张宗芳，刘文正，张 坚，孙 成

(1. 西安铁路职业技术学院 机电工程学院，陕西 西安 710026；2. 北京交通大学 电气工程学院，北京 100044)

目前城市轨道交通中，由于车辆牵引功率较大，所以多采用直流1 500 V架空供电方式进行供电。而且在城市中心的隧道线路，一般采用架空刚性悬挂接触网进行供电。如北京地铁6号线、广州地铁2号线等。由于远郊地铁线路一般为地上明线，所以普遍使用柔性接触网。如西安地铁3号线、成都地铁5号线等。

随着社会经济的不断发展，部分城市不断向郊外扩展。尤其是北、上、广、深等大城市，由于人们工作和出行的需求，地铁不断从市中心辐射到郊区，同时，为了节约人们出行时间，提高市民的工作效率，进一步提高城市轨道交通车辆的速度是目前急需解决的问题。尤其是像机场线、远郊通勤线路，人们更希望不经过换乘，能以较快的速度直达目的地。

柔性悬挂接触网虽然具有较好的受流特性，但是其结构高，需要有较大的安装空间，一般不在地铁隧道线路中使用。而适合于隧道内使用的架空刚性悬挂接触网，受其自身弹性差且无法形成受电弓的抬升等因素的影响，当车辆以较高速度运行时，就会出现弓网分离，产生离线拉弧现象，因此运行速度一般不大于100 km/h。另外，刚性悬挂接触网虽然具有结构简单、便于维修等优点，但是存在汇流排连接处、锚段关节等特殊区段易产生硬点，使接触线和受电弓滑板磨耗增大等缺点；以及由于接触线和汇流排的材质不同，金属膨胀系数差异较大，随着温度的变化，容易出现接触线跳出汇流排夹槽等诸多问题[1]。

为了解决以上问题，本文根据刚性和柔性两种不同接触网的结构特征，提出新型刚柔结合接触网结构，此结构可以满足隧道内以较高速度平稳供电。同时采用仿真研究，分析了其弓网受流特性，在140 km/h速度时仍然可以平稳运行。

1 新型刚柔结合接触网的特征

为了使列车在较高速度下取得平稳的电流，根据弓网受流理论，要求接触网的弹性较大。新型接触网在考虑接触网结构高度的基础上，从改变接触网弹性方面，提出一种柔性接触线和刚性承力索相结合的新型刚柔结合接触网。

1.1 结构特点

图1(a)所示为刚柔结合接触网结构，此结构由接触线、汇流排、电连接和能够移动的绝缘吊弦四部分构成。此结构从两个方面考虑，从刚性悬挂角度，可被视为把接触线通过可移动吊弦从汇流排中分离出来，从而提高了接触网的弹性；从柔性悬挂角度，可被视为把承力索换成了刚性汇流排，从而降低了接触网的高度。

刚柔结合接触网设计中，汇流排采用刚度较大的矩形铝，不但能满足电流的传输要求，而且在符合地铁隧道里接触网高度的基础上，为可动吊弦提供了良好的安装环境。接触线采用铜合金材质，能改善接触网的弹性性能，为受电弓的抬升创造条件，因此形成了良好的受流环境。接触线和汇流排间的电气连接通过电连接线实现，为了满足列车电能要求，在接触线和汇流排间每隔一段距离安装一组电连接线，从而为列车运行过程中的电力牵引装置及辅助设备提供电能保障。

刚柔结合接触网结构设计中，关键结构是设计了可以移动的绝缘吊弦，如图1(b)所示。随着温度的变化，金属材料的热膨胀系数变化不同，接触线和汇流排由于膨胀系数的不同，导致吊弦在接触线和汇流排的连接处产生偏移，吊弦由于水平分力的作用，使得接触线在一个锚段中，锚段中部和锚段末尾的张力不同，造成接触线弛度发生变化，影响了接触线的弹性，导致受电弓不能平稳运行。所以本文设计了特殊结构的绝缘吊弦，避免了上述问题的出现。

