高速鐵路弓網(wǎng)關(guān)系模擬試驗(yàn)研究

王亞春，陳立明，楊才智

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081)

高速鐵路弓網(wǎng)關(guān)系的研究主要是研究不同工況下受電弓滑板與接觸線之間的相互作用行為特性，其受到機(jī)車(chē)運(yùn)行速度、弓網(wǎng)電流、弓網(wǎng)接觸力等多個(gè)參數(shù)的相互影響。由于受列車(chē)運(yùn)行成本以及時(shí)間等因素限制，很難在線路上具體研究各個(gè)參數(shù)對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系的影響，建立模擬弓網(wǎng)關(guān)系的試驗(yàn)方法尤為必要。

為了研究弓網(wǎng)關(guān)系特性，國(guó)外在實(shí)驗(yàn)室建立了模擬弓網(wǎng)關(guān)系的試驗(yàn)臺(tái)[1]。意大利米蘭理工大學(xué)建立了研究受電弓滑板磨耗情況和靜態(tài)弓網(wǎng)受流特性的試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)直徑4 300 mm圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度模擬機(jī)車(chē)的運(yùn)行速度，一般試驗(yàn)速度不大于250 km·h-1。在磨耗試驗(yàn)時(shí)，與接觸線對(duì)磨的滑板并非安裝在真實(shí)的受電弓上，而是通過(guò)液壓裝置和電機(jī)使受電弓滑板左右平移模擬接觸網(wǎng)拉出值，未考慮受電弓在實(shí)際線路時(shí)的激振特性。日本也在實(shí)驗(yàn)室建立了受電弓綜合試驗(yàn)裝置，將接觸線安裝在直徑3 180 mm的圓盤(pán)上，受電弓安裝在1個(gè)垂直振動(dòng)的液壓振動(dòng)臺(tái)上，試驗(yàn)臺(tái)圓盤(pán)最大轉(zhuǎn)速為350 km·h-1，水平移動(dòng)范圍為±200 mm，周期為30 s，因試驗(yàn)臺(tái)的2個(gè)運(yùn)動(dòng)方向不關(guān)聯(lián)，無(wú)法模擬列車(chē)運(yùn)行速度與接觸網(wǎng)拉出值之間的關(guān)系。

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，最高設(shè)計(jì)運(yùn)行速度已達(dá)350 km·h-1，而在不同速度、不同材料等參數(shù)下受電弓滑板和接觸線的使用壽命存在較大差別；不同線路的服役工況對(duì)弓網(wǎng)磨耗性能也有較大影響，且這種影響目前尚不清楚，影響了受電弓滑板和接觸網(wǎng)的使用壽命。因此，很有必要在實(shí)驗(yàn)室建立模擬高速鐵路弓網(wǎng)關(guān)系的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)備，系統(tǒng)研究高速鐵路的弓網(wǎng)關(guān)系，為評(píng)估不同參數(shù)下的受電弓滑板和接觸線的使用壽命提供指導(dǎo)。

本文基于弓網(wǎng)接觸特性，通過(guò)理論分析和有限元數(shù)值模擬，研究高速鐵路弓網(wǎng)關(guān)系的模擬試驗(yàn)方法，在實(shí)驗(yàn)室建立可以模擬不同參數(shù)的高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)，并與實(shí)測(cè)線路的接觸線磨耗進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，為評(píng)估不同參數(shù)下受電弓滑板和接觸線的使用壽命奠定了基礎(chǔ)。

1 弓網(wǎng)接觸特性

弓網(wǎng)接觸是受電弓滑板和接觸線兩種不同介質(zhì)相互滑動(dòng)接觸并傳輸電流的物理、化學(xué)現(xiàn)象[2-5]。機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)，受電弓滑板與接觸線接觸除了存在接觸電阻、接觸溫升和接觸融焊外，還會(huì)出現(xiàn)摩擦、磨損等問(wèn)題。

在微觀上，受電弓滑板與接觸線的接觸區(qū)域是由大小不同、分布不均勻的接觸點(diǎn)構(gòu)成。這些接觸點(diǎn)既承擔(dān)著弓網(wǎng)的接觸力、摩擦力，也作為弓網(wǎng)電流流過(guò)的載體。無(wú)論是電流產(chǎn)生的焦耳熱還是機(jī)械功產(chǎn)生的熱量，都會(huì)引起接觸線和滑板材料性能的改變。當(dāng)其性能不能繼續(xù)承受載荷時(shí)，接觸點(diǎn)遭受破壞，接觸區(qū)域形成新的接觸點(diǎn)承受載荷，如此形成了滑動(dòng)受流接觸條件下的磨損行為。

