刚性悬挂基本参数及振动特性研究

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[摘 要]随着城市轨道交通的发展，刚性接触悬挂的应用逐渐增多，但对刚性接触悬挂的研究在我国尚处于起步阶段，其理论体系还不完善，还有许多工作要做。

本论文介绍了刚性接触悬挂的基本特点，说明刚性接触网悬挂具有简单的结构和支撑，同样可以节省隧道的建设费用；提出了在确定刚性接触悬挂锚段长度及跨距长度时应考虑的因素，并对各种因素进行了较为详细的分析；比较了不同速度，不同吊点间距下接触网刚性悬挂的振动特性。

[关键词]接触网；刚性悬挂；振动特性

中图分类号：U225.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）20-0067-01

1 架空刚性接触网简介

1.1 刚性悬挂的基本组成

架空刚性悬挂由支持体、绝缘子、汇流排和与受电弓接触的接触面或接触线组成。不同的工程、不同的设计者所采用的支持体、绝缘子、汇流排和接触线不同。

典型断面主要有两种：日本的“T”型架空刚性悬挂（双线、单线）；法国、瑞士等国家采用的“？”型架空刚性悬挂。

1.2 刚性悬挂的基本特点

架空刚性接触悬挂一般采用具有相应刚度的导电轨或具有相应刚度的汇流排与接触线组成。刚性接触悬挂由“？”型汇流排、接触线、绝缘子以及悬挂定位装置等组成，与柔性接触悬挂有较大差异和明显特点：

1.汇流排是刚度较大的断面成“？”型铝质导电体，通过定位悬挂装置，悬挂于轨道的上方。接触线被安放在汇流排的夹线槽中，接触线被汇流排自然夹紧，接触悬挂两端不设张力补偿装置，汇流排和接触线的轴向没有补偿张力。从而避免了钻弓、烧融、磨耗不均匀、高温软化、线材缺陷以及弓网故障等各种原因造成的断线事故。因此刚性悬挂的故障一般是点故障，范围很小。

2.由于是刚性悬挂，悬挂本身不存在负荷集中点和硬点，所以悬挂与受电弓接触时，悬挂的抬升量很小，弓网之间的接触压力变化量很小，弓网间接触良好，不存在离线拉弧现象，接触线的磨耗均匀。

3.架空刚性接触悬挂锚段和跨距较小，跨距与速度关系密切，其“Z”字值没有明显的拐点。“？”型汇流排一般长度为10 m或12 m，锚段架设长度一般不超过250 m，整个悬挂布置成正弦曲线，即2个锚段构成一个完整周期的正弦波。其“Z”字值没有明显的转折点，其拉出值呈周期变化，最大拉出值一般不超过220 mm。

4.锚段关节、线岔结构简单，容易实现电分段功能。架空刚性接触悬挂的锚段关节采用两段接触悬挂侧向相互平行且错开，平行段的长度为4m，端部向上弯曲70 mm左右，两悬挂的水平距离根据需要而定，一般非绝缘关节为200 mm，绝缘关节为250 mm，采用无交叉线岔结构，正线接触悬挂不中断，单独一根侧线与正线接触悬挂侧向错开，其水平间距一般为200 mm，侧线悬挂端部向上弯曲70 mm 左右，架空刚性接触悬挂的电分段有两种结构：绝缘锚段关节式与分段绝缘器式。柔性悬挂的侧线或渡线只能采用分段绝缘器来实现电分段。而架空刚性悬挂可采用绝缘锚段关节代替分段绝缘器来实现电分段，这样不仅节省投资，而且还减少了维修的工作量。

5.安装精度要求高，架空刚性接触悬挂的接触线高度误差为5 mm，锚段关节和线岔处两悬挂的高差为0～1 mm，且两悬挂的中心线要与受电弓的中心重合。在曲线地段，为了保证接触线不出现偏磨现象，汇流排横断面的中心线要与轨面垂直。这几个参数与轨道参数关系密切，轨道的超高略加改变或起拨道床时，对接触线的高度及接触线的偏磨都将产生影响，尤其对锚段关节和线岔处两接触线的高差影响大，如不及时跟随调整，可能发生打弓拉弧现象，严重时还会使接触线和受电弓受到损伤。

