地铁刚性接触网锚段健康评价模型研究

地铁刚性接触网锚段健康评价模型研究

黄捷

福州地铁集团有限公司运营事业部，福建 福州350000

摘要：目前，我国的地铁工程建设有了很大进展，接触网建设越来越完善。接触线的异常磨耗会影响弓网关系，降低受电弓取流质量，缩短接触线的使用寿命，对安全运营也有一定的影响。本文首先研究环境温度对材料弹性模量的影响，其次探讨修订维修规程，最后就地铁刚性接触网锚段健康评价模型进行研究，从而可以有效识别出接触网参数缺陷，提高维保效率和降低劳动成本。

关键词：接触网；质量评价；健康评价

引言

地铁弓网磨耗与接触网拉出值、导高、碳滑板材料、弓网接触力、弓网摩擦因数、电流、接触温度、电弧等诸多物理量有关，其中弓网接触力是最关键的因素，接触力太大会增加弓网机械磨耗，太小又会加剧电气磨耗，同时接触力也直接影响接触温度、电流、电弧等。

1环境温度对材料弹性模量的影响

材料的性能和结构参数决定了材料在受力情况下的变形量，通过理论推导得出，材料的刚度由材料的弹性模量、横截面积和厚度决定。材料的弹性模量反映了材料抵抗变形的能力，是描述构件刚度性能的重要参数，而温度的变化是引起弹性模量参数变化的重要因素。刚性接触网构件主要由结构钢、铝合金和陶瓷材料组成。结构钢、铝合金和陶瓷的弹性模量均呈现随着温度的降低而增加的趋势。

2修订维修规程

1）制定日常打磨周期。接触网专业对处于出站台及站台两个锚段的刚性接触网接触线的剩余外露的厚度小于4mm的位置进行定期跟踪和检查，每个季度对接触线两侧棱角以及毛刺的地方进行打磨。车辆专业对碳滑板的表面进行检查，重点是距离中心线的位置-240～240mm范围内的凹槽处，对凹槽斜边的角度大于12°或者不能圆弧平滑过渡的地方进行打磨处理。2）提高更换标准。刚性接触网接触线更换标准由汇流排不能直接与碳滑板摩擦，调整为汇流排夹持口外的接触线最小厚度应不低于3mm。3）监测隧道温湿度。在隧道内安装温湿度监测仪，日常定期查看温湿度数据，冬季大降温干燥季节，每天查看隧道环境温湿度数据，相对湿度下降明显时，应启动相应预防措施。

3地铁刚性接触网锚段健康评价模型

3.1地铁接触网有限元模型

为获取前文选取的接触网锚段的刚度曲线，建立其有限元计算模型，同时也考虑节省算力，做如下假设：①由于接触线与汇流排夹持固定在一起，并且在受力接触线变形时相比于汇流排形变要小得多，因此建模时将汇流排与接触线进行固结，视为一体；②接触网的横向变形或位移对弓网接触压力影响较小，故本文只考虑接触网垂向变形和垂向刚度。依据实际结构尺寸参数建立悬挂机构、汇流排、接触线三维实体模型，装配得到整锚段接触网三维模型，然后导入ANSYS有限元软件中进行网格划分。划分步骤：①汇流排和接触线实体采用HexaDom‐inat六面体的多区域网格，单元大小4mm；槽钢采取面网格划分，网格大小为10mm，并与数量为10的边分区相结合，其余部分均采取网格划分策略。②对模型材料进行配置：T型螺栓和螺母采用结构钢材料；悬吊槽钢、定位线夹和汇流排采用铝合金材料；针式绝缘子采用陶瓷材料。③设置边界条件，选取所有T型螺栓顶部为固定支撑约束，对所有部件加载重力场。④依次设置模型接触对：螺栓与螺母、绝缘子与螺母、定位线夹与绝缘子，接触对类型为绑定接触；线夹与汇流排的接触对类型为摩擦接触，并设置摩擦因数为0.3。环境温度对接触网刚度影响的本质原因为：①温度改变了材料的弹性模量；②温度变化引起的结构收缩导致了定位线夹卡滞汇流排。因此，本研究通过改变材料弹性模量和设置卡滞来研究温度对接触网刚度的影响。

