彭有根 葉 超

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣東 廣州 510000)

0 引言

廣州地鐵18、22號(hào)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(nèi)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(wǎng)，為掌握該線弓網(wǎng)匹配狀態(tài)，確保線路如期開通及后期運(yùn)營安全，須針對(duì)該線開展弓網(wǎng)關(guān)系評(píng)估研究。

根據(jù)廣州地鐵18、22號(hào)線開通前聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)，采用對(duì)比關(guān)聯(lián)方法對(duì)表征弓網(wǎng)關(guān)系的接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)、弓網(wǎng)接觸力、燃弧、硬點(diǎn)參數(shù)特性進(jìn)行分析。結(jié)合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)廣州地鐵18、22號(hào)線弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià)，給出局部超限整改建議。

1 弓網(wǎng)參數(shù)檢測(cè)

1.1 弓網(wǎng)參數(shù)檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)

弓網(wǎng)參數(shù)檢測(cè)由弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)、弓網(wǎng)接觸力、視頻圖像、燃弧、硬點(diǎn)5個(gè)模塊組成，檢測(cè)設(shè)備安裝于電客車車頂，如圖1所示。

圖1 弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)主要設(shè)備圖

1.2 弓網(wǎng)檢測(cè)試驗(yàn)

本次試驗(yàn)全方位模擬實(shí)際運(yùn)行工況，在廣州地鐵22號(hào)線祈福站至陳頭崗上制定了車速從60 km/h～176 km/h(設(shè)計(jì)最高車速160 km/h的110%)、不同運(yùn)行方向(開閉口)多個(gè)試驗(yàn)計(jì)劃，對(duì)比分析不同運(yùn)行狀態(tài)下的檢測(cè)數(shù)據(jù)，綜合評(píng)價(jià)弓網(wǎng)關(guān)系。

1.2.1弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力檢測(cè)

全線路弓網(wǎng)動(dòng)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(wǎng)接觸力-速度變化曲線

由以上可知，速度低于80 km/h弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力保持穩(wěn)定，車速高于80 km/h時(shí)，速度越快，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力越大。試驗(yàn)區(qū)間內(nèi)各速度下弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力均正常，接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差在規(guī)定范圍內(nèi)。

現(xiàn)有學(xué)者根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 50367，提出高速列車運(yùn)行時(shí)的弓網(wǎng)平均接觸力公式[1]：

F=Av2+Bv+C-kv2

(1)

其中：F為弓網(wǎng)平均接觸力,N；v為列車運(yùn)行速度,km/h；A、B、C為平均接觸力參數(shù)；k為空氣動(dòng)力學(xué)修正系數(shù)。相較于EN 50367中給出的弓網(wǎng)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(gè)修正系數(shù)，更能反應(yīng)列車高速運(yùn)行狀態(tài)下弓網(wǎng)接觸力真實(shí)變化情況。車速80 km/h以上弓網(wǎng)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(wǎng)接觸力分布情況

速度越大，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力的變化越劇烈，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力極差、標(biāo)準(zhǔn)差越大[2]，變化的趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力波動(dòng)劇烈程度隨速度變化

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

圖5 未裝導(dǎo)流板開閉口檢測(cè)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力差

為改善受流質(zhì)量，本次弓網(wǎng)試驗(yàn)在受電弓上增加了導(dǎo)流板，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 本次試驗(yàn)加裝主導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

對(duì)受電弓進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)分析可得，受電弓開口運(yùn)行時(shí)主導(dǎo)流板能有效截取空氣阻力，獲得上升的空氣動(dòng)力，增加開口運(yùn)行時(shí)的弓網(wǎng)接觸力；閉口運(yùn)行時(shí)主導(dǎo)流板獲得下壓的空氣動(dòng)力，減小閉口運(yùn)行時(shí)弓網(wǎng)接觸力。從而平衡高速運(yùn)行下受電弓在開、閉口方向的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力，改善受電弓開、閉口運(yùn)行的受流質(zhì)量[4]。加裝主導(dǎo)流板后，開閉口下弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力差如圖7所示。

圖7 加裝主導(dǎo)流板后開閉口檢測(cè)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力差

受電弓閉口方向弓網(wǎng)接觸力略大于開口方向，加裝主導(dǎo)流板成功起到了改善受電弓開閉口運(yùn)行的受流質(zhì)量的作用。

理想情況下前滑板(相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向)的弓網(wǎng)接觸力小于后滑板時(shí)，受電弓能獲得理想的受流質(zhì)量。而在加裝主導(dǎo)流板前，列車低速運(yùn)行時(shí)，前滑板的弓網(wǎng)接觸力略大于后滑板，此時(shí)弓網(wǎng)關(guān)系質(zhì)量良好，當(dāng)速度較快時(shí)，前滑板的弓網(wǎng)接觸力大于后滑板的弓網(wǎng)接觸力，弓網(wǎng)關(guān)系質(zhì)量變差，如圖8所示。