接觸電阻是表征弓網(wǎng)電接觸特性的參數(shù)，對(duì)于點(diǎn)狀接觸的粗糙表面，接觸電阻Rc為

(1)

式中：β1為接觸線材料的電阻率；β2為受電弓滑板材料的電阻率；H為接觸硬度；n為接觸線與受電弓滑板之間接觸點(diǎn)的個(gè)數(shù)；F為弓網(wǎng)接觸力。

通過(guò)式(1)可看出，接觸電阻除了與接觸線和受電弓滑板的材料性能有關(guān)，還與弓網(wǎng)接觸力的大小有關(guān)。弓網(wǎng)接觸力越大，接觸電阻越小，產(chǎn)生的焦耳熱也就越小。但是隨著弓網(wǎng)接觸力的增大，接觸線與滑板間的摩擦力也就越大，產(chǎn)生的能量也就越大。調(diào)整弓網(wǎng)接觸力的大小應(yīng)考慮多方面因素，我國(guó)電氣化鐵路弓網(wǎng)的靜態(tài)接觸力一般為80 N左右，當(dāng)機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)，受線路情況、風(fēng)速等影響，弓網(wǎng)接觸力將會(huì)實(shí)時(shí)變化。特別是當(dāng)機(jī)車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，受電弓與接觸線相互激勵(lì)形成波幅較大的振動(dòng)波，弓網(wǎng)接觸力也會(huì)隨之劇烈變化。如遇到接觸線不平順等情況，甚至?xí)霈F(xiàn)“弓網(wǎng)離線”現(xiàn)象，弓網(wǎng)間產(chǎn)生燃弧，直接影響受流質(zhì)量[6-9]。

因此，模擬高速鐵路弓網(wǎng)關(guān)系不僅需要模擬機(jī)車(chē)運(yùn)行速度、接觸網(wǎng)拉出值、弓網(wǎng)電流等，還需要研究弓網(wǎng)關(guān)系中較重要指標(biāo)之一的弓網(wǎng)接觸力。

2 模擬試驗(yàn)方法

我國(guó)高速鐵路設(shè)計(jì)運(yùn)行速度為350 km·h-1，從實(shí)驗(yàn)室模擬及發(fā)展研究考慮，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)設(shè)備最高模擬速度確定為500 km·h-1。在此速度下，接觸網(wǎng)的振動(dòng)幅度、弓網(wǎng)接觸力、供電電流、受電弓受力等將有明顯的變化。設(shè)計(jì)的高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)的能力應(yīng)能滿足正常工況下這些參數(shù)的試驗(yàn)需求，并同時(shí)能夠完成線路不平順等極限工況的模擬。

2.1 動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度及接觸網(wǎng)拉出值的模擬

受電弓滑板與接觸線之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有2個(gè)(如圖1所示)，一個(gè)是動(dòng)車(chē)組運(yùn)行產(chǎn)生的沿線路方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是由于接觸網(wǎng)“之”字形布置產(chǎn)生的沿線路垂直方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。為模擬動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行速度，將接觸線安裝在1個(gè)旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)上，通過(guò)圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)模擬動(dòng)車(chē)組運(yùn)行。模擬受電弓滑板與接觸網(wǎng)之間沿線路垂直方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，有2種方案：一種是受電弓平動(dòng)，圓盤(pán)只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；另一種是受電弓不動(dòng)，圓盤(pán)平動(dòng)。

圖1 受電弓滑板與接觸線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖

因接觸網(wǎng)是“之”字形架設(shè)的，經(jīng)過(guò)1個(gè)跨距后，受電弓滑板將反向運(yùn)動(dòng)，若要完全模擬這樣的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，受電弓滑板的平動(dòng)需要在換向時(shí)瞬間改變運(yùn)動(dòng)方向并勻速運(yùn)動(dòng)，換向時(shí)受電弓承受的加速度無(wú)窮大。而在試驗(yàn)中，這是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，受電弓滑板只能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成啟動(dòng)、加速、減速、反向啟動(dòng)過(guò)程。設(shè)受電弓滑板與接觸網(wǎng)之間沿線路垂直方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)由勻加速、勻速和勻減速運(yùn)動(dòng)3段構(gòu)成。且為盡量真實(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)，需要在設(shè)備驅(qū)動(dòng)能力范圍內(nèi)使勻速時(shí)間盡量長(zhǎng)，加速、減速的時(shí)間盡量短。在運(yùn)動(dòng)變向時(shí)，則受電弓的加速度a為

