集电靴与接触轨集电系统研究综述

李鲲鹏，黄德亮，关金发，陈伟杰，冯 超，陈吉刚



集电靴与接触轨集电系统研究综述

李鲲鹏1, 3, 4，黄德亮2，关金发1，陈伟杰2，冯 超3, 4，陈吉刚3, 4

（1. 西南交通大学电气工程学院，成都 610031；2. 广州地铁集团有限公司，广州 510000；3. 广州地铁设计研究院有限公司，广州 510000；4. 城市轨道交通系统安全与运维保障国家工程实验室，广州 510000）

阐述集电靴与接触轨的结构改进、运行现状和标准建设，以及集电靴、接触轨和靴轨接口的测试与仿真技术，并展望集电靴与接触轨集电系统的发展方向。现有集电靴种类较多，尚未形成通用的力学模型，需进一步构建集电靴动态性能试验台获取其关键力学参数。集电靴与接触轨的动态测量装置尚需进一步标定，以确保测试数据的准确性。集电靴与接触轨的动态仿真尚需实际测量数据验证其有效性。集电靴与接触轨系统接口的标准尚需进一步完善。

轨道交通；集电靴；接触轨；结构；仿真；测试；标准

接触轨，又称第三轨，是安装于轨道旁地面上的供电装置。集电靴，又称受流器，是安装于电气列车转向架上的取流装置。集电靴与接触轨集电系统，又称靴轨系统，属于最古老的电气列车供电方式，是地铁牵引供电系统的重要组成部分。

1879年的柏林工业博览会上，SIEMENS & HALSKE公司联合开发并展出了使用集电靴与接触轨集电系统的试验列车[1]。1890年开通的伦敦地铁是世界第一条使用接触轨供电的地铁。19世纪90年代开始，接触轨的供电方式被广泛采用，当时最高运行速度达174 km/h[2]。早期的靴轨系统结构如下：文献[3]提出的上接触式靴轨系统如图1所示，文献[4]提出的下接触式接触轨系统如图2所示，形成了当代接触轨系统的雏形。

图1 上接触式靴轨系统结构

图2 下接触式靴轨系统结构

Fig. 2 Lower contact mode for the collector and rail system structure

1971年1月15日投入运营的北京地铁1号线是国内首条应用集电靴与接触轨集电系统的线路。2004年7月28日投入运营的武汉地铁1号线是国内首条应用钢铝复合接触轨的线路。2005年12月25日投入运营的广州地铁4号线是国内首条应用DC1500V电压等级接触轨系统的线路。2013年12月29日投入运营的上海地铁16号线是国内首条设计运行速度达120 km/h的接触轨线路。至今，第三轨系统在中国城市轨道交通的应用相当广泛。

文献[5]回顾了中国接触轨技术从1965年至2004年的发展历程，但尚未涉及集电靴、靴轨接口方面的研究综述，不够完整，且从2004年至今，集电靴与接触轨系统技术有了较大的发展。另外，随着我国城轨建设规模越来越大，既有靴轨系统的使用一般速度限制在120 km/h以下，显然已满足不了长线路区间的要求，研制速度160 km/h及以上的靴轨系统势在必行。从集电靴与接触轨的系统结构、运行现状、计算机仿真技术、状态参数测试技术、标准建设等方面的应用现状进行了梳理与归纳，对研究速度更高的靴轨系统提出了一些有益建议。

1 集电靴研究现状

集电靴的结构形式多样，从靴轨接触方向分类，有上接触式、下接触式、侧部接触式集电靴，其通用结构为滑板及托架、摆臂、驱动弹簧、绝缘支架、取流电缆和熔断器，其中绝缘支架的作用是使转向架与第三轨电气绝缘，其绝缘距离应与第三轨的电压等级一致。集电靴在使用中具有3种空间姿态，分别为脱靴位置、工作位置和止动位置。脱靴位置的集电靴处于不工作状态。当集电靴处于工作状态时，若与接触轨接触时为工作位置，若离开接触轨处于断轨区时为止动位置。集电靴的结构虽然多种，但按照驱动方式分类，一般分为2种，文献[6]提出的一种扭转弹簧驱动的集电靴（见图3）和文献[7]提出的一种拉伸弹簧驱动的集电靴（见图4），两种驱动方式均为摆臂提供一定的扭矩，进而转化为靴轨接触点的接触力。

