北京大兴机场线刚性接触网关键技术研究与应用

仵占海

中铁华铁工程设计集团有限公司，北京 100071

柔性接触网系统在我国电气化铁路被广泛采用，但其在隧道内的安装净空要求较高，尤其是小断面隧道安装，需要在锚段关节、补偿下锚等特殊位置对隧道进行局部开挖，不仅土建实施难度大、造价高，而且有一定的工程风险，对工期进度影响较大。

刚性接触网系统具有结构简单、无张力补偿、适应小断面隧道安装等特点。北京大兴机场线实施前，刚性接触网系统在国内地铁的运营速度在80～120km/h，国铁线路运营速度在120～140km/h，160km/h及以上的速度等级在国外也处于技术验证阶段，对其设计、施工及验收标准在国内外均为空白。因此，系统研究和掌握时速160km刚性接触网系统的关键技术，对解决轨道交通小断面隧道应用问题显得尤为迫切。

1 刚性接触网关键技术研究目的

为了顺利建造北京大兴机场线隧道内接触网系统，满足弓网的可靠连续受流，有必要研发适应时速160km刚性接触网系统的弓网耦合动态仿真平台，完成系统设计方案，研制配套零部件，掌握相关安装工艺。同时，通过搭建的刚性接触网服役状态检测、监测平台，及时掌握设备的运行状态。编制适用于时速160km的刚性接触网设计、施工和验收技术规范，实现理论研究和工程建造技术上的突破，实现快速刚性接触网系统的体系创新。

2 刚性接触网关键技术研究过程及方法

2.1 搭建时速160km刚性接触网弓网动态耦合仿真平台

基于ANSYS平台，按照建模→模型验证→平台搭建→静态力和动力学分析→实测数据验证→人机界面和软件功能开发→平台测试→平台定型的技术路线和技术方法，研发刚性接触网弓网动态仿真平台，为制订时速160km刚性接触网系统方案和关键参数施工误差控制标准提供技术手段和理论支撑。

（1）汇流排/接触线计算模型。分别搭建汇流排/接触线的实体模型和全参数化模型。通过比较分析两种模型计算结果，提出保证计算精度和兼顾计算效率的建模方法。

（2）接触网悬吊结构的计算模型。结合工程应用实际，针对不同刚性接触网的安装方案，搭建门型垂直悬吊结构、自定义三向弹簧悬吊结构、吊柱水平腕臂悬吊结构、横担垂直悬吊结构这四种悬吊结构形式的数学模型用于仿真研究。

（3）刚性接触网与受电弓联合建模。通过接触网-受电弓全参数化联合建模，提出弓网系统整体分析模型，由此构建刚性接触网弓网耦合动力学计算模型，形成刚性接触网弓网动态仿真平台。

（4）结合不同系统组合方案开展时速160km刚性接触网弓网仿真。基于开发的弓网仿真平台，建立不同型号受电弓、不同跨距、不同平面布置方式及不同悬挂方案等多组合的仿真计算模型。通过弓网动态耦合仿真对刚柔过渡、机械分段、汇流排走线布置等技术方案，以及跨距、拉出值、坡度等关键参数进行模拟和研究，提出时速160km刚性接触网系统方案。

（5）关键参数施工误差控制标准。目前，国内外对于快速刚性接触网系统的施工标准和验收标准均是空白，而刚性接触网关键参数的施工误差是直接影响弓网受流质量的重要因素[1]。为此，借助弓网动态仿真平台，针对影响高速弓网受流的主要技术参数（如悬挂点导高、坡度、汇流排平顺度等）在一定范围内进行人为调整设定，开展这些系统参数对弓网静态和动态特性影响程度的灵敏度分析，从而获得施工精度和后期验收的控制标准。

2.2 建立时速160km刚性接触网系统方案

基于刚性接触网弓网动态仿真平台，建立不同型号受电弓、接触网不同平面布置方式、不同悬挂方案等多组合仿真计算模型。通过弓网仿真计算确定时速160km刚性接触网系统技术方案和技术参数要求。重点对机械分段和刚柔过渡方案进行详细研究和分析。

（1）机械分段方案。机械分段是高速受流方案的关键，通过对膨胀接头和锚段关节进行有限元仿真，证明锚段关节替代膨胀接头的可行性与可靠性，提出采用锚段关节替代膨胀接头作为刚性悬挂高速受流系统机械分段方案（见图1），克服膨胀接头存在弓网冲击、调整困难、电气烧蚀等难题[2]。