(2)

式中：v滑板為受電弓滑板與接觸網(wǎng)之間沿線路垂直方向相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度；t為受電弓滑板勻加速、勻速和勻減速運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間；t1為受電弓滑板勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。

設(shè)接觸網(wǎng)的跨距為50 m，拉出值為±300 mm。為滿足接觸線與受電弓滑板之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，當(dāng)動(dòng)車(chē)組速度為500 km·h-1，受電弓滑板在1個(gè)跨距內(nèi)用時(shí)0.36 s完成600 mm的平動(dòng)，則平動(dòng)速度為1.67 m·s-1。設(shè)受電弓滑板有1/2時(shí)間做勻速運(yùn)動(dòng)，其余時(shí)間做加、減速運(yùn)動(dòng)，則當(dāng)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度為500 km·h-1時(shí)，由式(2)得出的受電弓最大加速度為18.56 m·s-2。

若采用方案1：

已知某種型號(hào)受電弓質(zhì)量128 kg，則根據(jù)牛頓第二定律，得到方案1下受電弓所受的慣性力為2.4 kN。如果加、減速時(shí)間更短，那么慣性力將更大。

上述計(jì)算表明，采用方案1時(shí)，驅(qū)動(dòng)受電弓運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力至少達(dá)到2.4 kN，而且該力作用在受電弓側(cè)向，超出了受電弓的承受側(cè)向力的范圍。

若采用方案2：

此方案將圓盤(pán)安裝在1個(gè)基座上，基座下面是導(dǎo)軌，圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，沿導(dǎo)軌作水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。基座與導(dǎo)軌的滑動(dòng)摩擦力Ff為

Ff=kFN

(3)

式中：k為摩擦系數(shù)，導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)通常取0.002～0.003；FN為圓盤(pán)和基座的重力。

為減輕圓盤(pán)和基座的質(zhì)量，圓盤(pán)主體采用高強(qiáng)度鋁合金材料，內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，圓盤(pán)重900 kg。圓盤(pán)和基座共重3 000 kg，在導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)取0.003時(shí)最大滑動(dòng)摩擦力約為90 N。因此，只要配置合適的作動(dòng)器，即可滿足動(dòng)力要求。

圓盤(pán)和基座通過(guò)螺栓連接，質(zhì)量為900 kg的圓盤(pán)在方案2下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)所承受的慣性力為17 kN。旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)與基座可通過(guò)多個(gè)高強(qiáng)度螺栓連接即滿足要求。

受電弓平動(dòng)、圓盤(pán)只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，受電弓平動(dòng)產(chǎn)生的慣性力較小，但也超出了受電弓承受側(cè)向力的范圍。受電弓不動(dòng)、圓盤(pán)平動(dòng)，雖然圓盤(pán)平動(dòng)產(chǎn)生的慣性力較大，但是可通過(guò)多個(gè)高強(qiáng)度螺栓連接滿足要求。因此，選擇受電弓不動(dòng)、圓盤(pán)平動(dòng)模擬弓網(wǎng)拉出運(yùn)動(dòng)。

2.2 接觸網(wǎng)振動(dòng)及動(dòng)車(chē)組振動(dòng)的模擬

我國(guó)高速鐵路接觸網(wǎng)采用簡(jiǎn)單鏈型懸掛或彈性鏈型懸掛，接觸網(wǎng)具有彈性，即在受電弓抬升力的作用下接觸線會(huì)有抬升，接觸網(wǎng)的這種振動(dòng)特點(diǎn)直接影響弓網(wǎng)的接觸狀態(tài)與受流。另外，動(dòng)車(chē)組在運(yùn)行中受到來(lái)自線路及環(huán)境等方面載荷的作用將發(fā)生振動(dòng)，安裝在動(dòng)車(chē)組車(chē)頂?shù)氖茈姽瑢⒏S其振動(dòng)而振動(dòng)。我國(guó)高速鐵路接觸網(wǎng)的彈性差異系數(shù)由基礎(chǔ)設(shè)施管理部門(mén)確定，雖然一般線路的接觸網(wǎng)彈性較小，受電弓振動(dòng)也較小[10]，但是需要在試驗(yàn)中模擬極限工況下的弓網(wǎng)接觸，即接觸網(wǎng)的振動(dòng)和受電弓的振動(dòng)。

