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地铁车辆段带上盖接触网悬挂方案研究

发布日期：2012-05-18 19:38

地铁车辆段带上盖接触网悬挂方案研究

摘要: 研究目的: 从架空接触网的各种悬挂分析入手，根据轨行区的净空高度设计值( H) ，提出适合车辆段带上盖条件下的接触网设计方案，这种方案融合常规接触网的各种单一设计标准，不仅在系统上满足安全可靠性、技术合理性的要求，而且功能适用性强、美观性好，并且因优化资源配置而使经济投资更加合理，这种新的模式可以为类似工程设计提供参考借鉴。

研究结论: H≤6． 5 m，采用刚性悬挂; 6． 5 m ＜ H≤8 m，采用地面立杆与顶板悬挂相结合的方式; H ＞8 m，采用地面立杆腕臂柱悬挂。

关键词: 车辆段; 带上盖; 接触网; 刚性悬挂; 柔性悬挂

随着国内城市轨道交通的快速发展，车辆段作为维修基地在总体规划设计中，已经出现了在用地上方带上盖进行物业开发的模式，这就给接触网设计带来了新的课题，因为传统的车辆段一般设置在城市的郊区，股道密集的站场区一般为室外环境，所以国内在接触网设计上，一般采用架空柔性悬挂，或者地面三轨形式( 与正线制式兼容) ，当车辆段带上盖后，由于土建净空高度的设计值与接触网悬挂方案选择有着密切的联系，因此必须进行深入分析，从而找到最佳接触网设计方案。

1 接触网一般悬挂形式介绍

图 1 是一般车辆段广泛采用的地面立杆形式的腕臂柱简单悬挂^［¹^－2^］; 图 2 是一般车辆段在股道密集区段采用的门型架定位绳形式的简单悬挂; 图 3 是悬挂于顶板的倒立柱简单悬挂; 图 4 是刚性垂直悬挂标准形式; 图 5 是悬挂于顶板的倒立柱定位绳简单悬挂。

2 设计思路

从带上盖车辆段接触网的几种形式可见，悬挂方式可以归纳为地面立杆和顶板悬挂两大类，每一类中又包含具体的悬挂方式。一般情况下，从安全可靠性、施工安装、运营维护、投资及美观性等方面考虑，地面立杆适用于高净空，顶板悬挂适用于低净空，因此净空值成为影响接触网方案设计的首要因素，结合接触网支持装置结构尺寸，可以在三个净空范围( H: 顶板底至轨面高度) 展开方案比选设计：

H≤6． 5 m，低净空;

6． 5 m ＜ H≤8 m，高净空;

H ＞ 8 m，超高净空。

当车辆段接触网采用地面立杆时，支柱高度一般在 7． 0 ～7． 5 m，因此当 H ＞8 m 时，方案设计遵循地面立杆的原则，接触网可以采用腕臂柱柔性简单悬挂、门型梁定位绳简单悬挂方式，其平面效果如图 6 所示。

本次研究重点为 H≤6． 5 m 和 6． 5 m ＜ H≤8 m 两种净空范围，以下通过对各种悬挂方案的深入分析，分别得出推荐结论。

3 净空 H≤6． 5 m 悬挂方案

接触网在低净空主要采用顶板悬挂形式，主要分为刚性悬挂和柔性悬挂两种形式，如图 3 ～图 5 所示。

3． 1 柔性悬挂特点

在平面设计上，锚段布置、跨距设置、道岔布置中，均有明确的标准依据可循，如国标、铁标、地方标准等等，这种优势不仅体现在设计阶段，在后期的系统故障诊断中，也有大量的同类工程可参考借鉴，具有技术资源共享优势^［³^］。

在装配设计上，当柔性接触网净空受限时，多采用倒立柱简单悬挂 + 辅助馈线的方式，其具体装配更是多样化，如腕臂吊索、滑轮吊索、弹性支座等等，相应的结构零件标准也很完善，因此设计可采用多种解决方案。

在接触线下锚设计上，柔性悬挂每股道 12 kN 的接触线均需要一套带补偿功能的下锚装置，在柔性悬挂选用倒立柱方案时，如果下锚采用带坠砣补偿，应设有坠砣限制架，解决该问题可以采取四种措施:

( 1) 采用弹簧或液压补偿器

( 2) 单独立杆 + 坠砣补偿

( 3) 库外建筑结构支柱 + 坠砣补偿

( 4) 库内建筑结构支柱 + 坠砣补偿

3． 2 刚性悬挂特点

刚性悬挂是伴随着为节省净空、适应地下隧道环境而诞生的一种接触网悬挂形式，它由汇流排 + 接触线组成无张力悬挂系统，按正弦波曲线自成拉出值，不再像柔性悬挂需要定位器来设定拉出值，也不再需要考虑受电弓包络线对支持装置限界设计的影响。

在平面设计上，刚性悬挂因接触线无张力而使接触线、汇流排无需寻找下锚空间，这不仅节省下锚装置产生的投资，而且使车辆段接触网的平面布置难度大大降低，简化设计、方便施工及运营管理。

在装配设计上，刚性悬挂形式比较简单，如图 4 所示，主要考虑汇流排上下、左右位置的可调性，如果运用库及场区电化高度为 5 000 mm、维修库 5 700 mm，则按照垂直悬挂理想净空范围计算，上盖顶板底高度应为: 运用库及场区不大于 5 800 mm、维修库不大于6 500 mm，如果带上盖车辆段建筑方案无法满足接触网两种净空要求，采用统一净空高度，则接触网按照最高值设定净空，即不大于 6 500 mm，这也是按 6． 5 m划分带上盖车辆段接触网高低净空的主要原因。

刚性悬挂的另外一个特征就是对低净空的适应能力，最佳安装空间一般不大于 800 mm，因此多应用在隧道内^［⁴^］。

3． 3 柔性悬挂与刚性悬挂的对比分析

作为牵引网的两大主要形式，刚性悬挂在可靠性、美观性方面具有优势，而且可靠性随着运营时间的推移往往更明显; 柔性悬挂的优势在于弓网关系好，随着行车速度的提高，优势是刚性系统无法替代的。在净空 H ≤6． 5 m 的条件下，它们的对比有以下表现^［⁵^－6^］:

3． 3． 1 柔性悬挂的优势

( 1) 在车速一定的情况下，柔性系统的变坡范围大，设计灵活;

( 2) 柔性系统弹性好，并且采用“之”字型布置，弓网关系好;

( 3) 由于车辆段牵引用电负荷低，柔性系统载流匹配性好;

( 4) 安装精度容易控制，方便施工。

3． 3． 2 刚性悬挂的优势

刚性悬挂结构简洁，平面布置相对简化，例如在场区咽喉地段，若采用柔性悬挂，平面布置的最大难点在于接触线下锚设计，由于下锚点密集，寻找下锚空间及下锚立柱比较困难，而刚性悬挂则不存在这个难点。

在安全可靠性方面，一般来讲，越复杂的系统，其可靠性越低。在地铁车辆段中，柔性悬挂每根接触线承受 12 kN 的张力荷载，所有接触网零部件的设计标准都必须满足 12 kN 张力的系统环境，当任何一个部件出现抗拉、抗剪或抗扭强度问题时，都会导致接触网的运行故障，随着运营年限的增加，系统的零部件若出现疲劳、腐蚀等因素都会降低系统可靠性，因此运营维保工作量大。而刚性系统没有张力制约，接触线断线的机率几乎为零，在满足汇流排允许温升的条件下，系统工作状态比较单一，运行状态相对比较稳定^［⁷^］。

通过以上对比可以发现，尽管柔性悬挂技术成熟、经验丰富、标准体系完善，但刚性悬挂在 H≤6． 5 m 条件下表现出的系统构造、安全可靠性方面的优势，是柔性悬挂无法弥补的，另外柔性悬挂本身所具有的弓网受流优势在车辆段这种低速区段表现不明显。

在地铁工程各机电系统里，接触网可靠性相对较低，因此可靠性通常作为接触网设计的首要考虑因素，当净空 H≤6． 5 m 时，推荐采用刚性垂直悬挂。

4 净空 6． 5 m ＜ H≤8 m 悬挂方案

根据前面的分析，当 H ＞ 8 m 时采用地面立杆的柔性简单悬挂，当 H≤6． 5 m 时采用刚性垂直悬挂，当6． 5 m ＜ H≤8 m 时，由于刚性垂直悬挂优势的弱化，地面立杆方案的可实施性增强，因此接触网存在着三种悬挂方案:

地面立杆、顶板柔性悬挂以及顶板刚性悬挂。

4． 1 研究思路

既然接触网悬挂方案按照三个净空范围进行分类，而且 6． 5 m ＜ H≤8 m 又是三个范围的中间段，那么可以把中间段当作一个过渡段来考虑，从而将 6． 5 m以下及 8． 0 m 以上的研究结论有机结合起来，使方案设计多元化、微分化。

4． 2 方案设计

按照上述思路，当车辆段净空高度处于 6． 5 m ＜H≤8 m 时，如果完全采用一种悬挂方式，情况如下:

若完全采用地面立杆，当车辆段净空为7． 0 m 时，那么在维修库区导高要求为 5． 7 m 的范围里，接触网安装高度为 1． 3 m，这基本属于倒立柱柔性悬挂的最佳安装空间，因此顶板悬挂的优势没有得到应用，并且在这个范围地面立杆，即影响了美观性，又增加了投资^［⁸^］。

若完全采用顶板柔性悬挂，当车辆段净空接近8 m 时，在运用库区的倒立柱柔性悬挂安装高度接近3 m，这种长吊柱在设计上需要做加强处理，如做斜撑固定或者打拉线，这不仅降低系统可靠性，而且增加投资、影响美观，而且面临着下锚拉线问题。

若完全采用顶板刚性悬挂，当车辆段净空接近8 m 时，所有的悬挂均为高净空吊柱形式，这同样降低系统可靠性，增加投资，而且刚性悬挂吊点密集，长吊柱林立，美观性差。

因此若完全采用其中一种形式，均存在明显的问题，这种情况下可以采用将上述悬挂形式进行组合的方案，对于刚性系统而言，如果在车场区与柔性系统并用，存在多股道刚柔过渡问题，车辆会频繁经受刚柔过渡冲击，这在设计上是不合理的，因此将刚性悬挂排除，再将地面立杆与顶板柔性悬挂两种形式合并使用_^［9］。

4． 3 方案优点

合并后的方案其核心原则是根据不同的净空，采取不同的悬挂方式，这样能够取长补短，体现出以下优势:

4． 3． 1 解决下锚补偿问题

在运用库等 5 m 导高要求的场区，当车辆段净空接近 8 m 时，可以全部采用立杆形式，当净空接近 7 m或者小于 7 m 的时候，可以考虑在股道并行地段采用倒立柱 + 定位绳形式，而在车场咽喉区对下锚点采用地面立杆的形式; 在维修库5． 7 m 导高的范围，上述原则同样适用，根据不同的净空值灵活采用地面立杆或顶板悬挂方案。

4． 3． 2 解决高净空吊柱问题

相比于地面立杆，倒立柱使用的初衷是节约投资，改善轨行区的视野、美观性好。一般倒立柱的高度不超过 1． 5 m，而当净空达到 8 m 时，倒立柱的长度接近3． 0 m，此时不论投资还是美观性方面的问题，都变得比较突出，因此当采用了组合方案时，就避免了长吊柱的出现。

如果取电化高度为变量 X，净空高度为 H，则接触网的安装高度 h = H － X，

( H － X_)min≤h≤( H － X)_max

例如: 假定某车辆段基础资料与本研究一致，则800 mm≤h≤3 000 mm，若倒立柱的最佳安装高度不超过 1． 5 m，则在 1 500 mm≤h≤3 000 mm 的范围里，车辆段完全采用地面立杆方案，此时若轨行区净空高度统一，则高度至少在 7． 2 m 以上^［¹⁰^］。

因此该车辆段有:

当 H ＞7． 2 m 时，车辆段完全采用地面立杆形式;

当 6． 5 m ＜ H≤7． 2 m，车辆段采用地面立杆与顶板悬挂相结合的形式。

从本计算可知，净空高度分界值根据工程具体情况会发生变化，但计算原则通用。

4． 3． 3 悬挂配置与美观性得到最大优化

这种根据净空值可以调整的悬挂方案，将地面立杆和顶板悬挂结合起来，既发挥了支柱便于下锚、适应高净空的优势，也体现了顶板悬挂节约投资、美观性好的特点，美观性与投资都控制在最优程度，资源得到最优化配置。

5 结论

H≤6． 5 m，采用刚性悬挂;

6． 5 m ＜ H≤8 m，采用地面立杆与顶板悬挂相结合的方式;

H ＞ 8 m，采用地面立杆腕臂柱悬挂。

带上盖车辆段的净空高度值是接触网悬挂方案的重要决定因素，因此只有土建专业提供稳定的净空值，才能决定接触网稳定的悬挂方案。

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