從弓網故障談修訂弓網關系相互作用準則的必要性

劉再民 趙朝蓬

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從弓網故障談修訂弓網關系相互作用準則的必要性

劉再民 趙朝蓬

摘 要：通過剖析一典型連續性高速鐵路弓網關系異常故障案例，分析受電弓、接觸網在動態中的相互耦合關系，在錯綜復雜的弓網運行環境中挖掘出弓網故障形成的根本原因，結合運行經驗，對修改鐵標、建立我國特色弓網關系準則提出建議意見。

關鍵詞：高鐵；弓網關系；準則；修訂；建議

劉再民：中國鐵路總公司運輸局，高級工程師，北京100844

0　引言

高鐵弓網系統運行過程中，無論是接觸網懸掛類型、接觸線的平滑性，以及線路的平順性和環境條件，還是動車組受電弓的動力學特性、滑板狀態、滑板輪廓與接觸網的匹配等，都會對弓網系統的正常運行產生影響，進而發生弓網故障。

針對京滬高鐵動車組受電弓弓角異常磨損故障，通過弓網技術分析、統計歸納分析、邏輯推理分析、故障樹演繹（FTA）分析以及現場試驗驗證等綜合分析方法，在錯綜復雜的弓網運行環境中挖掘出了故障形成的原因并采取改進措施，避免了故障再發。

高速動車組運行對弓網系統耦合關系提出了更高要求，本文通過京滬高鐵弓網關系異常故障案例，分析受電弓、接觸網在動態中的相互關系與作用，對照《軌道交通受流系統 受電弓與接觸網相互作用準則》（TB/T3271-2011），并結合運行經驗，對修改該鐵標的必要性及內容提出建議。

1　京滬高鐵弓網異常故障案例介紹

自2013年以來，上海鐵路局供電部門陸續接到車輛部門發現動車組受電弓弓角異常磨損且受電弓上臂偏斜故障11起。故障發生后，車輛部門對故障動車組進行了扣車處理并采取整組更換受電弓的措施。為確保動車組和接觸網安全運行，防止惡性弓網事故發生，中國鐵路總公司運輸局組織全線弓網聯控單位迅速聯合展開了故障原因初步分析、跟蹤、排查及擴大分析，直至最終解決問題。

圖1　CRH380B L動車組故障圖

2　弓網異常故障及原因分析

2.1故障現象

如圖1所示，受電弓異常刮擦位置均在動車組運行方向受電弓碳滑板右側端頭的部位，受電弓上臂均偏離中心線向運行方向的左側偏斜（圖左），弓角異常磨損（圖右），受電弓碳滑板和弓角右側較左側略有抬高。

2.2故障特征及技術分析

2.2.1故障特征

故障統計情況顯示，故障動車組均為 CRH380BL 車型；受電弓均為法維萊廠家生產的 CX-PG 型受電弓；異常磨損的受電弓均為7車或15車受電弓，多數發生在15車受電弓（下行運行時的后弓），且故障受電弓已積攢一定的運營里程，故障動車組受電弓更換后故障不重復出現。故障動車組運行路徑涉及京滬高鐵全線及相關樞紐。

2.2.2技術分析

（1）從故障受電弓特征分析，受電弓無明顯擊打痕跡，推斷上臂偏斜為受電弓受到持續橫向作用力的后果并與接觸網部件相磨形成異常磨痕。由于受電弓上臂偏斜與碳滑板磨痕故障同時發生，可判斷應非單點擊打所致。

（2）從受電弓與接觸線作用效果分析，CRH380BL受電弓碳滑板寬度1560 mm，若工作支接觸線因拉出值過大，與動車組受電弓發生橫向力作用，則接觸線拉出值至少要達到780 mm（正常值為300±30 mm）以上才能與碳滑板端部接觸，若接觸線拉出值達到780 mm，運行時會立即發生鉆弓、拉網現象，故排除運行中單支接觸線與受電弓作用的情況。

（3）從接觸網結構分析，受電弓碳滑板端頭受到橫向作用力的處所，可能發生在2支接觸線共同作用的錨段關節、線岔等處。因接觸網錨段關節處兩接觸線位于受電弓中部，無法與受電弓碳滑板端頭接觸，故無交叉線岔（京滬高鐵大都采用無交叉線岔）是接觸網排查的重點。