图3 扭转弹簧驱动式集电靴

图4 拉伸弹簧驱动式集电靴

集电靴的静动力学性能对于靴轨系统相互作用十分重要，需通过测试或计算机仿真分析其力学模型。文献[8]在实验室内测量了某型集电靴的力学性能参数，如：扭转弹簧刚度和阻尼，为集电靴的设计与维修提供数据资料。文献[9]从静力学角度分析了广州地铁4号线用集电靴的运行轨迹与地铁建筑设备限界的关系。文献[10-11]研究了集电靴试验台，主要功能为测试集电靴输出的接触力与集电靴运行高度的关系，以及标定集电靴的3种空间姿态。总的来说，集电靴的静动力学研究已有一定进展，但至今尚没有一个集电靴的通用力学模型，或一系列能表征集电靴动力学性能的指标。

集电靴在运行过程中容易出现烧伤、拉弧和主电路熔断器故障等问题[12-14]。为减小集电靴发生的故障，可利用集电靴的监测系统，实时采集集电靴的电流信息和熔断器的电压信息，判断集电靴的运行状态[15]。

2 接触轨研究现状

自接触轨被应用于牵引供电系统，其主要的发展在于零部件材料上。接触轨的固定支架和底座由传统的木材变为玻璃钢材料。绝缘子由传统的瓷瓶变为复合材料。接触轨由传统的低碳钢变为钢铝复合材料。本章节对接触轨系统关键构件的研究现状进行梳理，并重点介绍了用于评估接触轨系统状态的一些测量技术。

2.1 接触轨的结构

接触轨由导电轨本体、膨胀接头、端部弯头、普通接头、绝缘支架、保护罩、绝缘子等结构组成。

钢铝复合接触轨以其重量较轻、电能损耗小、变电所数量减少等优势，在新建地铁线路中被广泛地应用。文献[16-18]中介绍了钢铝复合接触轨的结构与应用。

文献[19]发明了一种钢带嵌入铝轨的复合接触轨，如图5(a)所示。文献[20]发明了一种钢带包围铝轨的复合接触轨，如图5(b)所示。两种钢铝复合轨在地铁建设中均有应用，我国一般采用图5(a)所示的接触轨。

接触轨有3种安装方式，分别为上部接触、下部接触和侧部接触。上部接触为较老式线路使用，现代一般设计为下部接触，侧部接触则多用于单轨列车或磁悬浮列车的集电系统。

接触轨供电方式与架空接触网最大的区别是接触轨有断轨结构。集电靴脱离接触轨进入断轨区域时集电靴带电切断负载，产生拉弧现象。集电靴从断轨区域进入接触轨时，集电靴通过带有一定斜率的端部弯头过渡到平直轨面，此时容易产生较大的水平和垂直冲击力。文献[21-22]阐述了DC1500V第三轨供电的设计原则、跨距布置、端部弯头等几项关键技术。文献[23]介绍了上海16号线120 km/h接触轨系统的设计与施工过程，重点讨论了接触轨断轨处端部弯头的受流效果。文献[24]介绍了广州地铁接触轨端部弯头的技术参数、结构组成和维护要点。文献[25]提出了不同速度等级端部弯头斜率的选取，如表1所示，可以看出速度越高，端部弯头的斜率越小。文献[26-27]讨论了接触轨的断轨间距与接触轨平面布置、车辆集电靴布置的关系。

图5 钢铝复合轨截面

表1 端部弯头的斜率选用

为补偿接触轨温度变化带来的伸缩，并使接触轨连续过渡，需要使用一种连接结构——膨胀接头。膨胀接头有2种类型，分别为有伸缩缝式和无伸缩缝式，如图6、图7所示。有伸缩缝式膨胀接头中间留有伸缩缝，膨胀接头通过侧部或内部的连接板将两端工作的接触轨连接，连接板中间可安装滑动板，也可无滑动板。滑动板增加了有伸缩缝式膨胀接头的补偿范围。现有工程使用的膨胀接头一般为有伸缩缝式的膨胀接头。有伸缩缝式膨胀接头有多种形式，文献[28-30]分别给出了3种有伸缩缝式的膨胀接头结构，区别在于滑动机构和电连接方式。为消除缝隙带来的轨道不连续，文献[31]发明了一种无伸缩缝式的膨胀接头，两接触轨挤压接触面滑块可往外部移动，完成接触轨的伸缩，并保持接触面滑块和接触轨的连接紧密。无伸缩缝式膨胀接头尚未投入工程应用，其效果有待实践检验。