图1 锚段关节

（2）刚柔过渡方案。隧道外采用柔性悬挂，隧道内采用刚性悬挂，两者弹性相差较大造成了刚柔过渡问题，因此必须在其结合处采取刚柔过渡措施[3]。

柔性接触网与刚性接触网之间设置刚柔过渡段，采用切槽贯通式刚柔过渡方式实现机车受电弓的双向平滑过渡。对高速受流刚柔过渡方案进行研究和优化，通过平面布置、几何参数等受流参数多组合方案仿真，提出在柔性接触网区域采取并线方式的弹性过渡措施，以延长刚柔弹性过渡区，实现弓网高速平稳过渡。

2.3 研究时速160km刚性接触网铝合金零部件制备技术

传统刚性接触网零部件材质主要为碳钢，整个支撑结构重量较大，不利于现场安装。因此，项目结合制造、施工、防腐等性能要求，研发了时速160km刚性接触网的铝合金零部件（见图2）。

图2 铝合金汇流排定位线夹

（1）轻量化、环保、防腐的铝合金材质方案。常规的钢材质虽然材料价格低、结构强度高，但是锻造工艺精度低、重量大，不利于施工，并且在隧道湿热工况下镀锌层容易生锈。铝合金强度高、抗腐蚀性能强，适用于隧道环境。基于此，开展铝合金材质零部件的研究，在满足时速160km的机械、电气、结构、强度等各项性能的要求下，完成铝合金材质水平悬臂关键部件的研制。

（2）刚性接触网零部件热挤压成形制备工艺。考虑到铝合金焊接工艺的质量控制难度和生产效率问题，对配套零部件进行模块化设计，结合铝合金材质的特性，提出零部件热挤压成形制备工艺[4]，以攻克接触网零部件复杂结构和高精度制造两个难题，解决常规焊接工艺的变形、焊缝缺陷、探伤应力集中问题，实现材料抗拉强度和屈服强度提升30%，保证达到高精度要求。

灰霉病病原菌为灰葡萄孢菌，属半知菌亚门丝孢目真菌。病菌以菌核在土壤中或以菌丝及分生孢子在病残体上度过不良环境，分生孢子可在病残体上存活4-5个月，发病潜育期5-7d。病菌借气流、雨水或露珠及农事操作进行传播。此病菌为弱寄生菌，可在有机物上腐生。发育适温18—23℃，气温高于32℃或低于4℃可抑制病害蔓延。此外，植株密度过大，生长旺盛，管理不当也会加快病情扩展；有机肥偏少，氮肥偏多，氮磷钾比例失调等也利于灰霉病的发生。

（3）多维度可调节腕臂装置（见图3）。根据接触网系统几何参数的多维度定位需求，以及高速受流系统对施工安装的高精度调整要求，重点对水平腕臂的多维精确调节功能进行创新设计和研发。通过对旋转底座结构在垂直、水平方向设置旋转轴，水平旋转依靠汇流排张力实现，在竖直角度创新设置活节螺栓进行调节的方式，首次实现水平悬臂在曲线超高地段竖直方向的连续调节。

图3 刚性悬挂铝合金旋转腕臂装置

（4）适应高速运行工况的振动、疲劳试验方法。因为在项目实施前，国内外均没有刚性接触网零部件的产品标准和试验标准，所以根据接触网高速受流的系统特点，开展零部件和整机的型式试验，验证零部件在高速运行环境条件下的安全可靠性。项目研究提出零部件开展振动试验和疲劳试验的标准和方法，在检测机构无试验平台和试验设备的情况下，研制和搭建完成型式试验平台，由权威检测机构进行垂直和水平工作荷载试验、振动试验、疲劳试验，并提出上述试验的试验参数和评价标准，完成产品定型。

2.4 研究接触线平顺度和高精度调整控制工艺工法

施工安装工艺直接影响刚性接触网的弓网受流质量。对于受流质量密切相关的关键施工工艺开展技术调研和攻关，结合示范段的上线安装试验，逐步探索和完善施工工艺和配套作业平台，形成质量稳定可控、高效的关键施工工艺工法和施工技术。

（1）时速160km刚性接触网高精度无轨施工工艺。针对轨道交通工程建设普遍存在的接触网安装工期紧张问题，提出时速160km刚性接触网的高精度无轨施工方法，包含高精度无轨测量与高精度无轨安装两个部分[5]。