（4）從受電弓結構分析，受電弓動態包絡線動態抬升量為150 mm，左右擺動量直線區段為250 mm、曲線區段為350 mm，正常情況下接觸網在受電弓動態包絡線范圍內應無任何障礙影響受電弓運行，且受電弓碳滑板端頭處弓角高于滑板以便將接觸線順利過渡到碳滑板上完成弓網取流。因此，對于發生碳滑板端頭與接觸網的異常作用力情況，應對碳滑板高度及其在動態受力情況下的抬升量進行重點檢查。

2.3故障事件排查

建立故障樹模型后，根據弓網異常故障樹圖可知，應從接觸網和受電弓兩方面分別對可能引起弓網故障的基本事件展開排查。

2.3.1接觸網事件排查

（1）接觸網故障區段分析。假設接觸網存在固定打弓點，那么該點應位于故障動車組運行徑路的交集處。所有故障動車組運行徑路的交集為京滬高鐵崔馬莊線路所至南京南站間下行線，且大部分故障動車組在徐州東站、南京南站和上海虹橋站停車。所以打弓點應存在于此3個車站中某車站的無交叉線岔處，動車組在該點所車站必然存在同股道運行徑路。經排查，故障動車組在徐州東、南京南、上海虹橋出站處任一站均無交集，則固定打弓點不存在，上述假設不成立。

（2）接觸網設備技術參數測量。根據受電弓故障信息，上海局對所有運行徑路的高鐵車站接觸網技術參數進行全面復測，均未發現接觸網技術參數超標，全部符合設計要求。聯合相鄰鐵路局對京滬高鐵其他區段接觸網進行全面測量，也未發現異常。

（3）接觸網線岔檢查。對京滬高鐵車站接觸網線岔進行排查，發現徐州東、南京南、常州北站的側線進入正線的18號道岔配套的無交叉線岔處的正線接觸導線側面有刮擦痕跡，初步判斷為受電弓弓角刮擦造成。

2.3.2動車組受電弓事件排查

根據故障動車組均為 CRH380BL 車型、受電弓均為法維萊廠家生產的 CX-PG 型受電弓的情況，以該車型受電弓與其他車型受電弓（如 DSA380受電弓）進行技術參數對比為思路開展排查。

（1）動車組受電弓設備檢查。故障發生后，車輛部門對受電弓上臂、碳滑板抬升量檢查均未發現異常。

（2）受電弓局部改造。經進一步了解，2012年上海局 CRH380BL 型動車組在滬杭高鐵運行時多次發生受電弓弓頭和上臂連接點處與接觸網之間存在間歇性摩擦現象，且供電部門檢查接觸網無異常。為此，動車組廠家唐車公司制定了整改方案，把受電弓滑板墊高14.5 mm（弓角未同步墊高）。在裝車試運行1個月后，對所有 CRH380BL 型動車組受電弓均進行了改造，改造后受電弓上臂連接點磨損現象消除。

（3）受電弓排查結論。CRH380BL 車型改造后，CX-PG 型受電弓碳滑板的高度有所抬高，弓角的高度并未同步抬升，碳滑板抬高14.5 mm 改變了受電弓輪廓線的尺寸，不滿足鐵標中關于受電弓輪廓線的要求，而接觸網的技術參數并未改變，導致了近期弓網關系的不匹配（受電弓改造前從未發生類似問題）。

改造后的受電弓在前期運行時，由于新弓弓角的高度略高于碳滑板的高度，在經過無交叉線岔側線進正線時弓角尚能夠將正線接觸線抬高并順利過渡到受電弓碳滑板上，且不會發生弓網故障。 但受電弓運行一段時間后，隨著弓角的磨耗，弓角相對于碳滑板的高度逐漸持平。當受電弓從側線進正線時，正線接觸線被卡在碳滑板右側鋁托板端部，造成受電弓受到異常刮擦、受電弓上臂側向受力向左偏斜。 同時，造成正線接觸網導線側面出現異常刮擦痕跡。