图6 接触轨有伸缩缝式膨胀接头

图7 接触轨无伸缩缝式膨胀接头

相同靴轨结构下，运行速度越高，靴轨动力响应越明显，尤其是集电靴高速进入接触轨端部弯头时，对靴轨的冲击较大。为缓和靴轨的动力振动，有研究者在接触轨悬挂结构上安装了弹性结构，减小了接触轨的悬挂刚度。文献[32]通过加装端部弯头的弹性结构，如图8所示，缓冲集电靴“触轨”时对端部弯头的冲击力，改善了列车通过断口时集电靴与端部弯头间的冲击作用和拉弧放电现象。文献[33]公开了一种接触轨弹性整体绝缘支架，与接触轨配合的支架滑轨设置于轨道座内侧，所述的轨道座内侧于支架滑轨的下方设置有弹性元件，如图9所示。

图8 接触轨端部弯头处的弹性元件

图9 接触轨支架滑轨处的弹性元件

接触轨的静动力学性能对于靴轨系统相互作用十分重要。文献[34]建立了第三轨系统的有限元模型，分析了不同锚段长度的固有频率与模态，指出三轨系统与桥梁不会发生共振。

目前，中国的接触轨系统使用DC 1 500 V电压制式、钢铝复合接触轨、绝缘支座、膨胀接头等结构已趋于同质化，接触轨的结构相对稳定。有研究者通过减小悬挂刚度，改善运行速度提高带来的振动，但悬挂刚度如何选取，优化效果如何仍需进一步通过实践确认。

2.2 接触轨的几何参数检测技术

接触轨几何参数是评估接触轨性能的重要参数，若接触轨发生形变或表面出现凹凸不平，势必影响靴轨的动态受流。文献[35-36]提供了一种城市轨道交通接触轨检测系统及检测方法，主要由主机系统、图像采集系统、车体偏移补偿系统和定位系统构成，该系统能进行接触轨的几何参数动态检测，包括：接触轨中心到轨道中心的水平距离和接触轨受流面到走行轨轨顶平面的垂直距离。文献[37]提出了一种轨道交通接触轨测量装置及测量方法，包括测量基准车架、图像采集及处理系统，该装置由单人推动操作。文献[38]中介绍了广州地铁与MerMec公司合作开发的综合检测车第三轨几何参数检测系统。

综上所述，针对接触轨几何参数的测量技术和装备已日趋完善。

3 靴轨系统相互作用研究现状

靴轨系统通过集电靴上的滑板与接触轨上的钢带在机械、电气和材料3个方面相互作用进行电能传输。靴轨系统的机械相互作用主要体现在两者的动力行为，研究靴轨动力行为有两种途径，分别是靴轨动态仿真和靴轨动态测量。靴轨系统的电气和材料这两方面相互作用主要体现在两者的载流摩擦磨损行为，同样有两种研究途径，分别为靴轨摩擦试验和研发新型集电材料。

