城市轨道交通靴轨关系的安全测试评估方法

靳守杰，李鲲鹏，占 栋，万永胜，钟 尉，冯 超

（1.广州地铁集团有限公司，广东 广州 510330；2.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010；3.西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031；4.成都唐源电气股份有限公司，四川 成都 610046）

广州地铁21 号线镇龙西—员村段线路全长35.0 km，其中地上线路7.2 km，地下线路27.8 km，最高运营速度120 km/h，采用DC 1500 V 钢铝复合型接触轨下部受流方式供电，接触轨受流面距钢轨顶面的垂直距离为(200 ± 5) mm，接触轨中心至线路中心距离为(1550±5)mm.根据交通运输部2019 年印发的《城市轨道交通初期运营前安全评估管理暂行办法》（交运规【2019】1 号）[1]，城市轨道交通新建线路开通运营前须完成安全评估工作，未通过运营前安全评估的线路不得投入运营.该文件明确了受电弓-接触网（弓网）关系安全评估指标要求，无集电靴-接触轨（靴轨）关系安全评估指标要求.因此，针对靴轨集电系统，如何给出靴轨集电系统安全评估测试方法及评估技术指标，确定线路是否具备开通条件，是靴轨集电系统目前面临的突出问题.

弓网关系测试及评价，国内外均有标准可循.国外：EN 50317−2002[2]记载了弓网系统技术参数的测试方法和误差要求；EN 50367−2012[3]规定了弓网动态相互作用技术指标，明确了弓网接触力、燃弧率、接触线抬升等弓网动态性能参数的允许范围[2].国内：TB 3271—2011[4]规定了弓网动态相互作用参数指标范围；TB 10761—2013[5]明确了弓网系统几何参数、燃弧率、弓网接触力和硬点的技术标准；文献[6]记载了城市轨道交通试运行前的安全评估技术规范，指明了弓网关系的测试内容和方法，但是缺乏靴轨关系的相关测试方法和评估指标；TB 10621—2014[7]记载了关于弓网离线率、弓网接触力和平均接触力的技术指标，各参数的制定主要针对中国高铁的实际情况进行确认；CJJ/T 198—2013[8]记载了接触轨的施工验收标准，其内容主要集中在零部件的安装布置和材料等相关内容的验收标准；文献[9]记载了针对120 km/h 接触轨的设计规范和验收标准.

综上，目前仅有针对弓网集电系统初期运营前的安全评估指标，有必要结合城市轨道交通的运营经验和技术现状提出城市轨道交通靴轨系统安全评价指标及方法.

广州地铁21 号线运营车靴轨关系检测装置属国内首次将检测装备安装在运营电客车上，通过靴轨动态参数在线检测技术，采用激光摄像方法，实现了对高速复杂环境下接触轨动态几何参数的检测；通过振动、加速度等光纤光栅精密传感器实现对靴轨动态运行中的压力、硬点的描述；同时结合紫外光子数字探测技术对靴轨动态受流中的燃弧参数进行刻画，为掌握靴轨动态受流机理及全生命周期内服役性态变化规律提供可靠数据参考.

靴轨在线监测装置充分考虑地铁复杂线路环境中的各种因素，运用先进传感与图像处理技术实现具有强适应性的高精度靴轨在线检测，满足120 km/h 及以下速度电客车的使用.本研究基于靴轨在线检测装置的检测结果提出复杂线路靴轨关系的安全评估方法，为城市轨道交通初期运营前安全评估提供参考.

1 靴轨关系安全测试方法

采用装有具有精确定位功能的运营车靴轨关系检测装置的电客车在待测线路完成测试，以列车ATO（automatic train operation）模式运行，对测试线路全线进行测试，以反映真实工况.

1.1 靴轨关系测试参数定义

1.1.1 接触轨动态几何参数

接触轨动态几何参数是指测量接触轨中心位置距轨道中心位置的水平距离和接触轨受流面与相邻走行轨顶面的垂直距离[10-11].接触轨几何参数的安装不精确或部分区段接触轨在水平或垂直方向上出现偏离预定正常值，易使集电靴不能正常与接触轨接触，从而影响受流质量[12].

