城市轨道交通架空刚性悬挂技术的应用与改进

黄德亮，赵 勤，李金华，赵海军

0 引言

架空刚性悬挂是城市轨道交通架空接触网受流方式的一种，具有运行可靠性高、结构简单、运营维护方便、安装空间小等优点，适合在城市地铁隧道内应用。到2008年底，架空刚性悬挂技术在国内研究与应用的时间已达10年。目前广州、上海、南京等多条地铁线路采用了架空刚性悬挂技术，北京、成都、苏州、宁波、郑州等多条地铁计划采用架空刚性悬挂技术。架空刚性悬挂已成为国内地铁隧道内架空受流方式的首选。

架空刚性悬挂技术在国内经历了一个从无到有的系统研究过程。作为主要技术研究人员，笔者将架空刚性悬挂的研究历程及实际应用效果通过本文与同行共享，希望增进国内对该项技术的深入了解，解除业内部分人士对架空刚性悬挂关键技术的疑惑，更好地推广该项技术在国内的应用。

1 架空刚性悬挂技术的提出

在广州地铁二号线建设之前，国内地铁架空接触网只有柔性悬挂一种模式。由于架空柔性悬挂的组成线材—承力索、接触线、辅助馈线均带有张力，一旦断线直接影响地铁的安全运营。如果工程中出现隧道漏水腐蚀线材、有机绝缘材料老化等问题，则架空柔性悬挂存在断线隐患。

为提高接触网系统的安全可靠性，1998年广州地铁二号线首次提出了采用架空刚性悬挂技术方案，并成立由广州市地下铁道总公司、中铁电气化勘测设计研究院有限公司、中铁电气化局集团有限公司组成的联合课题组对其进行系统研究。

2 架空刚性悬挂技术的研究起步

课题组首先对架空刚性悬挂进行了系统理论研究，对架空刚性悬挂弓网受流质量进行分析，确定弓网受流模型，开发了模拟计算软件进行架空刚性悬挂弓网受流模拟。课题组在国内首次确定了架空刚性悬挂平面布置原则、锚段关节实施方案、刚柔过渡实施方案、道岔处交叉渡线处实施方案、悬挂安装实施方案、异金属间防止电腐蚀方案、施工工艺方案等。

架空刚性悬挂标准断面由汇流排、接触线、绝缘子、支持结构等组成，典型断面见图1。

为了使该项技术能够在国内工程中推广应用，必须在消化吸收国外技术精髓的基础上进行产品国产化。为此，该课题组依据“建立架空刚性悬挂示范段→主要零部件设备国产化→建立试验段”的研究思路进行了国产化研究。以上3步分别于1999年8月、2000年3月和2000年4月成功完成。

2000年12月18日，铁道部科教司与广东省科技厅联合组织技术鉴定会，通过了对架空刚性悬挂研究成果的鉴定。

图1 架空刚性悬挂典型断面示意图

3 架空刚性悬挂的工程实例

2003年6月28日，广州地铁二号线投入运营，这是国内第一条采用架空刚性悬挂技术的地铁线路。该线采用垂直悬吊安装方式，跨距为6～8 m；锚段长度为250～300 m，锚段中间设置中心锚结，中心锚结独立设置；拉出值采用了“近似半正弦波”布置方案；架空刚性悬挂跨中弛度5 mm左右。

广州地铁二号线开通至今，接触网运行效果良好，未发生一次弓网事故，验证了架空刚性悬挂的可靠性和安全性。但客观地说，由于是第一条采用架空刚性悬挂技术的地铁线路，从接触网设计、施工、监理到车辆受电弓匹配等方面均存在经验不足，导致在运营过程中出现了一些技术问题，这也在业内引起了较大的争议。

3.1 个别区段接触线磨耗量偏大

接触线磨耗由机械磨耗和电气磨耗 2部分组成。对于架空刚性接触网的接触线与碳滑板的机械磨耗问题，课题组于2000年11月在铁道部科学院产品质量监督检验中心进行了弓网磨耗模拟试验，得出在Vmax= 80 km/h条件下接触线和受电弓滑板机械磨耗的检测数据，见表1。

表1 每万弓架次接触线的磨耗比值表

广州地铁二号线碳滑板与接触线间静态压力为120 N，架空刚性悬挂接触线的允许磨耗量为接触线截面积的 2/3，以 120 mm2接触线、每年 40万弓架次进行估算，能够满足50年的使用年限。根据检测数据统计分析，该线绝大部分架空刚性悬挂的接触线实际磨耗量与试验值基本吻合，说明架空刚性悬挂接触线正常磨耗为机械磨耗。

通过对接触线磨耗严重区段的调查分析，该区段的磨耗均为电气磨耗造成的。该磨耗严重区段均为减振道床（轨道弹性较大）、变坡区段，同时车辆加速取流。在这几种因素的共同作用下，车辆通过时，受电弓发生较大的震动，不能与接触线可靠接触，而该区段的受电弓取流又比较大。图2为在纪念堂—越秀公园现场实际拍摄的接触线磨耗照片，从中可以看出，受电弓与接触线未能连续可靠接触，产生火花，造成电气磨耗严重。经测算，该区段每万弓架次的接触线磨耗量平均达到0.5 mm2，4年左右就需要进行接触线更换，实际工程中3年后即进行了更换。