3.1 靴轨动态仿真技术

集电靴与接触轨系统作为一个振动系统，通过建立两者的动力学模型研究二者动力学特性的学者很多。文献[39]建立了城轨车辆接触轨集电系统垂向动力学模型，得出在地铁车辆运行速度的范围内，车辆随机振动和轨道不平顺是引起集电靴振动的主要原因，初步探索了集电靴与接触轨接触的振动规律。文献[40]建立了集电靴与接触轨的刚体动力模型，进行靴轨仿真，得出接触力，研究集电靴模型的声场噪声变化规律。文献[41]通过建立靴轨系统的运动模型，对集电靴和接触轨的接触特性进行分析，发现滑靴的接触压力与接触轨表面的弯曲程度密切相关，要提高运行速度应尽量减小集电靴的动态质量。文献[42]利用分形理论，研究集电靴表面粗糙程度与接触刚度、接触力之间的关系。文献[43]以集电靴的摆臂为柔体，其他结构为刚体，接触轨为刚体，建立了集电靴与接触轨的刚柔耦合模型，并进行了靴轨动态仿真。文献[44]从动力学角度重点研究了列车运行速度、三轨安装精度对靴轨关系的影响。文献[45]建立了集电靴与接触轨的仿真模型，研究表明：改变集电靴系统的相关刚度，增加一定的阻尼以及改变接触轨端部弯头的形状与坡度，可以改善滑靴的跟随性。

综上所述，靴轨动态仿真已有较大的发展，靴轨动力模型有全刚体和刚柔耦合两种，其主要问题是模型参数的获取以及弓网动态仿真结果的有效性确认。

3.2 靴轨动态测量技术

靴轨动态测量是研究靴轨系统机械相互作用最基础的数据来源，并为靴轨动态仿真提供验证数据。

国外对靴轨动态测量的研究有：文献[46]研究了受电靴与第三轨的稳态和动态接触，通过环形接触轨试验台和列车实验装置，如图10所示，对接触力、扭簧扭矩和受电靴的跳动位移等数据进行了分析，得出了受电靴振动的主要影响因素；文献[47-48]设计了集电靴动态测量系统，测量了滑板动态位移、接触力以及动态加速度等数据，评估英国接触轨系统的动态性能。文献[49]由Stemman公司对雅典的Attiko地铁的靴轨系统进行动态测试，测试数据主要是滑板的水平和垂直加速度。

图10 靴轨动态试验平台

中国对靴轨动态测量的研究有：文献[50]提出了第三轨参数检测及评价系统，其中重点对接触力、冲击加速度、几何参数、环境温度和运行速度等参数进行测试方案设计。文献[51]对集电靴的摆臂进行应变测试，发现集电靴在进入端部弯头时摆臂出现较大的纵向载荷，集电靴脱离第三轨时摆臂出现较大的垂向载荷。

综上所述，靴轨动态测量的测试项目主要集中在接触力、滑板加速度和动态位移这几个参数上，其主要问题是测量装置获取的弓网接触力，是否与正常使用的集电靴结果一致，需进一步标定测量设备。

3.3 靴轨材料配合研究

集电靴与接触轨是通过滑动摩擦维持电能传输，靴轨电气与材料相互作用方面的研究成果有：文献[52]在无电流通过摩擦的情况下，利用试验机模拟不同材质的集电靴滑板与接触轨之间在固定接触压力下磨耗的情况，对试验结果进行分析比较；文献[53]考察了固定电流条件下2种不同材料制造的受电靴的滑动摩擦磨损性能；文献[54]研制了一种铁制的集电靴滑板，试验证明低碳钢三轨的摩擦磨损效果比铜制滑板好；文献[55]提出一种铝青铜合金材料制作的滑板比普通铜合金滑板耐磨且电阻率低；文献[56]提出一种靴轨载流摩擦磨损试验台（见图11），比较了不同接触力和电流下的靴轨摩擦情况。

图11 靴轨载流摩擦磨损试验平台

已有靴轨摩擦磨损试验均是针对DC750 V靴轨系统，滑板的材料一般为铜合金，接触轨为低碳钢，进行滑板材料优化。但实际上，我国目前广泛使用的是DC 1500 V靴轨系统，滑板的材料一般为浸金属碳，接触轨为钢铝复合，因此有必要开发针对这一电压等级系统的载流摩擦磨损试验平台，优化靴轨材料配合。

4 靴轨标准

英国与美国是应用集电靴与接触轨作为牵引供电方式较早的国家，至今尚有大量的地铁线路采用靴轨系统，其靴轨系统标准较完善。文献[57]将集电靴维修检查分为：外观、机械、电气、表面清洁和润滑等5个方面，其中机械与电气规定了接触轨的接口要求。文献[58]以集电靴的接口需求出发，从电气和机械角度对接触轨进行了要求。文献[59]以接触轨的接口需求出发，则从电气、机械和绝缘3个方面对机车和集电靴进行要求。