2.4故障分析結果驗證

為驗證上述分析結果的正確性，中國鐵路總公司運輸局進一步對京滬高鐵無交叉線岔、CX-PG 型受電弓技術參數進行了全面對比分析并組織開展了弓網關系匹配試驗。

2.4.1CX型受電弓輪廓線對比分析

根據《軌道交通 受流系統 受電弓與接觸網相互作用準則》（TB/T3271-2011）附錄 A.2受電弓弓頭的推薦輪廓，長度為為1950 mm 的受電弓弓頭尺寸，與歐標UIC608附4a 規定的尺寸一致，國內各車型受電弓均按此設計、生產。

京滬高鐵接觸網設計時只針對DSA380受電弓進行了弓網仿真，原因是開通階段只有 DSA380受電弓的相關參數，而后續上線的法維萊 CX-PG 型受電弓的相關參數一直未開放、未進行弓網動態仿真，法維萊 CX-PG 型受電弓與接觸網匹配性需要進一步研究。

將CX-PG型受電弓中軸線與外側輪廓線（圖2）與歐標《BS EN50367-2006》受電弓輪廓線（圖3）疊加對比分析（圖4）可以看出CX-PG型受電弓碳滑板略高于歐標輪廓線。

圖2　法維萊CX-PG型受電弓輪廓線（單位：mm）

圖3　歐標《BS EN50367-2006》受電弓輪廓線（單位：mm）

圖4　CX-PG型受電弓輪廓與《歐標》輪廓線對比圖（單位：mm）

國內 CX-PG 型受電弓與歐洲原型法維萊 CX-NG 型受電弓受電弓碳滑板相比，CX-PG 型受電弓碳滑板鋁托板部分被切除而變短，弓角處接觸線平滑過渡的重疊區域變小，導致弓網匹配關系裕度減小。

經實測，法維萊1950 mm 型受電弓滑板長度比DSA380受電弓滑板兩端各短50 mm（圖5）。

圖5　CX-PG 型受電弓與 DSA380受電弓滑板對比照片

綜上所述，可以發現 DSA380受電弓、法維萊1950 mm 型受電弓在滑板端部與弓角的配合上不盡相同，其中法維萊1950 mm 型受電弓的配合尺寸最為緊張。

2.4.2京滬高鐵接觸網無交叉線岔結構分析

京滬高鐵無交叉線岔平面布置結構如圖6所示，接觸網道岔定位柱距理論岔心5.8 m，相對于始觸區更靠近道岔閉口側，始觸區1050 mm 處距定位柱約15～18 m，道岔定位柱處側線拉出值為 +400 mm，正線拉出值為 +350 mm。

與國內其他高鐵接觸網無交叉線岔結構相比，CRH380BL 動車組在京滬高鐵下行線由側線經過道岔到正線運行時，受電弓先通過始觸區后再通過道岔定位點，在始觸區處京滬高鐵的側線接觸線位置與其他高鐵線路相比更靠近受電弓端頭，而動車組在其他高鐵區段運行時受電弓先通過接觸網道岔定位點后再通過始觸區，且始觸區更靠近道岔定位柱。

圖6　京滬高鐵無交叉線岔平面布置圖（單位：mm）

可以看出，不同的無交叉線岔布置方式，因受電弓高速過渡的思路不同、弓網匹配的裕量不同，對受電弓動態包絡線的要求各不相同，能夠解釋 CRH380BL 動車組在其他高鐵運行未發生類似故障的原因。

2.4.3CX-PG 型受電弓碳滑板靜態抬升試驗

2013年7月17日和20日，中國鐵路總公司運輸局組織在上海虹橋動車所和北京動車所先后對 CX-PG 型受電弓碳滑板垂向受力時的抬升量進行了仿真模擬試驗。

試驗結論：CX-PG 型受電弓碳滑板在一端受到足夠大垂直向下的壓力或向上的拉力時，碳滑板的另一端抬升量微弱（1～2 mm 左右），可以排除受電弓碳滑板因一端垂向受力，導致另一端抬高與接觸線相磨的情況。

2.4.4京滬高鐵無交叉線岔弓網匹配試驗

2013年7月19日，中國鐵路總公司運輸局組織在京滬高鐵徐州東站無交叉線岔處對 CX-PG 型單滑板受電弓和 DSA-250雙滑板受電弓的弓網匹配關系進行動靜態試驗。

