城市軌道交通架空剛性懸掛技術(shù)的應(yīng)用與改進(jìn)

黃德亮，趙 勤，李金華，趙海軍

0 引言

架空剛性懸掛是城市軌道交通架空接觸網(wǎng)受流方式的一種，具有運(yùn)行可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)營維護(hù)方便、安裝空間小等優(yōu)點(diǎn)，適合在城市地鐵隧道內(nèi)應(yīng)用。到2008年底，架空剛性懸掛技術(shù)在國內(nèi)研究與應(yīng)用的時(shí)間已達(dá)10年。目前廣州、上海、南京等多條地鐵線路采用了架空剛性懸掛技術(shù)，北京、成都、蘇州、寧波、鄭州等多條地鐵計(jì)劃采用架空剛性懸掛技術(shù)。架空剛性懸掛已成為國內(nèi)地鐵隧道內(nèi)架空受流方式的首選。

架空剛性懸掛技術(shù)在國內(nèi)經(jīng)歷了一個(gè)從無到有的系統(tǒng)研究過程。作為主要技術(shù)研究人員，筆者將架空剛性懸掛的研究歷程及實(shí)際應(yīng)用效果通過本文與同行共享，希望增進(jìn)國內(nèi)對該項(xiàng)技術(shù)的深入了解，解除業(yè)內(nèi)部分人士對架空剛性懸掛關(guān)鍵技術(shù)的疑惑，更好地推廣該項(xiàng)技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用。

1 架空剛性懸掛技術(shù)的提出

在廣州地鐵二號(hào)線建設(shè)之前，國內(nèi)地鐵架空接觸網(wǎng)只有柔性懸掛一種模式。由于架空柔性懸掛的組成線材—承力索、接觸線、輔助饋線均帶有張力，一旦斷線直接影響地鐵的安全運(yùn)營。如果工程中出現(xiàn)隧道漏水腐蝕線材、有機(jī)絕緣材料老化等問題，則架空柔性懸掛存在斷線隱患。

為提高接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠性，1998年廣州地鐵二號(hào)線首次提出了采用架空剛性懸掛技術(shù)方案，并成立由廣州市地下鐵道總公司、中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司、中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司組成的聯(lián)合課題組對其進(jìn)行系統(tǒng)研究。

2 架空剛性懸掛技術(shù)的研究起步

課題組首先對架空剛性懸掛進(jìn)行了系統(tǒng)理論研究，對架空剛性懸掛弓網(wǎng)受流質(zhì)量進(jìn)行分析，確定弓網(wǎng)受流模型，開發(fā)了模擬計(jì)算軟件進(jìn)行架空剛性懸掛弓網(wǎng)受流模擬。課題組在國內(nèi)首次確定了架空剛性懸掛平面布置原則、錨段關(guān)節(jié)實(shí)施方案、剛?cè)徇^渡實(shí)施方案、道岔處交叉渡線處實(shí)施方案、懸掛安裝實(shí)施方案、異金屬間防止電腐蝕方案、施工工藝方案等。

架空剛性懸掛標(biāo)準(zhǔn)斷面由匯流排、接觸線、絕緣子、支持結(jié)構(gòu)等組成，典型斷面見圖1。

為了使該項(xiàng)技術(shù)能夠在國內(nèi)工程中推廣應(yīng)用，必須在消化吸收國外技術(shù)精髓的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品國產(chǎn)化。為此，該課題組依據(jù)“建立架空剛性懸掛示范段→主要零部件設(shè)備國產(chǎn)化→建立試驗(yàn)段”的研究思路進(jìn)行了國產(chǎn)化研究。以上3步分別于1999年8月、2000年3月和2000年4月成功完成。

2000年12月18日，鐵道部科教司與廣東省科技廳聯(lián)合組織技術(shù)鑒定會(huì)，通過了對架空剛性懸掛研究成果的鑒定。

圖1 架空剛性懸掛典型斷面示意圖

3 架空剛性懸掛的工程實(shí)例

2003年6月28日，廣州地鐵二號(hào)線投入運(yùn)營，這是國內(nèi)第一條采用架空剛性懸掛技術(shù)的地鐵線路。該線采用垂直懸吊安裝方式，跨距為6～8 m；錨段長度為250～300 m，錨段中間設(shè)置中心錨結(jié)，中心錨結(jié)獨(dú)立設(shè)置；拉出值采用了“近似半正弦波”布置方案；架空剛性懸掛跨中弛度5 mm左右。