随着靴轨系统的广泛应用，中国也制定了一系列有关靴轨系统的相关标准。文献[60]对接触轨有一定的规定，如：接触轨应采用钢铝复合材料等低电阻率产品；接触轨的安装位置及其安装误差，应根据车辆集电靴与接触轨在相对运动中能可靠接触来确定；接触轨断轨处应设端部弯头；接触轨应设防护罩，其电气性能与物理性能应满足技术要求。文献[25]是接触轨的行业标准，从接触轨供电系统设计、施工、质量验收和检修维护等4个方面较全面地对120 km/h速度及以下的接触轨单方面进行了规范。文献[61]是集电靴的行业标准，其中规定了集电靴的工作条件和性能要求，以及提出了集电靴的相关试验。

国外靴轨标准是针对靴轨接口制定的，其中包括系统各自的电气、机械静态几何位置以及机械动态响应范围等条款。而国内则单方面制定集电靴和接触轨的标准，尚缺少接口标准，或尚欠缺从靴轨系统需求出发制定的相关标准。

5 结语

通过对集电靴和接触轨系统结构、运行现状和标准建设等方面分析，及其相互作用的状态参数测量与仿真调研，得出若要研发更高速度等级的集电靴与接触轨系统，需从以下几个方面开展工作：

1）DC1500V接触轨结构已具有一定的范式，结构调整主要是悬挂刚度、膨胀接头结构、端部弯头斜率和跨距，其动力学模型建立相对简单。集电靴有多种结构，尚需建立一个通用的集电靴动力学模型，以及构建一个用于测量其关键参数的集电靴动态性能测试平台，以便开展集电靴结构优化，以及靴轨动态仿真计算。

2）构建一个用于标定测量装置的靴轨动态试验平台。利用标定后的靴轨动态测量装置，获取准确的靴轨动态数据，评估靴轨动态性能，且为靴轨动态仿真提供验证数据。

3）建立集电靴与接触轨的动态仿真模型，结合现场测试数据，确认集电靴与接触轨的动态仿真系统。利用靴轨动态仿真，设计更高运行速度的集电靴与接触轨结构，并进一步工程化应用，通过靴轨动态测量确认设计方案。

4）对比国内外靴轨标准，发现中国已有集电靴和接触轨单方面的标准，尚未有靴轨接口方面的标准，应进一步增加靴轨接口的几何、机械、电气、材料方面的规范，补充靴轨动态测试和动态仿真的技术规范，完善集电靴与接触轨的标准体系。

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（编辑：王艳菊）

A Technology Survey of the Current Collector and the Conductor Rail Power Supply System

LI Kunpeng1, 3, 4, HUANG Deliang2, GUAN Jinfa1, CHEN Weijie2, FENG Chao3, 4, CHEN Jigang3, 4

(1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031; 2. Guangzhou Metro Group Co., Ltd., Guangzhou 510000; 3. Guangzhou Metro Design and Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510000; 4.National Engineering Laboratory for System Safety and Operation Assurance of Urban Rail Transit, Guangzhou 510000)

This paper introduces a structural improvement, current status, and standard construction of current collectors and conductor rails, and the test and simulation technology of the interface between current collector and conductor rail. Additionally, the development direction of the current collector and conductor rail system is predicted. There are many kinds of current acceptors. A general mechanical model has not yet been developed. Furthermore, the dynamic performance of the test rig of the current collector must be constructed to obtain the key mechanical parameters. The dynamic measurement device for the current collector and conductor rail system must be further calibrated to ensure the accuracy of the test data. The dynamic simulation of current collector and conductor rail system requires actual data for verification. The standard of the interface between current collector and conductor rail needs must also be further improved.

urban rail transit; current collector; conductor rail; structure; simulation; measurement; standard

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.05.018

U231；N945.12

A

1672-6073(2018)05-0092-09

2017-11-18

2018-01-11

李鲲鹏，男，博士研究生，教授级高工，从事轨道交通领域供电系统的研究，leo-likunpeng@qq.com

国家自然科学基金（U1534209）