适用于市域轨道交通的120km/h接触轨系统技术研究
中图分类号：U212 文章编号：1009-2374（2016）16-0098-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.16.047
1 国内现状
国内已建成或在建的列车最高运行速度大于或等于120km/h的市域轨道交通线路：香港新机场快线，连接香港国际机场与香港商业中心最快捷的交通工具，列车最高运行速度为135km/h；广州3号线，从北向南贯穿广州市区新城市中轴线，列车最高运行速度为120km/h；均采用架空接触网供电方式。而接触轨供电方式最早在伦敦地铁采用，由于其构造简单、安装方便、可维护性好，并对隧道建筑结构的净空要求低，因此得到广泛的应用，国内外早期应用的接触轨系统均为DC750V。随着工业技术及电气技术的发展，2006年开通的广州市轨道交通四号线大学城专线段首次在国内外采用了DC1500V接触轨供电系统，最高运营速度达90km/h，开创了DC1500V接触轨供电系统正式运营的新记录。另外，接触轨供电电压为DC750V的车辆最高运行速度等级多为80～90km/h；在120km/h速度等级下接触轨系统的轨道交通线路目前尚无应用先例。
2 项目应用情况
上海轨道交通十六号线（十一号线南段工程）工程线路全长58.96km，最高运营速度为120km/h，供电系统采用DC1500V接触轨系统，既是上海首条接触轨线路，同时也是国内首条设计时速达到120km/h接触轨系统的轨道交通线路，在我国城市轨道交通建设史上将起到非常重要的里程碑作用和巨大的示范效应。
3 研究目标
通过对120km/h接触轨系统进行研究，确定影响系统运营速度的关键因素，并针对关键因素提出解决方案，最终形成一套完善的120km/h接触轨系统技术方案
4 研究内容及核心关键点
进行系统理论计算、仿真研究，确定高速度下影响弓网（靴轨）关系的主要因素，以期从整体上提高靴轨受流质量，保证系统的安全、可靠性。
4.1 系统研究
图1为现有钢铝复合接触轨系统应用示意图，主要包括接触轨、中间接头、电连接中间接头、膨胀接头、防爬器、端部弯头以及绝缘、防护等产品。
对一定速度下影响弓网（靴轨）关系的因素进行分析研究，主要有三点：（1）跨距及接触轨挠度；（2）系统硬点处膨胀接头；（3）断口。
4.1.1 跨距及接触轨挠度。接触轨的挠度直接影响到受流面的平顺度，如果不能满足速度运营要求，有可能会引起拉弧放电现象，影响接触轨及车辆集电靴的使用寿命。
分析：单纯从受流角度来讲跨距越小受流质量相对越好，但是跨距越小，所需支撑机构越多，成本大大增加。目前，国内接触轨系统按照3～5m跨距布置支撑。现按照跨距为标准轨枕间距625mm的整数倍，分别取3750mm、4370mm、5000mm进行挠度理论计算。
计算结果见表1：
列车最高允许速度与接触轨挠度有着密切的关系，具体可以理解为：在高速运行下，接触轨挠度最大处，仍要保证集电靴与接触轨存在实际接触力，且集电靴的下压力与集电靴、接触轨实际接触力的差值越小越好，计算出最佳的跨距。上海16号线选用4370mm跨距布置时，挠度可以满足要求。
4.1.2 膨胀接头的影响。由于膨胀接头自重影响，有可能发生此处挠度较正常值大而出现硬点，影响授流质量，所以应考虑如何避免这样的问题发生。分析：膨胀接头处挠度与其自身结构及跨距有关，而在结构型式已定的前提下，只能调整跨距的布置来满足其挠度要求。先确定膨胀接头处挠度与接触轨的挠度相同，按照接触轨跨距为4370mm进行计算得出：膨胀接头处跨距布置3695mm可达到同样的受流效果。
4.1.3 断口。目前，在正线、车场线接触轨断口处、岔区、电气分段处均采用机械断口形式，接触轨端部设置端部弯头实现机车平滑过渡。作为过渡部件，端部弯头引导集电靴可靠过渡到接触轨的受流面。由于集电靴从“离轨”到“触轨”与行车速度、线路条件相关，并且在带电状态下完成，因此端部弯头的设计也必须考虑适应不同的速度和线路条件，并尽可能减少断口设置。