1.1.2 靴轨燃弧

根据EN 50317−2002[2]和GB/T 32592—2016[13]，用燃弧最大持续时间、燃弧次数、燃弧率3 个指标衡量靴轨电气作用过程[14-15]：燃弧最大持续时间为测试区段内最大燃弧的持续时间；燃弧次数是测试区段内发生所有燃弧的总次数；燃弧率为所测区段的燃弧总时间与测量时间的比值，是反映靴轨关系受流质量的重要指标.靴轨燃弧发生时，瞬间释放大量热量，造成接触轨和集电靴碳滑板严重的电气侵烛和损伤[16].

1.1.3 靴轨动态接触力

靴轨动态接触力指集电靴施加到接触轨垂直力，是所有接触点的力之和，反映靴轨集电系统高速运行时靴轨接触状态，用靴轨动态接触力量化表征[17].

1.1.4 集电靴硬点

集电靴硬点指所测区间内集电靴对接触轨的垂向加速度，是反映接触轨平顺性的重要指标.

1.2 靴轨关系参数测试方法

靴轨关系参数的测试方法如表1 所示.

表1 靴轨关系各参数测试方法Tab.1 Test methods for each parameter about collector shoe-rail

2 靴轨关系安全评估方法

本文提出各项检测参数的评估标准，并结合《供电系统专业管理评价办法》[18]提出适用于时速120 km/h 及以下接触轨动态检测综合评价计分方法，综合评估靴轨受流质量，为新建线路工程是否具备开通条件提供技术参考.

2.1 各参数评定标准

针对各个参数指标单独给出各参数的评价指标，线路检测出的各参数需满足表2 所示参数评定标准要求.表中：Fm,max、Fm,min分别为平均接触力的最大值、最小值；V为受电弓运行速度，km/h；σ 为靴轨接触力标准差.

表2 靴轨关系各参数评定标准Tab.2 Evaluation standard for each parameter about collector shoe-rail

2.2 接触轨动态运行质量指数评价方法

依据接触轨动态运行质量各参数的特征，建立接触轨动态运行质量评价函数，选择接触轨工作高度、接触轨偏移值、靴轨燃弧率和靴轨动态接触力4 项检测参数进行评价，采用Topsis 评价方法[18]建立数学模型，构建接触轨动态运行质量指数（conductor rail quality index，CRQI）评价函数.Topsis评价方法的基本原理为根据有限个评价对象与理想化目标的接近程度进行排序，在现有的对象中进行相对优劣的评价.

定义参与评价的接触轨线路总里程L，区间的里程为l，则区间权重系数为

接触轨工作高度为一个锚段内接触轨受流面与轨平面的垂直距离标准差，其得分为

式中：σH为一个锚段内接触轨工作高度标准差.

接触轨偏移值为一个锚段内接触轨中轴线与轨道中心线的水平距离标准差，其得分为

式中：σS为一个锚段内接触轨偏移值标准差.

由于靴轨燃弧参数不具备连续性，接触轨燃弧评价以燃弧率作为计算指标，燃弧率以锚段为计算步长单位，其得分为

式中：γNQ为一个锚段内靴轨燃弧率.

靴轨动态接触力是集电靴和接触轨之间的接触力，通过接触力的最大值、标准差对靴轨动态接触力进行评价[17,19]，其综合得分为如式（5）所示.

综上，一个锚段内CRQI 得分率qCRQI为[18]

线路区间i的CRQI 得分率qi为该线路各锚段qCRQI的平均值.则该线路CRQI 得分为

式中：pi为区间i的权重系数；M为线路区间数量.

当Q≥90.00，该线路CRQI得分优良；当Q<90.00，CRQI 得分不合格，需要继续整改.

2.3 线路开通运营条件

根据本文提出的安全测试评估方法，城市轨道交通新建线路开通运营，需同时满足两个要求：全线各参数统计指标满足对应的评定标准；Q≥90.00.