图1 刚柔结合接触网结构示意图

在吊弦的材料方面，考虑吊弦弹性和刚度的需求，采用重量轻的铜合金绞线；在列车运行过程中，为避免由于弓网分离使得吊弦烧断，吊弦上设置了绝缘子，形成了绝缘吊弦。同时，在结构设计中，考虑隧道内接触网的高度受限，吊弦被安装在汇流排内部；为了使刚柔结合接触网施工过程中吊弦安装方便，在汇流排上，预留吊弦安装的间隙。在受电弓运行过程中，考虑受电弓的抬升，设置吊弦长度为200 mm左右，也可结合线路特点和列车速度进行设计。

1.2 锚段和锚段关节

锚段是组成接触悬挂的基本元素。为提高接触网的平滑度，减小接触线的弛度，吊弦与吊弦间的距离为8 m。在本结构中，锚段长度可以大于1 000 m，是因为在本结构中设置了可动吊弦，从而使得锚段中部与末端间的张力差减小，同时，考虑到接触线会窜动，刚柔结合接触网在锚段的中部设定中心锚结。

张力补偿装置如图2所示，参考柔性悬挂结构，在锚段长度较长，接触线下锚时，把接触线通过转向滑轮拉到轨道的一边，通过动滑轮和定滑轮组成的滑轮组、补偿绳、坠砣等组成的补偿装置对接触线进行张力补偿。在锚段长度较短时，采用可以节省安装空间和成本的弹簧补偿器。

图2 张力补偿装置示意图

刚柔结合接触网的锚段关节示意图如图3所示，为了确保接触网从一个锚段过渡到另一个锚段，锚段关节的设计尤为重要。在刚柔结合接触网锚段关节设计中，过渡处两接触网高度相同，并且两接触网间设置有100～200 mm的水平距离，两个锚段之间由电连接线导通。锚段关节的过渡长度为5～10 m。为了保证受电弓安全运行，非工作时被抬高200 mm。

图3 锚段关节示意图

1.3 布置安装方式

刚柔结合接触网在线路布置设计中，采用直链形悬挂。为改善受电弓磨耗不均匀情况，在锚段长度较短时，设计一个锚段单位长度，每一个锚段设置为一个“之”字形。当锚段较长时，在一个锚段中，接触网被划分为几个单位长度的“之”字形。两种结构的定位装置不同，第一种设计不用定位器；第二种设计要求对接触线水平定位，同时把定位装置安装固定在隧道顶部。

图4所示为刚柔结合接触网的安装结构，汇流排经过绝缘子固定在隧道顶部。对于刚柔结合接触网，汇流排的弛度不直接影响弓网受流质量，因此定位装置的安装距离较大。同时，若汇流排之间可以不连续敷设，两汇流排之间可以通过铜导线连接，这种设计方式不但可以防止热胀冷缩现象，而且节约了设计成本。刚柔结合接触网的跨距长度需要进一步计算汇流排单位长度重量确定。

图4 悬挂安装方式示意图

结合上面的不同结果分析，可知刚柔结合接触网的重要条件之一是采用可动悬挂轮的绝缘吊弦。从结构设计特点可知，刚柔结合接触网和柔性接触网对比，最大的优势是结构高度低，弹性均匀度好；与刚性接触网对比，最大特点是接触网的弹性大，受电弓磨耗均匀，列车的运行速度高；并且刚柔结合接触网在刚柔过渡处弹性差异小，有利于列车平稳运行。

2 刚性接触网与刚柔结合接触网的接触压力特性比较

接触压力是衡量弓网受流质量好坏的标志性指标[2-5]。利用MSC.Marc有限元商业仿真软件，可以进行弓网受流特性分析[6-9 ]。因此采用仿真模拟计算的方法，通过在相同运行条件下，对比刚性接触网与刚柔结合接触网接触压力，检验刚柔结合接触网的优越性。

2.1 弓网模型的建立及参数设计

图5所示为弓网耦合仿真模型。弓网之间通过接触压力FC耦合在一起[10-18]，两种接触网的耦合模型均采用欧拉-伯努利梁单元建立。

图5 弓网耦合模型

刚性接触网的微分方程为

(1)

模型中刚柔结合接触网接触线的运动方程为

kd(um-uc)δ(x-xn)=FCδ(x-vt)

(2)