接触轨端部弯头选取不当时，“触轨”时易造成集电靴与端部弯头的强烈冲击及拉弧放电现象，烧损端部弯头的同时，影响到接触轨的安全性和稳定性。所以必须重点研究端部弯头的构造，以降低强烈冲击带来的不良影响。
4.2 全线接触轨断口处端部弯头与车辆集电靴适应性系统性研究
通过研究集电靴运行轨迹与接触力曲线走向，分析出不同坡度比接触轨力的变化程度，最终确定端部弯头的坡度比。为了解决端部弯头与集电靴强烈冲击的问题，我们从物理意义上对集电靴和端部弯头的相互作用进行分析，关系如下：
Ft=mv
式中：F为集电靴对端部弯头的冲击力；t为作用的时间；v为行车速度；a为冲击加速度。为减少集电靴对端部弯头的冲击加速度，需要减少冲击力F，而F与端部弯头的坡度有关，坡度较陡时冲击力加大，作用时间t减少，冲击加速度a增大，不利于集电靴的运营和使用寿命，甚至还可视为“硬点”，出现打火、拉弧的现象。
所以，要改善集电靴对端部弯头的冲击，可通过两方面入手：（1）降低坡度、减小冲击力F；（2）延长作用时间，减小冲击加速度。 一定速度下，不同端部弯头坡度对冲击效果的影响不同，实验在120km/h速度下，选取坡度比为1∶50、1∶60、1∶70的端部弯头，模拟仿真出集电靴运行轨迹与接触力曲线。
根据曲线可以看出，当集电靴通过第一个变轨点时，接触力突然增加，集电靴进入平直轨段后接触力有所衰减，当集电靴运动至第二个变轨点后，接触力突然增加但有减小的趋势，一直到集电靴离开接触轨。
根据曲线分析，不同坡度比接触轨力的变化程度不同，坡度比越小，“触轨”时接触轨力变化越小，但是需考虑“离轨”时，接触轨力的变化，从图中可以看出，“离轨”时坡度比为1∶70时比1∶60接触轨力变化大一些。坡度比为1∶50接触力波动相当明显，且在平直段多次出现离线现象。
分析结果：在运行速度120km/h下，端部弯头的坡度为1∶60和1∶70均可以满足使用要求，由于1∶70的“离轨”接触力变化相对稍大，本项目实际选用坡度为1∶60的端部弯头。
4.3 端部弯头刚性与受流效果的关系研究
除上述的研究外，对改变端部弯头刚性是否能改善端部弯头受流质量做讨论，从如下方面考虑：（1）端头支撑点处增加弹性；（2）两个支撑点处都增加弹性。
上述两种模型，本项目组对于端部弯头坡度比均为1∶60，均在120km/h下计算其受流效果的变化：
4.3.1 端头处固定点增加弹性，可以减小接触轨的振动加速度，且接触力符合规定要求。对比变化情况，固定点为增加弹性为80N/mm时，效果较好，但出轨点处对于接触力变化优化效果不是很明显。
4.3.2 两个固定点都增加弹性，能有效降低接触轨的加速度，但接触力均有较大波动，且伴有零值产生。这种模型虽然减少了接触轨的冲击力，但可能会带来集电靴与接触轨多次分离。
从上述讨论可以看出端部弯头端头支撑点增加弹性，可有效减小接触轨的振动加速度，但在离轨处接触力变化优化效果不是很明显，该方案仅作为优化方案在本项目中的试挂效验，是否对改善受流质量有明显的作用，有待进一步跟踪现场产品试挂情况。
5 施工精度的把控
施工方面，加强施工精度把控：（1）严格控制测量、安装工艺，采用“初调、细调、精调三步流程”把控；（2）严格控制系统冷热滑试验：分别采用低、中、高（低速5～20km/h、中速25～45km/h、高速60km/h以上）不等速度进行冷滑试验。热滑时，在集电靴支架上加装高清红外线摄像头，配备整套监控设备，用以观察靴轨配合的动态状况。
6 结语
上海轨道交通16号线正线采用高速接触轨系统的实施，促成了以上的设计与研究。从上述几个方面分析可以看出，经过合理设计，选择符合要求的组件，高速DC1500V接触轨应用于市域轨道交通成为现实，也使我们相信接触轨系统完全可以满足120km/h时速的工程要求。本项目已于2014年底全线开通，经过项目组近一年来的跟踪回访，至今运营情况良好。这些技术的应用及实践检验，将为类似高速轨道交通项目提供参考。