廣州地鐵二號(hào)線開通至今，接觸網(wǎng)運(yùn)行效果良好，未發(fā)生一次弓網(wǎng)事故，驗(yàn)證了架空剛性懸掛的可靠性和安全性。但客觀地說，由于是第一條采用架空剛性懸掛技術(shù)的地鐵線路，從接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理到車輛受電弓匹配等方面均存在經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致在運(yùn)營過程中出現(xiàn)了一些技術(shù)問題，這也在業(yè)內(nèi)引起了較大的爭議。

3.1 個(gè)別區(qū)段接觸線磨耗量偏大

接觸線磨耗由機(jī)械磨耗和電氣磨耗 2部分組成。對于架空剛性接觸網(wǎng)的接觸線與碳滑板的機(jī)械磨耗問題，課題組于2000年11月在鐵道部科學(xué)院產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行了弓網(wǎng)磨耗模擬試驗(yàn)，得出在Vmax= 80 km/h條件下接觸線和受電弓滑板機(jī)械磨耗的檢測數(shù)據(jù)，見表1。

表1 每萬弓架次接觸線的磨耗比值表

廣州地鐵二號(hào)線碳滑板與接觸線間靜態(tài)壓力為120 N，架空剛性懸掛接觸線的允許磨耗量為接觸線截面積的 2/3，以 120 mm2接觸線、每年 40萬弓架次進(jìn)行估算，能夠滿足50年的使用年限。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，該線絕大部分架空剛性懸掛的接觸線實(shí)際磨耗量與試驗(yàn)值基本吻合，說明架空剛性懸掛接觸線正常磨耗為機(jī)械磨耗。

通過對接觸線磨耗嚴(yán)重區(qū)段的調(diào)查分析，該區(qū)段的磨耗均為電氣磨耗造成的。該磨耗嚴(yán)重區(qū)段均為減振道床（軌道彈性較大）、變坡區(qū)段，同時(shí)車輛加速取流。在這幾種因素的共同作用下，車輛通過時(shí)，受電弓發(fā)生較大的震動(dòng)，不能與接觸線可靠接觸，而該區(qū)段的受電弓取流又比較大。圖2為在紀(jì)念堂—越秀公園現(xiàn)場實(shí)際拍攝的接觸線磨耗照片，從中可以看出，受電弓與接觸線未能連續(xù)可靠接觸，產(chǎn)生火花，造成電氣磨耗嚴(yán)重。經(jīng)測算，該區(qū)段每萬弓架次的接觸線磨耗量平均達(dá)到0.5 mm2，4年左右就需要進(jìn)行接觸線更換，實(shí)際工程中3年后即進(jìn)行了更換。

圖2 接觸線磨耗嚴(yán)重區(qū)段現(xiàn)場例圖

通過有限元分析法進(jìn)行模擬分析，受電弓與接觸線不能可靠連續(xù)接觸可采取如下措施進(jìn)行解決：一方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)性優(yōu)化，適當(dāng)增加這些區(qū)段的彈性；另一方面提高受電弓的穩(wěn)定性和追隨特性。

3.2 受電弓碳滑板磨耗不均勻

受電弓碳滑板磨耗不均勻與二號(hào)線錨段的布置有關(guān)。二號(hào)線接觸網(wǎng)在一個(gè)錨段（約250 m）布置成一個(gè)“近似半正弦波”。由于缺乏專用設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)圖無法給出全部懸掛點(diǎn)的拉出值，只給出了關(guān)節(jié)處、最大拉出值處等關(guān)鍵懸掛點(diǎn)的拉出值，其余懸掛點(diǎn)的拉出值要求施工人員根據(jù)“近似半正弦波”布置進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)整。而工程安裝時(shí)，由于缺乏具體拉出值作為依據(jù)，部分錨段的實(shí)際布置不是“近似半正弦波”形，造成受電弓的磨耗不均勻。

目前“架空剛性懸掛平面布置軟件”已經(jīng)開發(fā)成功，所有懸掛點(diǎn)的拉出值均能準(zhǔn)確給出，能夠指導(dǎo)現(xiàn)場調(diào)整出“近似全正弦波”形布置。理論上定性地看，“近似半正弦波”和“近似全正弦波”形布置對接觸線的磨耗基本一致，“近似全正弦波”形布置模式可使受電弓滑板的磨耗更趨均勻。廣州地鐵三號(hào)線全部采用“近似全正弦波”形布置模式，通過實(shí)際測量，該線受電弓碳滑板磨耗的均勻度較二號(hào)線有了很大的提高。因此將二號(hào)線錨段的布置調(diào)整成“近似全正弦波”形布置，可改善受電弓碳滑板磨耗不均勻問題。