高精度无轨测量技术，针对水平腕臂的偏移计算方法，完成对刚性悬挂点线路中心坐标、高程及悬挂偏移量的计算，使用极坐标测量方法利用CPⅢ控制点提高测量放样精度，在实现接触网架设与轨道铺设同步推进的交叉施工条件下，满足刚性接触网高精度施工安装要求。

高精度无轨安装技术，在未铺设轨道前，利用镜像原理确定悬挂点处吊柱底板角度，结合净空高度提前完成吊柱计算、订货、制造及安装，运用项目研制的刚性接触网无轨施工校核装置安装腕臂、汇流排。

采用研发的高精度无轨施工工艺，北京大兴机场线施工精度相比常规地铁提高了40mm，在满足160km刚性接触网安装精度要求的同时，实现了轨通电通同步，整体接触网安装工期节省约30%。

（3）时速160km刚性接触网小张力放线工艺。针对刚性接触网常规无张力放线存在的扭面、脱槽和硬点问题，制定时速160km刚性接触网小张力放线工艺，包括在刚性接触线架设过程中增加校直装置，获得接触线与汇流排的最佳放线角度，使放线小车在最佳工作状态，首创采用1.5kN恒张力放线施工工艺。

通过北京大兴机场线的工程验证，采用研制的小张力放线工艺进行刚性接触网接触线架设时，整个施工过程中接触线无脱槽、硬点产生，有效解决了接触线微观层面下不平顺导致高速受流的问题，满足了时速160km刚性接触网弓网受流的平顺性要求。

（4）时速160km刚性接触网高精度施工调整技术。采用精度高、误差小的面激光测量仪替代传统点激光测量仪，形成由点到线整锚段的施工数据体系，精准定位超标位置；在高精度调整方法方面，提出“点跨”结合的综合调整控制技术，在传统精调工法基础上首创跨中导高精调工艺。

通过北京大兴机场线的工程验证，运用该调整技术，普通悬挂点导线高度误差控制在2mm以下，相比普速地铁精度提高了3mm；锚段关节处悬挂点两导线高度差控制在1mm以下，精度提高了2mm。同时，北京大兴机场线刚性接触网评价指标达到柔性接触网弓网配合水平。

2.5 研究接触网服役状态智能化综合检测监测装置

从时速160km弓网高速运行的安全可靠性考虑，为了全面检测监测和加强管控高速刚性接触网系统的运行状态，遵循“同平台、同速度、同工况”技术理念，基于运营车的有限空间条件，开展检测设备小型化、分散化、集成化搭载，研发集弓网性能检测、接触网运行状态检测、接触网悬挂状态检测三大核心功能于一体的智能化综合检测监测装置，建立基于市域车的在线监测平台，利用车地综合承载网，构建不同类型车载检测装置的网络互联、通道共享，首次实现刚性接触网运行状态全天候、全功能数据采集和缺陷数据实时回传[6]。

基于大数据技术，首次在国内地铁领域构建多线路接触网数据综合分析处理中心(接触网监测系统)，实现与各类检测装备、管理信息系统、小型数据中心的互通互联，建立刚性接触网服役状态的健康评价体系，实现刚性接触网运行状态智能诊断和故障预测。

2.6 编制时速160km刚性接触网系统技术标准规范

在刚性接触网系统方案、接触网施工工艺研究、车载接触网检测监测平台研发等研究成果的基础上，编制发布时速160km刚性接触网系统涵盖设计、制造、施工、验收和运维的技术标准，实现快速轨道交通供电系统的体系创新，填补行业内的技术空白[7]。

3 刚性接触网关键技术研究结果及现场应用情况

通过研究，完成了各项任务，实现了既定的目标，达到了预期的效果。同时，研究成果在北京大兴机场线成功应用。2019年9月26日，北京大兴机场线按照设计160km/h的速度如期开通。北京大兴机场线运行一年的效果表明，系统整体安全稳定，弓网运行良好，取得了显著的经济和社会效益，整体技术达到国际领先水平。

4 结束语

开展城市轨道交通刚性接触网关键技术研究，填补了刚性接触网系统研究领域的空白，建立了北京市快速轨道交通刚性接触网标准体系，从而规范、指导时速160km刚性接触网的设计、施工和验收，促进刚性接触网在快速轨道交通线路的应用和发展，不断提升北京市快速轨道交通的技术创新和建设水平，进而推动了北京市快速轨道交通项目的建设，对于类似的工程具有很好的指导意义。