試驗結論：受電弓在經過無交叉線岔時，接觸網各項技術參數均滿足通過要求且始觸區無線夾，通過時接觸網和受電弓匹配關系良好。CX-PG 型受電弓與 DSA-250型受電弓相比，碳滑板一端明顯縮短50 mm，與京滬高鐵無交叉線岔弓網匹配關系裕度小。CX-PG 型受電弓在無交叉線岔第2吊弦處動態運行時，受電弓碳滑板右部端頭鋁托板與正線接觸線存在相磨、卡滯風險。

2.5故障原因與整改措施

2.5.1原因分析

經上述分析可知，本次弓網故障的直接原因為CRH380BL 動車組 CX-PG 型受電弓與京滬高鐵無交叉線岔弓網匹配裕量較小的情況下，受電弓碳滑板墊高14.5 mm（導角未同步墊高），改變了受電弓輪廓線的尺寸，不滿足鐵標 TB2011-3271的受電弓輪廓線要求。致使弓網匹配裕量更小，隨著受電弓弓角動態磨耗的增加，弓網系統匹配關系達到臨界點，導致在無交叉線岔處受電弓與接觸線產生非正常的刮擦生產橫向力作用而擠壞受電弓。

2.5.2整改措施

中國鐵路總公司車輛部和供電部共同組織分析后，采取整改措施如下。

（1）車輛部門迅速對 CRH380BL 動車組受電弓采取修正措施，以唐車公司為責任主體，在法方給出處置意見前（圖7、圖8），對出現問題的運行受電弓進行了過渡性改造，保證現實弓網匹配。

圖7　法方提出和實施的近期改造方案

圖8　法方提出和實施的永久改造方案

2013年8月28日，中國鐵路總公司車輛部和供電部共同組織，對法維萊公司法方提出的受電弓結構改進優化方案進行了評審，對正在線上運行的受電弓逐批改造，新上線動車組按照改進方案加裝。

（2）供電部門對全線接觸網線岔的靜態數據進行檢查檢測，提出檢測數據報告，接觸網設計部門根據檢測數據報告，組織對比分析，總結接觸網相關參數（尤其是無交叉線岔）設計和運行邊界條件規律。

（3）由 CX-PG 型受電弓法國技術方提供目前使用受電弓的9項相關參數，接觸網設計單位同時向對方提供相關參數，用于弓網匹配性仿真研究。

（4）京滬高鐵沿線各鐵路局弓網聯控單位還進一步采取了嚴格控制弓網設計源頭、加強高鐵日常弓網聯控以及強化弓網故障分析工作等預防措施。

（5）供電、車輛部門建立高鐵弓網技術配合聯絡機制，受電弓改造或新型受電弓上線運行時，征求供電部門意見，供電部門應掌握相關情況，及時分析通報信息。同時，為建立高鐵弓網配合技術標準開展相關工作，形成中國高鐵弓網關系技術標準體系。

2.6修改鐵標《受電弓與接觸網相互作用準則》的必要性及相關建議

2.6.1必要性

我國高鐵接觸網經過這些年的實踐探索，已形成了200-250、300-350技術條件體系，各設計院的設計理念及施工圖也基本定型。原準則除了受電弓滑板寬度，其他技術指標基本借鑒歐洲標準。有必要總結經驗教訓，修訂完善準則內容，形成我國特色的受電弓與接觸網相互作用準則。

2.6.2建議修改內容

（1）弓網關系仿真及評估制度。弓網動態關系復雜，是高速鐵路的兩大主要關系之一，在準則中需明確弓網關系仿真的主要技術指標體系，對接觸網、受電弓需要公布的具體技術參數進行明確。需要受電弓開放的主要基礎數據有：受電弓弓頭各部分的幾何外形尺寸、受電弓的質量/彈簧/阻尼數學模型、受電弓靜態接觸力及其與速度的對應關系、與弓網接口相關的型式試驗報告（如靜態接觸力、平均抬升力與列車速度關系的試驗結果）以及開口方向、閉口方向受電弓平均抬升力（靜態接觸力與空氣動力之和）與列車速度的關系曲線。

在工程設計及運行管理上，需建立受電弓準入評估審查制度，對受電弓滑板的準入審查應實行接觸網、受電弓兩專業會審制度，重點審查內容包括受電弓包絡線、靜態壓力等。

（2）目前接觸網分相的配合關系。針對我國多車型、多分相結構、分相區弓網關系配合復雜的現狀，有必要在接觸網分相無電區、中性區、雙弓間距的配合關系在附錄A的A1示意圖的基礎上，進一步明確長度數據，以規范分相、雙弓、多弓的配合關系，在運行中避免雙弓、多弓短接分相。

