高可靠性超高速接觸網裝備研究的關鍵技術

張琳

（中鐵建電氣化局集團軌道交通器材有限公司，江蘇 常州 213100）

目前，我國對于高鐵接觸網在大風、嚴寒等復雜氣象條件下服役狀態的研究，多針對于300km/h以下的中低速狀態。值得注意的是，隨著中國軌道交通事業的發展，超高速列車的研制和應用已提上日程，如在2016年已完成的世界首次超高速列車會車試驗，其相對速度達到840 km/h。列車運行速度的提高則對接觸網的服役狀態提出了更高的要求，特別是在大風、嚴寒、雨雪、強酸、強堿等惡劣天氣的環境中，外界因素對接觸網運營安全性的影響將會更加突出。因此，通過對超高速狀態下高鐵接觸網系統的可靠性進行研究，對于提高弓-網系統的受流特性及服役性能具有重要意義。

1 研究難點的分析

高鐵接觸網系統具有跨度大、露天、無冗余等特點，在動車組運行過程中，接觸網的服役狀態會受到多種因素的影響，如外界環境風對接觸網系統的影響、承力索和接觸線受溫度影響出現馳度張力變化、接觸網系統本身的幾何形變、接觸線本身的磨耗等。上述復雜因素會直接影響接觸線的平順性，造成弓網受流質量變差，甚至引起刮弓事故。綜合以上因素，主要技術難點分析如下。

1.1 弓-網動力學模型的建立

弓網系統動力學特性十分復雜，且運行條件惡劣，如何將傳統弓網建模同接觸網的氣動特性、流固耦合理論結合，并考慮零部件故障、接觸線不平順等因素的影響，建立不良狀態和復雜條件下的弓-網系統動力學模型。

1.2 超高速列車弓網多尺度復雜體系下風場耦合機理

列車高速運行時近地風和列車風耦合在一起，受電弓及接觸網表面流動為多尺度非定常分離及渦流流動。目前國內外對接觸網和受電弓處的渦流結構及流動特點尚未展開系統的研究，特別是考慮到弓網結構本身的多體特性和流場環境的復雜性，如何建立弓網多尺度耦合模型將是本課題的研究重點和難點。

1.3 接觸網零部件壽命預測

超高速條件下接觸網系統的振動明顯加劇，直接導致各零部件的工作強度增大，特別在惡劣氣象條件下各零部件的性能明顯下降。由于接觸網零部件多不與振源直接接觸，在超高速運行時，弓網接觸壓力在接觸網各零部件中如何傳遞，考慮大風、覆冰、極寒等不同環境接觸網系統參數下零部件應力分布將是本課題研究的重點。

1.4 特殊環境下接觸網零部件的可靠性

高速鐵路接觸網行業對強腐蝕地區的鋁合金零部件防腐具有一定的研究基礎，但是對于強腐蝕地區銅合金零部件的防腐一直沒有較好的解決方案。接觸網是帶電的高速載流通道，不僅受結構的靜力作用，還受不規則的動態載荷作用，當受電弓與接觸網接觸并高速運行時，受電弓彈簧系統的振動、列車車體的振動以及風力等因素均參與作用，受電弓弓頭會在上下、左右、前后的6個方向產生運動，受電弓的不規則運動會導致接觸網受力復雜，因此對接觸網的結構強度及零部件性能具有較高的要求，嚴寒環境下接觸網零部件材料選擇及制造工藝是行業亟需解決的問題之一。

2 技術研究趨勢

2.1 運行速度400km/h及以上超高速接觸網裝備技術的研究

（1）超高速下弓網的精確建模。目前，弓網模型主要包括線性模型、非線性模型、考慮前后弓弓頭影響的六元受電弓模型和有限元模型等，在超高速運行條件下，現有模型的弓網耦合動力學研究同實際情況存在較大差距。因此，本課題在現有弓網仿真模型的基礎上，考慮復雜條件（風速、車速、溫度、受電弓參數、直線與彎道等）和不良狀態（拉出值變化、接觸線磨損、極端天氣等）模擬，建立復雜條件下和不良狀態下的接觸網有限元模型和受電弓動力學模型以及仿真耦合模型。

（2）超高速下弓網振動關系研究。超高速條件下，接觸網硬點、接觸網彈性不均勻、波動傳播速度等因素對弓網振動的影響將更加明顯，從而造成弓網的不良接觸，引起斷流、刮弓等事故。需基于弓網動力學耦合模型，研究在超高速運行條件下，受電弓所引起接觸線振動在接觸網中的衍射、反射規律，并以車速、波速、波長為變量推導接觸網的波動方程，并接觸網張力、阻尼、剛度等參數對超高速下弓網振動的影響。