3 试验数据分析

3.1 试验数据分析

广州地铁21 号线镇龙西—员村段为采用靴轨集电系统的新建项目，线路长35.0 km，其中地上线路7.2 km，地下线路27.8 km，依据交通运输部颁发的文件规定，需要完成靴轨关系安全测试评估.按照测试方法要求，通过在AW0 工况下电客车上安装的靴轨检测装置对测试线路工程正线靴轨关系进行现场测试.

3.1.1 接触轨动态几何参数

运营车靴轨关系检测装置具备定位点识别功能，每个定位点对应输出1 组接触轨动态几何参数检测数据，统计全线上、下行每个定位点的接触轨动态几何参数的实测值与设计值的各等级偏离值个数，如表3 所示.

表3 全线接触轨的工作高度、偏移值各等级偏离点统计Tab.3 Deviation point quantity of different contact rail operation heights and different offsets for all sections 个

分析表3 可得：全线接触轨几何参数无偏离值大于5 mm 的数据，大部分偏离数据分布在0～4 mm，个别定位点偏离数据在4～5 mm，全线接触轨几何参数满足评定标准要求.

3.1.2 靴轨燃弧

各试验区间燃弧率分布和最大燃弧持续时间如表4 所示.

由表4 可知：下行线路燃弧率最大为0.022%，最大燃弧持续时间为53 ms，上行线路燃弧率最大为0.025%，最大燃弧持续时间为49 ms，表明全线靴轨燃弧与最大燃弧时间均满足评定标准要求.

表4 全线靴轨燃弧率与最大燃弧时间Tab.4 Arcing rate and maximum arcing time of collector shoe-rail for all sections

3.1.3 靴轨动态接触力

按照各试验区间统计靴轨动态接触力平均值与标准差，如表5 所示.

由表5 可知：下行线路接Fm,max为135.6 N，Fm,min为119.8 N，σ≤0.3Fm,max，上行线路Fm,max为130.3 N，Fm,min为120.6 N，σ≤0.3Fm,max，表明全线靴轨动态接触力均满足对应的评定标准要求.

表5 全线靴轨动态接触力的平均值与标准差Tab.5 Mean value and standard deviation of dynamic contact force of collector shoe-rail for all sections N

3.1.4 集电靴硬点

全线集电靴最大硬点如图1 所示.由图可知：下行、上行线路最大瞬时硬点分别为29.8、28.2 g，表明全线集电靴硬点满足对应的评定标准要求.

图1 全线集电靴最大硬点Fig.1 Maximum hard spot of collector shoe for all sections

综上，广州地铁21 号线镇龙西—员村段工程各参数均满足对应的评价指标要求.

3.2 CRQI 计算与评定

根据3.1 节各参数的统计结果对全线CRQI 进行计算.各试验区间根据里程计算的权重系数、CRQI 得分率、加权CRQI 得分率如表6 所示.根据表6 计算得到的该线路CRQI 为92.89 分，大于90.00 分[18].

表6 全线权重系数与CRQI 得分率Tab.6 Weight coefficients and score rates of CRQI for all sections

综合3.1 节和3.2 节的分析结果可知，广州地铁21 号线镇龙西—员村段全线各参数统计指标满足对应的评定标准.

4 结 论

本文从广州地铁21 号线镇龙西—员村段运营车全线靴轨检测数据出发，提出了靴轨关系安全测试评价方法.结合现场开通运营情况可得到以下结论：

1）采用接触轨动态几何参数、靴轨燃弧、靴轨动态接触力、靴轨硬点4 项独立参数统计指标和基于Topsis 的接触轨动态运行质量指数评分的方法具有可行性，能够为城市轨道交通开通运营前靴轨关系安全评估工作提供技术参考.

2）采用本方法对广州地铁21 号线镇龙西—员村段全线35.0 km 线路进行安全评估，其各项检测参数指标均符合对应的评价指标要求，且全线接触轨运行质量指数评分Q >90.00 分，符合评估要求.

3）随着检测数据的积累以及本方法在实践中的应用，本方法能够为城市轨道交通开通运营前靴轨关系安全评估相关标准提供前期基础和有益探索.