為模擬接觸網(wǎng)的振動(dòng)，試驗(yàn)中將圓盤(pán)安裝在1個(gè)作動(dòng)器上，通過(guò)圓盤(pán)的垂向運(yùn)動(dòng)模擬接觸網(wǎng)的振動(dòng)。為模擬動(dòng)車(chē)組振動(dòng)對(duì)受電弓的影響，將受電弓安裝在1個(gè)液壓激振臺(tái)上，將采集的實(shí)測(cè)軌道不平順輸入液壓激振臺(tái)的控制器，使圓盤(pán)按照實(shí)際的軌道不平順振動(dòng)。當(dāng)受電弓滑板與圓盤(pán)上的接觸線接觸時(shí)，受電弓和圓盤(pán)在豎直方向同時(shí)振動(dòng)并發(fā)生相互作用，為驗(yàn)證這種模擬方法的可行性及這種相互作用對(duì)圓盤(pán)安全性的影響，建立圓盤(pán)與受電弓相互作用的非線性動(dòng)力學(xué)有限元模型如圖2所示。圖中：A，B，C，D為圓盤(pán)最外緣的4個(gè)觀察點(diǎn)。

圖2 圓盤(pán)與受電弓相互作用的動(dòng)力學(xué)模型

設(shè)受電弓和圓盤(pán)上的接觸線始終保持接觸，接觸力最大約300 N，受電弓在豎直方向保持頻率為0～10 Hz、幅值為±100 mm的運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)受電弓運(yùn)動(dòng)的頻率為10 Hz時(shí)，比較接近圓盤(pán)振動(dòng)的頻率。為觀察在受電弓作用下圓盤(pán)的穩(wěn)定性，在接觸力10 Hz時(shí)，圓盤(pán)最外緣A，B，C，D這4個(gè)位置在垂直于盤(pán)面方向的位移時(shí)程曲線如圖3所示。從圖3可以看出：當(dāng)接觸力正好作用在觀察點(diǎn)時(shí)，圓盤(pán)位移曲線有向上的脈沖，但幅值較小，最大豎向位移為0.05 mm，說(shuō)明受電弓和圓盤(pán)在豎直方向同時(shí)振動(dòng)并發(fā)生相互作用，不會(huì)對(duì)圓盤(pán)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

2.3 高速弓網(wǎng)試驗(yàn)臺(tái)及其基本參數(shù)

根據(jù)上述模擬方法，設(shè)計(jì)的高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示。高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)由主機(jī)(含圓盤(pán)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、制動(dòng)裝置等)、受電弓、受電弓激振臺(tái)、測(cè)量與監(jiān)控裝置等部分組成。同時(shí)還包括其他輔助系統(tǒng)，如安全防護(hù)裝置、通風(fēng)除塵系統(tǒng)、輔助試驗(yàn)電源、液壓冷卻系統(tǒng)。

圖3 受電弓作用下圓盤(pán)上觀察點(diǎn)的位移—時(shí)間歷程曲線

圖4 高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)

高速弓網(wǎng)試驗(yàn)臺(tái)的基本參數(shù)如下。

試驗(yàn)速度參數(shù)：試驗(yàn)速度范圍為0～500 km·h-1，0～500 km·h-1的加速時(shí)間為50 s。

圓盤(pán)平動(dòng)參數(shù)：振幅為±350 mm，平動(dòng)最大加速度為2g(g為重力加速度)。

圓盤(pán)垂直振動(dòng)參數(shù)：振幅為±100 mm，頻率為0～10 Hz，波形為正弦波、隨機(jī)波或?qū)嶋H接觸網(wǎng)振動(dòng)譜。

受電弓激振臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)：振幅為±75 mm，頻率為0～10 Hz，波形為正弦波、隨機(jī)波或?qū)嶋H動(dòng)車(chē)組振動(dòng)譜。

試驗(yàn)電流測(cè)量范圍：0～1 000 A。

2.4 試驗(yàn)臺(tái)性能驗(yàn)證

通過(guò)極限工況的模擬試驗(yàn)可以驗(yàn)證高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)的性能，而模擬極限路況的難點(diǎn)在于模擬接觸網(wǎng)振動(dòng)。為了驗(yàn)證通過(guò)圓盤(pán)上下振動(dòng)模擬接觸網(wǎng)振動(dòng)試驗(yàn)方法的可行性，進(jìn)行以下試驗(yàn)。