式中：mc为接触线单位质量；EIc为接触线抗弯刚度；Tc为接触线张力；δ为冲击函数；uc为接触线位移；um为汇流排位移；xn为吊弦点与运动点间的距离；x为运动点处的位置；t为运动时间；v为列车速度。

在刚柔结合接触网模型中，汇流排的微分运动方程为

δ(x-xn)=0

(3)

式中：mm为汇流排单位质量；EIm为汇流排抗弯刚度；kd为吊弦刚度。

在模型中受电弓被等效为三质量块的模型，各质量块的运动方程为

(4)

(5)

(6)

式中：M1、M2、M3，C1、C2、C3,R1、R2、R3,K1、K2、K3分别为受电弓模型中质量、阻尼、干摩擦和刚度；y1、y2、y3为对应质量块位移；F0为静态抬升力。

弓网间接触压力通过接触界面刚度KS和接触点处受电弓滑板与接触线相应节点的垂直位移差求得。

FC=KS(y1-y(x,v))

(7)

通过以上弓网耦合仿真模型，采用有限元法对刚性接触网与刚柔结合接触网接触压力特性进行比较分析。

2.2 两种接触网的接触压力特性

设定刚性接触网的跨距为8 m，其他设计参数见表1。

表1 刚性悬挂接触网参数

设定刚柔结合接触网的吊弦间距为8 m，接触线张力为12 kN，其余参数见表2。

表2 刚柔结合接触网参数

表3为仿真计算中采用的SBS81型受电弓的参数。

表3 受电弓参数

图6所示为列车行驶速度分别为80、100、120 km/h时的接触压力变化曲线。

由图6可知，刚性接触网的接触压力以跨距为周期呈周期性变化，刚柔结合接触网的接触压力以吊弦间距为周期呈周期性变化。两种接触网的接触压力最大值均出现在悬挂点处，最小值在两个悬挂点中部，分布特点一致。

接触压力的产生是由受电弓抬升接触网产生的，当受电弓抬升刚性接触网时，受电弓抬升汇流排和接触线两部分重量，当受电弓抬升刚柔结合接触网时，受电弓仅抬升接触线的质量，所以刚性接触网的接触压力大于刚柔结合接触网的接触压力。又因为悬挂点承担接触线和汇流排等整个接触网的质量，所以悬挂点的接触压力大，悬挂点之间的接触压力较小。

当列车速度提高时，造成受电弓振动幅度增大，因此两种接触网的振动幅度均增大。由于刚性接触网的刚度大，当列车运行速度为100 km/h时，刚性接触网的接触压力幅值变化剧烈，当速度为120 km/h时，刚性接触网的接触压力最小值显著减小，而刚柔结合接触网的接触压力幅值变化较小。

由上述分析可知，在列车速度较低时，两种接触网的受流质量差距不大。当速度增大时，刚柔结合接触网的受流质量明显比刚性接触网的受流质量好。

3 刚柔结合接触悬挂的弓网受流特性

在上述分析的基础上，计算刚柔结合接触网当列车行驶在正常区间、锚段关节处的接触压力，设计列车运行速度为140、160、180 km/h。

3.1 较高速度时接触压力变化

在刚柔结合型弓网耦合模型的基础上，如图7所示为列车在不同速度等级下运行在区间线路时接触压力变化曲线。

根据图7可知，当列车速度从140 km/h提高到180 km/h时，弓网间的接触压力幅值变化不大，接触压力最大值从120 N增加至130 N；接触压力最小值从78 N减小至60 N；平均值从93 N减小至83 N；标准偏差从11增加至20。根据接触压力的数据可以看出，进一步增大列车运行速度，刚柔结合接触网仍然具有较好的受流质量。

在列车运行过程中，锚段关节处弓网受流质量较差。弓网理论模型根据2.1节模型建立，结构设置根据锚段关节结构设置7 m的过渡区间，建立刚柔结合接触网锚段关节处的仿真模型，图8所示为锚段关节处接触压力变化曲线。