（3）空氣動力對弓網耦合的影響。隨著動車組車速的提高，在大風作用下，列車的空氣阻力、升力、橫向力等均迅速增加，造成弓-網受流質量的惡化，嚴重時可導致接觸網舞動、刮弓等事故。第一，隨機風場模擬。采用諧波合成法，編制脈動風速模擬相應程序，以準確描述隨機風場的主要特性，包括脈動風速、平均風速、湍流強度等。第二，基于渦流模擬技術，研究受電弓-接觸網多尺度復雜體系下的空氣流動，分析在脈動、突變、瞬態風載荷作用下超高速鐵路的弓-網受流特性。第三，研究不同車速、風速及風攻角下流場氣流的流動狀況、受電弓及接觸網處的流場及渦流結構，及其形成和發展的機理。第四，研究弓網結構風致振動的空氣的動力學和氣動彈性力學特性，并建立激發失穩振動的氣流形態模型，通過改變車速、風速及風攻角等參數，分析不同參數下接觸網結構的振動特性變化規律。

（4）在線檢測技術及智能接觸網故障診斷系統的研究。車速的提高及惡劣的氣象環境會不可避免的使設備的疲勞壽命受到影響，同時車速的提高會直接造成弓網的接觸壓力增大，引起接觸線表面不平順的磨耗問題，造成接觸網的安全性下降。在發生故障時，應能夠快速、準確的對接觸網的故障位置和類型進行判斷，從而為接觸網的維護提供可靠幫助。第一，建立接觸網各零部件力學模型，分析接觸網各部件動態應力的分布情況及疲勞情況，定位超高速條件下可能對系統安全產生威脅的部件或部件的脆弱部位；第二，基于接觸網各零部件的特性，建立弓網系統耦合模型，分析超高速下弓網系統振動加強對接觸網系統疲勞及壽命的影響；第三，接觸線表面不平順的產生及其發展機理，分析各類接觸線不平順對弓網振動的影響。第四，通過對設計接觸網零部件的智能檢測系統，獲得接觸網零部件的在線監測技術，并設定安全閾值，實現報警功能。

2.2 高速鐵路接觸網零部件耐腐蝕性能的研究

（1）新型耐腐蝕材料在高速鐵路接觸網上的應用。研制出一種安全可靠、結構簡單、穩定性好、實用性強、便于加工和安裝的碳纖維復合材料接觸網裝備，借此來提高公司的綜合實力，增強市場競爭力。主要研究內容有：第一，適用于高速鐵路接觸網零部件碳纖維復合材料的制備；第二，碳纖維復合材料接觸網關鍵零部件的結構設計；第三，碳纖維復合材料接觸網零部件的工藝設計；第四，試驗驗證碳纖維復合材料接觸網零部件的試驗方法及試驗設備研究。

（2）銅合金表面鍍石墨烯防腐處理技術的研究。主要研究內容：第一，石墨烯防腐涂料的制備；第二，銅合金接觸網零部件石墨烯鍍層工藝；第三，表面鍍石墨烯防腐處理銅合金零部件的試驗方法研究。

2.3 嚴寒地區接觸網裝備技術的研究

（1）材料的選擇。在選擇材料時，需要考慮材料在低溫下應具有足夠的強度和充分的韌性、具有良好的工藝性能、加工性能和耐腐蝕性等，其中低溫韌性，即在低溫下防止脆性破壞發生和擴展的能力是最重要的因素。

（2）工藝的研究。根據所選材料和零部件的實際使用情況，合理選擇鍛造、焊接、鑄造等工藝，并對加工工藝進行相關研究，優化模具及加工過程的工藝參數；結合所選材料和加工工藝，對相關接觸網零部件進行熱處理工藝研究。通過對加工工藝和熱處理工藝的研究，使所生產的零部件性能優、質量穩定、工序簡單、能耗低、加工成本低，滿足在低溫環境下的工作需求。

（3）試驗方法的研究。設計嚴寒條件下接觸網零部件試驗，包括低溫破壞、低溫疲勞、低溫沖擊試驗。

3 研究對相關產業的推動作用

針對超高速條件下弓網系統在環境風等復雜條件和接觸網零部件故障等不良狀態下的受流特性進行分析，通過構建弓-網動力學模型，研究超高速條件下弓網系統的空氣動力學特性；建立接觸網零部件的應力分布模型，分析在復雜條件下接觸網零部件的應力分布及其故障監測，從而科學的指導超高速電氣化鐵路弓網的優化設計及運行維護。通過研究將碳纖維材料應用在高速鐵路接觸網上，可擴大碳纖維材料的應用領域，一方面能實現接觸網零部件的輕量化，有效解決接觸網硬點、接觸網彈性不均勻的問題；另一方面，能解決強腐蝕地區部分零件的腐蝕問題。

4 結語

（1）超高速鐵路接觸網研究的難點有弓-網動力學模型的建立、超高速列車弓網多尺度復雜體系下風場耦合機理的揭示、接觸網零部件的壽命預測、特殊環境下接觸網零部件的可靠性研究。

（2）運行速度400km/h及以上超高速接觸網裝備關鍵技術的研究方向主要為超高速下弓網精確建模、超高速下弓網振動關系研究、空氣動力對弓網耦合的影響、在線檢測技術及智能接觸網故障診斷系統的研究。

（3）高速鐵路接觸網零部件耐腐蝕性能的研究方向主要為新型耐腐蝕材料在高速鐵路接觸網上的應用、銅合金表面鍍石墨烯防腐處理技術的研究。

（4）針對嚴寒地區，接觸網裝備的研發方向為材料的選擇、工藝的研究以及試驗方法的研究。