設(shè)置高速弓網(wǎng)試驗(yàn)臺(tái)圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為500 km·h-1，弓網(wǎng)靜態(tài)接觸力為70 N，假設(shè)接觸線的彈性振動(dòng)波形為如圖5所示的目標(biāo)波形，振動(dòng)周期為0.36 s，振動(dòng)幅度為-2～10 mm。試驗(yàn)同時(shí)，還通過(guò)傳感器測(cè)量弓網(wǎng)接觸力，得到的圓盤(pán)垂向運(yùn)動(dòng)的波形(圖5中的響應(yīng)波形)和弓網(wǎng)接觸力的時(shí)間歷程如圖5所示。從圖5可以看出：圓盤(pán)振動(dòng)的響應(yīng)波形趨近于接觸線振動(dòng)的目標(biāo)波形，整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)0.05 s，并且每個(gè)周期的系統(tǒng)響應(yīng)波形基本一致，具有較好的重復(fù)性；弓網(wǎng)接觸力隨圓盤(pán)的抬升而減小，隨圓盤(pán)的下降而增加，趨勢(shì)明顯。

圖5 接觸線振動(dòng)、圓盤(pán)垂向運(yùn)動(dòng)及弓網(wǎng)接觸力的時(shí)間歷程

試驗(yàn)證明，高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)具有模擬目標(biāo)信號(hào)的能力，同時(shí)具有監(jiān)控采集相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。

3 比對(duì)試驗(yàn)

3.1 京滬高鐵接觸線磨耗的實(shí)測(cè)情況

為了比對(duì)高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)與實(shí)際線路的磨耗數(shù)據(jù)，對(duì)京滬高鐵接觸線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。京滬高鐵正線使用的接觸線型號(hào)為CTMH150，標(biāo)稱(chēng)截面高度為14.40 mm。于2011年6月30日開(kāi)通，按每天150對(duì)車(chē)運(yùn)行計(jì)算，則京滬高鐵接觸線磨耗為10.95萬(wàn)弓架次/年，至實(shí)測(cè)日期2014年6月30日時(shí)接觸線磨耗約為33萬(wàn)弓架次，至2014年11月24日時(shí)接觸線磨耗約為37萬(wàn)弓架次。

2014年6月30日，實(shí)測(cè)得到京滬高鐵德州東—濟(jì)南西區(qū)間、1599#—1602#支柱間接觸線的截面高度為14.26～14.34 mm，平均截面高度為14.30 mm。接觸線磨耗截面積為0.159 67 mm2，接觸線的磨耗比為0.005 mm2/萬(wàn)弓架次。

2014年11月24日，實(shí)測(cè)得到京滬高鐵德州東—濟(jì)南西區(qū)間、0775#—0800#支柱間接觸線的截面高度為14.25～14.28 mm，平均截面高度為14.27 mm。接觸線磨耗截面積為0.236 51 mm2，接觸線的磨耗比為0.006 mm2/萬(wàn)弓架次。

從測(cè)量數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，接觸線的磨耗量即使是在同一區(qū)間內(nèi)也是有變化的。

3.2 比對(duì)試驗(yàn)方案

接觸懸掛系統(tǒng)包括接觸線、承力索、吊弦、定位器以及其他零件，既有均布質(zhì)量，又有集中質(zhì)量，是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，動(dòng)車(chē)組每一次的運(yùn)行狀態(tài)也都不同。精密的定量模擬3年來(lái)京滬高鐵接觸網(wǎng)磨耗過(guò)程是十分困難的，因此設(shè)計(jì)比對(duì)試驗(yàn)為模擬接觸網(wǎng)磨耗的平均狀態(tài)。

京滬高鐵接觸網(wǎng)接觸線張力正線主要采用CTMH150型高鎂銅合金接觸線，該線主要生產(chǎn)工藝為上引連鑄銅鎂合金桿坯，再經(jīng)多模拉拔成型，抗拉強(qiáng)度大于500 MPa。為了比對(duì)京滬高鐵磨耗情況，試驗(yàn)時(shí)也采用這種接觸線，受電弓采用京滬高鐵動(dòng)車(chē)組上的其中一種型號(hào)為T(mén)SG19型的受電弓，對(duì)磨的滑板為純碳滑板。

試驗(yàn)時(shí)，模擬動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度始終為300 km·h-1，模擬高速正線區(qū)段接觸網(wǎng)跨距為50 m，拉出值為±200 mm。根據(jù)京滬高鐵主力車(chē)型CRH380A型動(dòng)車(chē)組的牽引總功率9 600 kW，求得牽引電流為384 A，試驗(yàn)電流選用該電流值。