图8 不同速度时锚段关节处接触压力

结合图8可知，列车运行在锚段关节过渡位置时，弓网受流质量明显变差，接触压力幅值变化增大。产生上述结果的原因是在锚段关节处，接触网刚度大于普通区段接触网刚度。结合统计图可以看出，当速度从140 km/h增大至180 km/h时，接触压力最大值从150 N增大至195 N，仍然小于200 N；最小值从38 N减小至34 N并未有离线现象发生。

结合上述分析可知，对于刚柔结合接触网，当列车速度提高到180 km/h时，不管是正常区间还是锚段关节处，均能保证列车安全运行。

3.2 列车与轨道的耦合振动对接触压力影响

当列车高速运行时，由于存在轨道不平顺情况，轮轨间振动会加剧，将对弓网接触压力产生直接影响[19-21]。根据研究可知，轮轨激扰振动有3个频率段，分别为低频段(0.5～5 Hz)，此频段由于轮轨垂向作用力导致车体振动引起；中频段(10～40 Hz)，由线路不平顺引起；高频段由高频谐波因车轮经过轨枕造成的周期性冲击产生[22-23]。

在下面研究中，设列车速度为140 km/h。图9(a)所示为轮轨激扰频率分别为2.5、25、50 Hz，振幅为5 mm时的接触压力曲线。从图9(a)可知，接触压力曲线仍然以吊弦为周期变化，当激扰频率为2.5 Hz时，接触压力最大值增大至137 N，最小值减小至58 N，接触压力幅值变化较大。当激扰频率设定为50 Hz时，接触压力最大值为121 N，最小值为76 N，与低频对比发现，接触压力幅值变化较小。所以可以验证低频激扰对接触压力幅值变化影响明显。产生上述结果的原因是，刚柔结合接触网的吊弦间距是8 m，当列车速度为140 km/h时，计算可知接触压力变化的频率为4.86 Hz，此频率和低频激扰2.5 Hz最接近，因此对接触压力影响较大。但是，上述3种频率下，接触压力的变化仍符合弓网受流质量的要求。

图9 施加激扰时接触压力

同理，设定列车运行速度为140 km/h，图9(b)所示为轮轨激扰频率为25 Hz，振幅分别为5、10、15 mm时的接触压力曲线。从图9(b)可知，当激扰信号的振幅从5 mm增大到15 mm时，接触压力最大值增大，最小值减小。最大值从123 N增大至138 N，最小值从73 N减小至50 N。造成接触压力幅值增大的原因是当振幅增大时，弓网间的振动加剧。

结合上面的曲线可以看出，受电弓运行在正常区间、锚段关节处、有轮轨激扰影响时，弓网间的接触压力值均满足弓网受流质量的要求。因此，采用新型刚柔结合接触网，可以满足列车在隧道中以较高速度平稳运行。

4 结论

本文提出一种适用于隧道中列车以较高速度运行的新型刚柔结合接触网，分析了此结构中的吊弦结构、张力补偿装置、锚段关节等。同时，采用MSC.Marc仿真软件建立弓网耦合模型，分析刚性和刚柔结合接触网在不同速度下的接触压力变化，并且对刚柔结合接触网在车辆高速运行在锚段关节处和受轮轨激扰时弓网受流质量进行研究，得出以下结论：

(1)从结构设计发现，新型刚柔结合接触网具有弹性均匀度好、结构高度低、受电弓滑板磨耗均匀、运行可靠性高等优点。并且当采用刚柔结合接触网时，在刚柔过渡处刚柔结合接触网和柔性接触网的弹性差异小，有利于列车平稳取流。

(2)通过仿真得知，当列车运行速度为120 km/h时，刚性接触网和刚柔结合接触网受流质量差异较大，刚柔结合接触网的接触压力幅值变化较小，更有利于列车取流。

(3)分别分析列车运行在正常区段、锚段关节处、受轮轨激扰时刚柔结合接触网的弓网受流质量，当列车速度达到180 km/h时，新型刚柔结合接触网能满足列车平稳运行要求。

新型刚柔结合接触网由于采用了具有可动悬挂轮的绝缘吊弦，有效减小了接触网的结构高度。并且，新型接触网可以有效降低当前隧道使用的刚性接触网弓网离线频率高、受电弓磨耗严重等缺陷。其既适用于新线建设也适合于老线路改造，为列车在隧道内高速运行提供了可靠保障。