动的角度，刚性接触网更具有优势。同时，对固有频率的分析，也为避免共振的研究提供一定依据。

4 刚性悬挂优缺点

4.1 优点

（1）悬挂高度低。目前160 km/h 及以上干线铁路隧道内柔性接触网结构高度一般不小于1 000 mm，也有结构高度为950、850 mm 等。AC 25 kV刚性接触网结构高度一般为450 mm，如图7 所示。

图7 刚性接触网的结构高度（单位：mm）

（2）减小隧道净空，缩小隧道断面，降低工程造价，利于生态环保。与柔性接触网相比，刚性接触网无纵向张力，减小了下锚补偿装置对隧道的需求，对隧道净空要求低。不同结构高度对隧道净空要求见表2。其中，A、B、C、D、E 分别代表海拔高度0～2 000 m（含）、2 000～3 000 m（含）、3 000～3 500 m（含）、3 500～4 000 m（含）、4 000～4 500 m（含）。

表2 不同结构高度对隧道净空的要求 mm

刚性架空接触网对隧道断面的控制点：直线区段，由支撑装置底座安装及调整要求进行控制，海拔4 500 m 时，所需隧道最小断面为6 955 mm。

对于单线隧道，较柔性悬挂断面来说，刚性悬挂断面高度可降低54.5 cm，净空面积可减小5.99 m2。以IVa 型衬砌为例，开挖量可减少6.52 m2，圬工量减少0.64 m2。对于双线隧道，相较柔性悬挂断面，刚性悬挂断面高度可降低24 cm，净空面积可减少5.59 m2。以IVa 型衬砌为例，开挖量可减少4.91 m2，圬工量减少0.5 m2。这对于隧道占比较高的线路，单减小隧道净空这一项，节约的投资相当可观，同时可以减少弃渣，有利于生态环保。

（3）结构简单、断线隐患低。刚性接触网因其结构特点，维护工作量小，从全生命周期的角度考虑，可靠性和免维护性是更重要的考虑因素。

以建设一条160 km/h 的线路为例，采用刚性接触网时，隧道净空为7 200 mm 即可满足安装要求，而采用柔性接触网系统，隧道净空应不低于7 600 mm，还需要土建预留下锚洞及绝缘关节等位置处的隧道局部开挖，这些土建方面的投资每公里可节约2 000 万元以上。

因此，对新建的隧道占比大、特长隧道及隧道群密集的线路，在减小隧道净空，缩小隧道断面方面，刚性悬挂具有优势。如川藏铁路雅安—林芝段新建正线长度1 008.41 km，全线新建隧道72 座（851 km），占线路总长度的84.4%。另外，对既有低净空隧道的改造，在不易改变隧道净空和断面的情况下，刚性接触网同样具有优势。

4.2 缺点

（1）固定安装点多，施工周期较长。刚性架空接触网在狭小的隧道断面内施工，作业面受限，且存在频繁的不同专业交叉施工及较多的固定安装点，作业效率低于柔性架空接触网。以国内某工程为例，1 个锚段1 400 m 隧道内，柔性接触网1天装完约需205 人；2 个锚段1 000 m 隧道内刚性接触网，1 天装完约需344 人。

（2）施工安装精度高。刚性接触网误差控制要求更高，施工质量和误差控制对刚性接触网影响明显。

（3）气动效应加大。采用刚性悬挂接触网，现有200 km/h 隧道标准断面所规定的隧道净空面积将进一步减小，动车组在通过单线隧道及在双线隧道交会时，空气动力学效应进一步加大，引发列车及隧道气动效应加强。