圖8 加裝主導(dǎo)流板前前后滑板弓網(wǎng)接觸力-速度曲線

對(duì)受電弓滑板進(jìn)行受力分析，單個(gè)受電弓前后滑板受力不均是因?yàn)楣W(wǎng)摩擦力，在摩擦力轉(zhuǎn)矩作用下，弓頭沿轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，速度越快，弓網(wǎng)接觸力的壓力越大，故弓網(wǎng)摩擦力越大，使得受電弓前滑板的弓網(wǎng)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(dǎo)流板在適當(dāng)?shù)某叽缃嵌认拢軌蚱鸬狡胶馇昂蠡骞W(wǎng)接觸力的作用，前后滑板會(huì)被施加方向相反的空氣動(dòng)力，與摩擦力形成一個(gè)相反的轉(zhuǎn)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(dǎo)流板的試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖10 小導(dǎo)流板附加空氣動(dòng)力受力分析

圖11 加裝導(dǎo)流板后前后滑板弓網(wǎng)接觸力-速度曲線

由以上可知，加裝導(dǎo)流板后前后滑板弓網(wǎng)接觸力基本平衡，相比于未加裝導(dǎo)流板時(shí)受電弓受流質(zhì)量明顯提升。

1.2.2弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)

不同速度級(jí)、開閉口運(yùn)行下的弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)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(shí)間曲線

全線燃弧試驗(yàn)結(jié)果在指標(biāo)規(guī)定范圍內(nèi)。其燃弧率與速度及開閉口運(yùn)行關(guān)系如圖13所示。

圖13 開閉口運(yùn)行燃弧率比較

圖中開閉口運(yùn)行下燃弧率有較大區(qū)別，車輛沿受電弓開口方向運(yùn)行時(shí)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(yùn)行相比閉口方向受流質(zhì)量較差，這與1.2.1小節(jié)中的主導(dǎo)流板調(diào)節(jié)開閉口弓網(wǎng)接觸力相關(guān)，可繼續(xù)調(diào)節(jié)主導(dǎo)流板尺寸角度，進(jìn)一步優(yōu)化受流質(zhì)量。

1.2.3受電弓垂向加速度(硬點(diǎn))檢測(cè)

受電弓垂向加速度(硬點(diǎn))檢測(cè)結(jié)果如圖14所示。測(cè)試區(qū)間在速度為176 km/h時(shí)產(chǎn)生最大硬點(diǎn)，硬點(diǎn)幅值為8g。

圖14 運(yùn)行速度及硬點(diǎn)變化曲線

由以上可知，受電弓在列車各速度運(yùn)行情況下垂向加速度值保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，當(dāng)速度越快時(shí)，硬點(diǎn)的幅值越大。

1.2.4動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)檢測(cè)

全線路動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)檢測(cè)結(jié)果及分布情況如圖15所示。全線導(dǎo)高數(shù)據(jù)穩(wěn)定，其檢測(cè)曲線及分布如圖16所示。由圖可知，全線導(dǎo)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(wǎng)架設(shè)維度有效地保證了該線路的良好弓網(wǎng)關(guān)系。

圖15 拉出值檢測(cè)結(jié)果及分布

2 弓網(wǎng)關(guān)系評(píng)價(jià)

依據(jù)交辦運(yùn)[2019]17號(hào)文中對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)試的指標(biāo)要求，結(jié)合本次試驗(yàn)對(duì)廣州地鐵22號(hào)線祈福站-陳頭崗站弓網(wǎng)關(guān)系總結(jié)如下：

(1)接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)高拉出值分布均勻。

(2)弓網(wǎng)燃弧測(cè)試符合指標(biāo)要求。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的各運(yùn)行狀態(tài)下燃弧次數(shù)均小于指標(biāo)要求的“1次/160 m”， 燃弧率小于5%，一次燃弧最大持續(xù)時(shí)間小于100 ms。

圖16 導(dǎo)高檢測(cè)結(jié)果及分布

(3)線路弓網(wǎng)接觸力符合要求，按跨統(tǒng)計(jì)最大值、最小值和標(biāo)準(zhǔn)差均在規(guī)定范圍內(nèi)。

(4)受電弓在列車各速度運(yùn)行情況下垂向加速度(硬點(diǎn))值保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

綜上所述該線路目前弓網(wǎng)關(guān)系良好，受流穩(wěn)定。受電弓加裝導(dǎo)流板后，前后滑條受力均勻，后續(xù)可微調(diào)主導(dǎo)流板角度，增加列車沿受電弓開口方向運(yùn)行時(shí)的弓網(wǎng)接觸力，減少燃弧產(chǎn)生，進(jìn)一步優(yōu)化該線路弓網(wǎng)關(guān)系。

3 結(jié)論

廣州地鐵18、22號(hào)線作為國內(nèi)首次采用160 km/h的隧道全剛性接觸網(wǎng)，在線路開通之初具備良好的弓網(wǎng)關(guān)系；同時(shí)該線路搭載了電客車在線檢測(cè)裝置，實(shí)時(shí)對(duì)線路進(jìn)行全方面狀態(tài)感知，并向地面端上傳檢測(cè)數(shù)據(jù)，為今后線路運(yùn)行預(yù)測(cè)、預(yù)警和智慧決策提供良好的數(shù)據(jù)支撐。本線路的建設(shè)及運(yùn)營模式可以為后續(xù)類似線路提供參考。