3.2调整弓网接触压力

弓网系统的磨损包含机械磨损和电气磨损两方面，接触压力取值偏大会导致机械磨损增加，取值过小时电气磨损又将增大，弓网接触压力存在一个取决于不同用途的最佳值。所以，在满足受电弓和接触网系统静态流量要求的基础上，接触压力值应同时考虑机械和电气磨损。城市轨道交通一般采用铜银接触线，受电弓滑板的主要成分为浸金属碳。为了避免电动客车停车过程中由于其附属设施的运行而造成相对禁止的接触线和滑板发热的危险，受电弓网系统的静态接触压力应满足电动客车停车时的取流要求。

3.3数据可视化

接触网数据分析平台具备检修记录录入、检测数据上传及智能计算与分析、锚段健康评价展示、健康评价缺陷汇总、维保优化建议等功能。

3.4开展冬季专项整治

（1）在气温急剧变化前对汇流排卡滞、汇流排油污、接触线异常磨耗面及相邻车站接触线的磨耗面和有无拉丝进行检查，如有问题及时解决。（2）在气温变化时，运用好受电弓检测棚和检修平台，对碳滑板的磨耗形状和表面浸铜进行监测，当浸铜、表面高差超过5mm时，应及时打磨处理。使用弓网检测车对燃弧和参数进行测量、人工上线对接触线磨耗进行跟踪，及时组织人员采用集中修理模式对全线车站进行打磨除丝工作。（3）尽可能减少电弧，并确保冬季受电弓碳滑板的散热。及时采取通风、隧道清洁、加湿等措施，降低碳滑板的工作温度。（4）及时改变运行模式。当跳闸时，可以及时采取单受电弓交替运行的措施。当车站在拉出值高的区域继续磨损和拉线时，可以及时进行内部调整。

3.5定位点跨距与拉出值对接触网刚度影响分析

刚性接触网不同位置的拉出值及其跨距分布都有所不同，为研究其对于接触网刚度值的影响，设置环境温度为20℃、抬升力为100N，由式(1)计算得到整锚段刚性接触网刚度曲线。过渡跨和标准跨的接触网刚度呈现准周期变化趋势，定位点处的刚度最大，跨中刚度最小，二者相差较大，其差值达到了1.4×105N/m，而且整跨刚度变化率大；悬臂跨受制于跨距过小，接触网刚度较之过渡跨和标准跨更大，其最大值发生在定位点附近，并且刚度曲线呈现局部双峰现象；过渡跨的跨中刚度随着跨距增大而减少。

3.6在特殊地段采用弹性部件

由于刚性接触网弹性较小，运行过程中受电弓震动较为明显，受电弓与接触网之间的电气腐蚀和机械磨损较为明显。因此如果能在变坡区段、加速区段、减震道床等悬挂位置区域安装弹性装置进行震动补偿，可增大悬吊结构的弹性，改善弓网关系的跟随性，达到减小弓网机械磨耗及降低其离线率的目的。

3.7线夹卡滞对弓网受流质量影响分析

线夹卡滞对弓网接触力的影响非常大，在环境温度分别为0℃和10℃的条件下发生线夹卡滞，会导致弓网接触力的突变增幅分别达到30%和15%以上，从而对弓网受流质量造成巨大影响。由于线夹卡滞处刚性接触网的刚度发生突变，从而导致当受电弓经过刚度突变的硬点时，弓网接触力发生剧烈变化，弓网受流质量急剧恶化，而在列车经过卡滞线夹后，弓网接触压力波动逐渐减弱。，卡滞情况下的弓网接触力异常值相较于无卡滞情况有明显增加，这表明卡滞对弓网接触力的波动程度影响较大，并且随着温度的降低影响程度增大。

结语

接触网的初期研究主要集中在接触网的参数检测方法研究及检测数据处理系统研究上。对地铁刚性接触网的健康评价目前仍处于探索阶段。所以需要建立一个刚性接触网质量评价体系，对刚性接触网锚段的健康状态进行一个量化的评估，为质量鉴定和维护保养提供参考和意见。

参考文献

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[2]孙树光.接触网动态设备质量评价标准及检测数据分析[J].电气化铁道,2014(4):9-12+17.

[3]王婧.基于层次分析法的接触网区段质量评价影响因素权重确定研究[J].中国铁路,2019(4):60-64.