160 km/h市域車真實載客工況下的弓網關系研究

彭有根 葉 超

(廣州地鐵集團有限公司 廣東 廣州 510000)

0 引言

廣州地鐵18、22號線全長92.1 km，采用8輛編組市域快線列車，是全國首條160 km/h全地下軌道交通快線，配備目前國內載客量最大、速度最高的市域8節(jié)編組D型車。全線首次采用160 km/h的隧道全剛性接觸網，為掌握該線弓網匹配狀態(tài)，確保線路如期開通及后期運營安全，須針對該線開展弓網關系評估研究。

根據(jù)廣州地鐵18、22號線開通前聯(lián)調聯(lián)試數(shù)據(jù)，采用對比關聯(lián)方法對表征弓網關系的接觸網動態(tài)幾何參數(shù)、弓網接觸力、燃弧、硬點參數(shù)特性進行分析。結合現(xiàn)行標準對廣州地鐵18、22號線弓網關系進行評價，給出局部超限整改建議。

1 弓網參數(shù)檢測

1.1 弓網參數(shù)檢測項點

弓網參數(shù)檢測由弓網動態(tài)幾何參數(shù)、弓網接觸力、視頻圖像、燃弧、硬點5個模塊組成，檢測設備安裝于電客車車頂，如圖1所示。

圖1 弓網關系試驗主要設備圖

1.2 弓網檢測試驗

本次試驗全方位模擬實際運行工況，在廣州地鐵22號線祈福站至陳頭崗上制定了車速從60 km/h～176 km/h(設計最高車速160 km/h的110%)、不同運行方向(開閉口)多個試驗計劃，對比分析不同運行狀態(tài)下的檢測數(shù)據(jù)，綜合評價弓網關系。

1.2.1弓網動態(tài)接觸力檢測

全線路弓網動態(tài)接觸力變化曲線與車速變化如圖2所示。

圖2 全線路弓網接觸力-速度變化曲線

由以上可知，速度低于80 km/h弓網動態(tài)接觸力保持穩(wěn)定，車速高于80 km/h時，速度越快，弓網動態(tài)接觸力越大。試驗區(qū)間內各速度下弓網動態(tài)接觸力均正常，接觸力標準偏差在規(guī)定范圍內。

現(xiàn)有學者根據(jù)標準EN 50367，提出高速列車運行時的弓網平均接觸力公式[1]：

F=Av2+Bv+C-kv2

(1)

其中：F為弓網平均接觸力,N；v為列車運行速度,km/h；A、B、C為平均接觸力參數(shù)；k為空氣動力學修正系數(shù)。相較于EN 50367中給出的弓網平均接觸力最大/最小值理想公式，上述公式引入了Bv與kv2兩個修正系數(shù)，更能反應列車高速運行狀態(tài)下弓網接觸力真實變化情況。車速80 km/h以上弓網平均接觸力與上述理論模型符合且分布在EN 50367中規(guī)定的最大及最小平均接觸力范圍中，如圖3所示。

圖3 平均弓網接觸力分布情況

速度越大，弓網動態(tài)接觸力的變化越劇烈，弓網動態(tài)接觸力極差、標準差越大[2]，變化的趨勢如圖4所示。

圖4 弓網動態(tài)接觸力波動劇烈程度隨速度變化

已有學者仿真證明了高速運行狀態(tài)下，受電弓閉口運行的弓網接觸力明顯高于開口方向[3]，本線路未加裝導流板時開閉口弓網接觸力如圖5所示。

圖5 未裝導流板開閉口檢測弓網動態(tài)接觸力差

為改善受流質量，本次弓網試驗在受電弓上增加了導流板，結構如圖6所示。

圖6 本次試驗加裝主導流板結構及實物圖

對受電弓進行空氣動力學分析可得，受電弓開口運行時主導流板能有效截取空氣阻力，獲得上升的空氣動力，增加開口運行時的弓網接觸力；閉口運行時主導流板獲得下壓的空氣動力，減小閉口運行時弓網接觸力。從而平衡高速運行下受電弓在開、閉口方向的弓網動態(tài)接觸力，改善受電弓開、閉口運行的受流質量[4]。加裝主導流板后，開閉口下弓網動態(tài)接觸力差如圖7所示。

圖7 加裝主導流板后開閉口檢測弓網動態(tài)接觸力差

受電弓閉口方向弓網接觸力略大于開口方向，加裝主導流板成功起到了改善受電弓開閉口運行的受流質量的作用。

理想情況下前滑板(相對運動方向)的弓網接觸力小于后滑板時，受電弓能獲得理想的受流質量。而在加裝主導流板前，列車低速運行時，前滑板的弓網接觸力略大于后滑板，此時弓網關系質量良好，當速度較快時，前滑板的弓網接觸力大于后滑板的弓網接觸力，弓網關系質量變差，如圖8所示。