图2 接触线磨耗严重区段现场例图

通过有限元分析法进行模拟分析，受电弓与接触线不能可靠连续接触可采取如下措施进行解决：一方面进行结构性优化，适当增加这些区段的弹性；另一方面提高受电弓的稳定性和追随特性。

3.2 受电弓碳滑板磨耗不均匀

受电弓碳滑板磨耗不均匀与二号线锚段的布置有关。二号线接触网在一个锚段（约250 m）布置成一个“近似半正弦波”。由于缺乏专用设计软件，设计图无法给出全部悬挂点的拉出值，只给出了关节处、最大拉出值处等关键悬挂点的拉出值，其余悬挂点的拉出值要求施工人员根据“近似半正弦波”布置进行现场调整。而工程安装时，由于缺乏具体拉出值作为依据，部分锚段的实际布置不是“近似半正弦波”形，造成受电弓的磨耗不均匀。

目前“架空刚性悬挂平面布置软件”已经开发成功，所有悬挂点的拉出值均能准确给出，能够指导现场调整出“近似全正弦波”形布置。理论上定性地看，“近似半正弦波”和“近似全正弦波”形布置对接触线的磨耗基本一致，“近似全正弦波”形布置模式可使受电弓滑板的磨耗更趋均匀。广州地铁三号线全部采用“近似全正弦波”形布置模式，通过实际测量，该线受电弓碳滑板磨耗的均匀度较二号线有了很大的提高。因此将二号线锚段的布置调整成“近似全正弦波”形布置，可改善受电弓碳滑板磨耗不均匀问题。

以上是广州地铁二号线架空刚性接触网在实际运行中出现的最突出的2个问题。目前针对二号线接触网及受电弓的整改方案正在研究实施之中。

4 时速120 km架空刚性悬挂技术与应用

广州地铁三号线是国内第一条最高运行速度120 km/h的快速地铁线路，对接触网的系统性能提出了更高的要求。主要体现在机车快速运行过程中接触网的安全可靠性、弓网关系的匹配性。通过系统研究，地铁三号线在二号线的基础上，架空刚性悬挂采取了如下技术创新：

（1）国内首次采用“扁平式150 mm2铜银接触线”技术，解决快速运行时大电流及大弓网接触面积的要求。

（2）国内首次采用“膨胀元件锚段关节”技术，同时将锚段长度由250 m延长至300 m，改善了锚段关节弓网受流薄弱环节，克服了快速运行时的离线问题。

（3）国内首次采用“近似全正弦波”形布置、“6 m标准跨距”、“中心锚结与悬挂点合并”等技术，将架空刚性悬挂跨中弛度由4 mm降为2 mm左右，改善了受流质量，满足了快速受流的要求。

（4）国内首次开发成功“架空刚性悬挂平面布置软件”，用于工程设计，保证了工程质量。

广州地铁三号线从2006年6月28日开通至今未发生一次弓网事故，验证了120 km/h快速架空刚性悬挂接触网系统的可靠性和安全性。针对120 km/h快速架空刚性悬挂而研发的多项关键技术均为国内首创，也解决了二号线的 2个技术难题。广州地铁三号线为国内今后地铁运行速度的提升积累了宝贵的经验。

5 架空刚性悬挂技术的应用

通过广州地铁二号线和三号线的成功应用，架空刚性悬挂技术得到了全国的普遍认同。目前广州、上海、南京、北京、天津、重庆、沈阳、郑州、长沙、宁波等20多条地铁线路的隧道内采用了该项技术。

广州地铁一号线建设时采用了架空柔性悬挂技术，由于部分隧道漏水严重，污水腐蚀柔性悬挂承力索和接触线，存在断线的隐患。目前该区段已在不停运的条件下完成了从架空柔性到刚性的“柔改刚”技术改造，为架空柔性悬挂地铁线路不停运条件下进行大修更换提供了很好的技术方案。电气化铁道隧道内也开始采用架空刚性悬挂技术。

6 结束语

架空刚性悬挂技术在我国通过了十分系统的研究过程，既借鉴国外技术经验又独立自我创新，保证了该技术在国内能够广泛推广应用。

尽管广州地铁二号线存在一些技术问题，但作为国内第一条架空刚性悬挂的应用工程，在国内城市轨道交通发展史上的地位和作用是不容忽视。

从1998年到2009年，架空刚性悬挂技术在国内的研究与应用已经超过了10年。随着应用工程的增多，架空刚性悬挂出现的技术问题也会更多、更加复杂，通过本文希望能起到抛砖引玉的作用，希望能与国内同行一起，为架空刚性悬挂技术在国内的更好应用不断努力。