6.架空刚性接触悬挂相对于柔性接触悬挂而言，结构高度小，可以不考虑受流时导线的抬升、接触线的振动以及链形悬挂结构高度占用的空间，因而所用净空至少相差100～150 mm。另外，架空刚性接触悬挂在锚段关节和线岔处，尤其是复式道岔处，无需设置下锚补偿装置，安装简单，不需要隧道额外增加空间，所以架空刚性接触悬挂能够很好地满足低净空隧道要求，更适用于地铁。

7.维护检修、事故处理简单。架空刚性接触悬挂结构简单，零部件较少，各零部件的连接牢靠，事故几率低，无论是日常维护检修，还是事故抢修、接触线更换，架空刚性接触悬挂的工作量比柔性接触悬挂要少

1.3 本文的主要研究内容及研究方法

随着城市轨道交通日新月异的发展，城市轨道交通领域不断采用新的技术和新的产品，刚性接触悬挂本身有很多优点，所以它是城市轨道交通领域的一个发展方向。本论文“刚性悬挂基本参数及振动特性分析”正是适应我国城市轨道交通中采用接触网刚性悬挂逐步推广而提出的一个课题，希望能为我国城市轨道交通的发展提供技术支持。

本论文的研究内容及研究方法如下：

首先论述了城市轨道交通领域中接触网刚性悬挂的技术并对比了柔性悬挂技术，刚性接触悬挂的应用前景是十分广阔的，不单是城市轨道交通领域中应用，而且在大铁路中的一些低净空的隧道也被采用。从而给出了本课题研究的背景以及研究的必要性。

2 影响刚性悬挂锚段长度的因素分析

2.1 确定锚段长度应考虑的因素

锚段是指将接触线分成一定长度的机械分段。柔性悬挂锚段需要张力补偿，刚性悬挂锚段没有张力补偿。同一锚段内，刚性悬挂由数段刚性梁对接而成，其锚段长度同柔性悬挂相比有所区别。

锚段长度主要决定于以下几个因素：

1.环境温度变化对锚段长度的影响

刚性梁具有热胀冷缩的特性。设计、施工时，必须在锚段两边终端悬挂点预留一定的伸出长度（称为终端悬挂点伸出段） .

2.牵引负荷电流对锚段长度的影响

地铁、轻轨的牵引负荷是一个间断性的波动负荷。为了研究方便，常常应用仿真计算或平均运量法计算出通过汇流排及接触线横截面积的持续最大有效电流。因为汇流排及接触线有一定的阻抗，所以当有效电流通过汇流排及接触线时，就会产生能量损失。该电能损失使汇流排及接触线的温度不断升高，长度不断伸长，直至汇流排及接触线产生的电能损失与散入空气中的热能达到平衡并被带走时。

3.故障短路电流对锚段长度的影响

故障短路电流是一个瞬时电流，供电系统的继电保护使短路电流的持续时间一般都远小于1s，所以该短路电流不会使汇流排及接触线持续升温。

4.“S”取值对最小锚段长度的影响

由于刚性接触悬挂是有一定刚度的，它不能像柔性接触线那样随意弯曲，所以“S”值的取值大小与最小锚段长度的确定有着密切的关系。

5.膨胀接头可移动量对最大锚段长度的影响

由于膨胀接头的可移动量是有一定限度的，如果锚段长度太长的，那么锚段的热膨胀变化量就有可能超出膨胀接头的可移动量，所以膨胀接头的可移动量与最大锚段长度的确定有着密切的关系。

3 结论

刚性接触悬挂具有结构简洁，占用净空少，节省隧道建设费用的优点，在城市轨道交通中得到广泛应用。本轮文分析了影响刚性接触悬挂锚段长度及跨距长度的各种因素。并建立了刚性悬挂仿真模型，对刚性悬挂的振动特性进行了仿真分析。

综上所述，本文首先比较分析了刚性与柔性悬挂，分析了影响刚性接触悬挂锚段及跨距长度的各种因素。对刚性接触悬挂的横向振动建立了模型，考虑了不同荷载作用下的影响，并用数学软件MATLAB进行了仿真分析，得出了跨距长度与机车运行速度之间的关系。为刚性接触网的施工设计提供了一定的科学依据与技术支持。

参考文献

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