為模擬接觸網(wǎng)振動(dòng)，進(jìn)行接觸網(wǎng)的彈性測(cè)試：①在京滬高鐵徐州東—棗莊西區(qū)段上行線，測(cè)試2364#—2368#支柱間二跨距接觸網(wǎng)的組合張力為20 kN+31.5 kN，彈性分別在0.261～0.294和0.258～0.290 mm·N-1之間，彈性差異系數(shù)分別為6.12%和5.88%。②在棗莊西—徐州西區(qū)間下行線，測(cè)試2309#—2313#支柱間二跨距接觸網(wǎng)的組合張力為20kN+33kN，彈性分別在0.286～0.313和0.280～0.317 mm·N-1之間，彈性差異系數(shù)分別為4.51%和6.20%。③在棗莊西—蚌埠南區(qū)段，徐州西站下行線，測(cè)試113#—117#支柱間二跨距接觸網(wǎng)的組合張力為20 kN+36 kN，彈性分別在0.255～0.288和0.265～0.294 mm·N-1之間，彈性差異系數(shù)分別為6.08%和5.19%。④在徐州東—宿州區(qū)段下行線，測(cè)試1761#—1765#支柱間二跨距接觸網(wǎng)的組合張力為20 kN+40 kN，彈性分別在0.240～0.260和0.229～0.253 mm·N-1之間，彈性差異系數(shù)分別為5.93%和5.10%。彈性差異系數(shù)較小說(shuō)明線路較為平順，在正常工況下接觸網(wǎng)不會(huì)出現(xiàn)劇烈振動(dòng)。

根據(jù)接觸網(wǎng)的彈性測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)弓網(wǎng)接觸力為157 N時(shí)，接觸線在10 mm范圍內(nèi)振動(dòng)，且振動(dòng)的波形和頻率都無(wú)法完全重復(fù)。因此，在模擬試驗(yàn)中設(shè)置圓盤(pán)以正弦波形上下振動(dòng)，振幅為±5 mm，頻率為1 Hz。

綜合上述，試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 模擬試驗(yàn)參數(shù)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

將試驗(yàn)接觸線截取長(zhǎng)度約13～14 m的試樣，使用校直機(jī)校直后，再用圈圓機(jī)圈成直徑約為4 m的圓圈；在接觸線試樣上等距作24個(gè)標(biāo)記，測(cè)量磨耗前后這24個(gè)標(biāo)記處接觸線的截面高度并取平均值，以便通過(guò)該平均值計(jì)算接觸線磨耗比。

在高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了3組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)接觸線磨耗33萬(wàn)弓架次，與2014年6月30日現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量接觸線磨耗弓架次基本相同。3組試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出：3組試驗(yàn)的接觸線磨耗比分別為0.004，0.004和0.005 mm2·萬(wàn)弓架次-1。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果的比對(duì)，表明模擬試驗(yàn)可以較為真實(shí)地模擬現(xiàn)場(chǎng)接觸線磨耗情況，驗(yàn)證了試驗(yàn)方法和高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)的可靠性。

表2 接觸線磨耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)將接觸線安裝在1個(gè)圓盤(pán)上，通過(guò)圓盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度模擬機(jī)車(chē)的運(yùn)行速度；通過(guò)圓盤(pán)平動(dòng)模擬接觸網(wǎng)拉出值。

(2)為模擬接觸網(wǎng)的振動(dòng)，將圓盤(pán)安裝在1個(gè)作動(dòng)器上，通過(guò)圓盤(pán)的垂向運(yùn)動(dòng)模擬接觸網(wǎng)振動(dòng)。為模擬機(jī)車(chē)振動(dòng)對(duì)受電弓的影響，將受電弓安裝在1個(gè)液壓激振臺(tái)上，將采集的實(shí)測(cè)軌道不平順信號(hào)輸入液壓激振臺(tái)的控制器，使受電弓按照實(shí)際路譜振動(dòng)。試驗(yàn)驗(yàn)證高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)模擬接觸網(wǎng)振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)波形具有良好的跟隨性和重復(fù)性，同時(shí)具有監(jiān)控采集相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。

(3)通過(guò)與京滬高鐵接觸線現(xiàn)場(chǎng)磨耗情況的試驗(yàn)比對(duì)，驗(yàn)證了試驗(yàn)方法和設(shè)計(jì)的高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)臺(tái)的可靠性。

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