以上是廣州地鐵二號(hào)線架空剛性接觸網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的最突出的2個(gè)問題。目前針對二號(hào)線接觸網(wǎng)及受電弓的整改方案正在研究實(shí)施之中。

4 時(shí)速120 km架空剛性懸掛技術(shù)與應(yīng)用

廣州地鐵三號(hào)線是國內(nèi)第一條最高運(yùn)行速度120 km/h的快速地鐵線路，對接觸網(wǎng)的系統(tǒng)性能提出了更高的要求。主要體現(xiàn)在機(jī)車快速運(yùn)行過程中接觸網(wǎng)的安全可靠性、弓網(wǎng)關(guān)系的匹配性。通過系統(tǒng)研究，地鐵三號(hào)線在二號(hào)線的基礎(chǔ)上，架空剛性懸掛采取了如下技術(shù)創(chuàng)新：

（1）國內(nèi)首次采用“扁平式150 mm2銅銀接觸線”技術(shù)，解決快速運(yùn)行時(shí)大電流及大弓網(wǎng)接觸面積的要求。

（2）國內(nèi)首次采用“膨脹元件錨段關(guān)節(jié)”技術(shù)，同時(shí)將錨段長度由250 m延長至300 m，改善了錨段關(guān)節(jié)弓網(wǎng)受流薄弱環(huán)節(jié)，克服了快速運(yùn)行時(shí)的離線問題。

（3）國內(nèi)首次采用“近似全正弦波”形布置、“6 m標(biāo)準(zhǔn)跨距”、“中心錨結(jié)與懸掛點(diǎn)合并”等技術(shù)，將架空剛性懸掛跨中弛度由4 mm降為2 mm左右，改善了受流質(zhì)量，滿足了快速受流的要求。

（4）國內(nèi)首次開發(fā)成功“架空剛性懸掛平面布置軟件”，用于工程設(shè)計(jì)，保證了工程質(zhì)量。

廣州地鐵三號(hào)線從2006年6月28日開通至今未發(fā)生一次弓網(wǎng)事故，驗(yàn)證了120 km/h快速架空剛性懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性和安全性。針對120 km/h快速架空剛性懸掛而研發(fā)的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)均為國內(nèi)首創(chuàng)，也解決了二號(hào)線的 2個(gè)技術(shù)難題。廣州地鐵三號(hào)線為國內(nèi)今后地鐵運(yùn)行速度的提升積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

5 架空剛性懸掛技術(shù)的應(yīng)用

通過廣州地鐵二號(hào)線和三號(hào)線的成功應(yīng)用，架空剛性懸掛技術(shù)得到了全國的普遍認(rèn)同。目前廣州、上海、南京、北京、天津、重慶、沈陽、鄭州、長沙、寧波等20多條地鐵線路的隧道內(nèi)采用了該項(xiàng)技術(shù)。

廣州地鐵一號(hào)線建設(shè)時(shí)采用了架空柔性懸掛技術(shù)，由于部分隧道漏水嚴(yán)重，污水腐蝕柔性懸掛承力索和接觸線，存在斷線的隱患。目前該區(qū)段已在不停運(yùn)的條件下完成了從架空柔性到剛性的“柔改剛”技術(shù)改造，為架空柔性懸掛地鐵線路不停運(yùn)條件下進(jìn)行大修更換提供了很好的技術(shù)方案。電氣化鐵道隧道內(nèi)也開始采用架空剛性懸掛技術(shù)。

6 結(jié)束語

架空剛性懸掛技術(shù)在我國通過了十分系統(tǒng)的研究過程，既借鑒國外技術(shù)經(jīng)驗(yàn)又獨(dú)立自我創(chuàng)新，保證了該技術(shù)在國內(nèi)能夠廣泛推廣應(yīng)用。

盡管廣州地鐵二號(hào)線存在一些技術(shù)問題，但作為國內(nèi)第一條架空剛性懸掛的應(yīng)用工程，在國內(nèi)城市軌道交通發(fā)展史上的地位和作用是不容忽視。

從1998年到2009年，架空剛性懸掛技術(shù)在國內(nèi)的研究與應(yīng)用已經(jīng)超過了10年。隨著應(yīng)用工程的增多，架空剛性懸掛出現(xiàn)的技術(shù)問題也會(huì)更多、更加復(fù)雜，通過本文希望能起到拋磚引玉的作用，希望能與國內(nèi)同行一起，為架空剛性懸掛技術(shù)在國內(nèi)的更好應(yīng)用不斷努力。