（3）研究確定受電弓滑板面平整性的技術標準。異常受電弓滑板對弓網關系影響的嚴重性應引起足夠重視，如高鐵接觸網拉出值小，在1950 mm 的受電弓碳滑板頂面中部常常形成寬度約600 mm 的凹形，現場檢查中發現凹形底面距滑板平面高差達10 mm。這種受電弓上線運行，動態中接觸線對受電弓的側向壓力會損壞受電弓，對接觸網而言，通過線岔時可能引起線岔劇烈振動從而引發弓網故障，通過分段絕緣器時可能打壞分段絕緣器導流滑板。現行弓網關系準則描述了受電弓理想狀態下的滑板面，未研究動態下的惡劣情況，而受電弓維修管理技術標準僅規定了滑板磨耗面對底部托架的高度，沒有規定滑板頂面的平整性，應研究明確在對最低磨耗面控制的同時，對滑板面的平整性進行控制，避免滑板面凹凸不平，讓接觸線在滑板面平滑地左右滑動。

（4）研究確定高鐵接觸網拉出值的最佳值。針對前述受電弓碳滑板頂面中部形成寬度約600 mm 的凹形及我國接觸網的小跨距、大張力以及1950 mm 受電弓的有效工作面，考慮動態量等因素，因拉出值太大而跑弓已不是問題，重點是考慮定位器的長度、受力、抬升等因數，從而推薦最佳值，提高受電弓滑板壽命。同時，應研究在碳滑板中部采取耐磨的特殊材料，提高受電弓滑板的壽命，既節約成本又提高安全可靠性。

（5）研究制定無交叉線岔的弓網安全性原則。如規定無交叉線岔處，弓角切入接觸網的區域、側線在正線上方順利通過的原則、定位柱區域、交叉吊弦設置原則等。

（6）鑒于城市軌道交通受電弓與接觸網相互作用有其自身特點，建議相關內容完善后獨立成冊。

（7）成立專家組。弓網關系涉及面廣，動態過程十分復雜。建議成立準則修編的專家組，專家組涵蓋接觸網、機車、車輛設計、施工、運行管理等專業人員，在全面分析我國弓網現狀的基礎上修訂完善準則，建立具有我國電氣化鐵路特色的弓網關系準則。

3　結束語

綜上所述，弓網關系是一個復雜的動態耦合系統，特別是高速鐵路的弓網關系有更多需要深入研究的問題，有必要修訂完善《軌道交通 受流系統 受電弓與接觸網相互作用準則》（TB/T3271-2011），通過規范受電弓、接觸網及其相互關系，實現我國電氣化鐵路弓網關系的標準化、簡統化和安全運行。

參考文獻

［1］ TB10621-2009J971-2009高速鐵路設計規范（試行）［S］.

［2］ TB/T3271-2011軌道交通 受流系統 受電弓與接觸網相互作用準則［S］.

［3］ EN50367-2006Railway applications-Current collection systems-Technical criteria for the interaction between pantograph and overhead line（to achieve free access）［s］.

［4］ 吳積欽. 受電弓與接觸網系統［M］. 四川成都：西南交通大學出版社，2010.

［5］ 金柏泉，吳積欽，李嵐. 我國高速鐵路弓網相互作用特點［J］. 中國鐵路，2011（1）.

責任編輯 凌晨

Necessity of Reviewing Rules for Interface between Pantograph and Catenary Based on Their Failures

Liu Zaimin, Zhao Zhaopeng

Abstract:Through the in-depth study on the typical continuous interaction of pantograph and catenary in an abnormal fault case on high speed railway, the paper analyzes the dynamic coupling interaction between pantograph and catenary, fi nding the essential causes of pantograph and catenary faults developed in the complicated operational environment, taking into consideration of the operation based upon the experiences, the paper modifies the TB norms, puts forward opinions and suggestions on the establishment of criteria and standards for interaction between pantograph and catenary with China’s characteristics.

Keywords:high speed railway, pantograph and catenary, criteria, revision, suggestion

中圖分類號：U223.8

收稿日期2015-12-19