圖8 加裝主導流板前前后滑板弓網接觸力-速度曲線

對受電弓滑板進行受力分析，單個受電弓前后滑板受力不均是因為弓網摩擦力，在摩擦力轉矩作用下，弓頭沿轉軸產生順時針偏轉，速度越快，弓網接觸力的壓力越大，故弓網摩擦力越大，使得受電弓前滑板的弓網接觸力大于后滑板，受力分析示意圖如圖9所示。

圖9 前后滑板受力分析示意圖

圖6中前后小導流板在適當?shù)某叽缃嵌认拢軌蚱鸬狡胶馇昂蠡骞W接觸力的作用，前后滑板會被施加方向相反的空氣動力，與摩擦力形成一個相反的轉矩以確保前后滑板與接觸線保持良好的接觸，理論分析如圖10所示。受電弓上加裝前后小導流板的試驗結果如圖11所示。

圖10 小導流板附加空氣動力受力分析

圖11 加裝導流板后前后滑板弓網接觸力-速度曲線

由以上可知，加裝導流板后前后滑板弓網接觸力基本平衡，相比于未加裝導流板時受電弓受流質量明顯提升。

1.2.2弓網燃弧檢測

不同速度級、開閉口運行下的弓網燃弧檢測數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖12 不同速度及開閉口的燃弧持續(xù)時間曲線

全線燃弧試驗結果在指標規(guī)定范圍內。其燃弧率與速度及開閉口運行關系如圖13所示。

圖13 開閉口運行燃弧率比較

圖中開閉口運行下燃弧率有較大區(qū)別，車輛沿受電弓開口方向運行時燃弧率明顯高于沿閉口方向的燃弧率。說明受電弓在開口方向運行相比閉口方向受流質量較差，這與1.2.1小節(jié)中的主導流板調節(jié)開閉口弓網接觸力相關，可繼續(xù)調節(jié)主導流板尺寸角度，進一步優(yōu)化受流質量。

1.2.3受電弓垂向加速度(硬點)檢測

受電弓垂向加速度(硬點)檢測結果如圖14所示。測試區(qū)間在速度為176 km/h時產生最大硬點，硬點幅值為8g。

圖14 運行速度及硬點變化曲線

由以上可知，受電弓在列車各速度運行情況下垂向加速度值保持在標準范圍內，當速度越快時，硬點的幅值越大。

1.2.4動態(tài)幾何參數(shù)檢測

全線路動態(tài)幾何參數(shù)檢測結果及分布情況如圖15所示。全線導高數(shù)據(jù)穩(wěn)定，其檢測曲線及分布如圖16所示。由圖可知，全線導高呈正態(tài)分布，拉出值分布均勻，無明顯的高頻次拉出值，受電弓能在接觸線上平穩(wěn)過渡。從接觸網架設維度有效地保證了該線路的良好弓網關系。

圖15 拉出值檢測結果及分布

2 弓網關系評價

依據(jù)交辦運[2019]17號文中對弓網關系測試的指標要求，結合本次試驗對廣州地鐵22號線祈福站-陳頭崗站弓網關系總結如下：

(1)接觸網動態(tài)幾何參數(shù)符合設計要求，導高拉出值分布均勻。

(2)弓網燃弧測試符合指標要求。在試驗設計的各運行狀態(tài)下燃弧次數(shù)均小于指標要求的“1次/160 m”， 燃弧率小于5%，一次燃弧最大持續(xù)時間小于100 ms。

圖16 導高檢測結果及分布

(3)線路弓網接觸力符合要求，按跨統(tǒng)計最大值、最小值和標準差均在規(guī)定范圍內。

(4)受電弓在列車各速度運行情況下垂向加速度(硬點)值保持在標準范圍內。

綜上所述該線路目前弓網關系良好，受流穩(wěn)定。受電弓加裝導流板后，前后滑條受力均勻，后續(xù)可微調主導流板角度，增加列車沿受電弓開口方向運行時的弓網接觸力，減少燃弧產生，進一步優(yōu)化該線路弓網關系。

3 結論

廣州地鐵18、22號線作為國內首次采用160 km/h的隧道全剛性接觸網，在線路開通之初具備良好的弓網關系；同時該線路搭載了電客車在線檢測裝置，實時對線路進行全方面狀態(tài)感知，并向地面端上傳檢測數(shù)據(jù)，為今后線路運行預測、預警和智慧決策提供良好的數(shù)據(jù)支撐。本線路的建設及運營模式可以為后續(xù)類似線路提供參考。