基于移動載荷的弓網系統動態響應特性研究

秦帥韜

（上海鐵路局集團公司南京供電段，上海 200000）

接觸網是一種特殊形式的供電線路，為電力機車提供電能。受電弓是電力機車取流裝置，通過其上的滑板與接觸線滑動接觸，源源不斷的從接觸網上取得提供機車行駛的電能。研究受電弓運行時弓網系統的振動特性，掌握受電弓運行時影響取流的主要因素，制定出適合于我國高速鐵路的跨距，為接觸網的方案設計提供依據。這些問題的合理解決能給我國高速鐵路的建設提供一個良好的理論基礎，對我國鐵路提速具有重大的意義。

1 接觸網懸掛方式

接觸網懸掛目前有簡單鏈形懸掛、彈性鏈形懸掛、復鏈形懸掛三種方式。從高速受流質量、波動傳播速度、多普勒效應、波狀磨耗、離線率比較，彈性鏈形懸掛優于復鏈形懸掛，簡單鏈形懸掛較差；從結構復雜程度、工程造價、維修工作量比較，簡單鏈形懸掛優于彈性鏈形懸掛，復鏈形懸掛較差；從彈性均勻度、受流穩定性、動態抬升量比較，復鏈形懸掛優于彈性鏈形懸掛，簡單鏈形懸掛較差。

三種類型都不具有排他性，只是選用時考慮的側重面不同。接觸線的材質在高速接觸網的組成中占有特別重要的地位，在確定接觸線線型時應注意選取抗拉強度大、重量較輕的優質線材。高速接觸網具有整體效果及輻合性能，應注意消除不均質質點及不均勻張力的現象。除結構問題以外，優良的施工工藝會帶來意想不到的受流效果。

三種懸掛方式如圖1所示：

圖1 三種典型懸掛方式簡圖

2 仿真實驗

2.1 仿真軟件

Workbench計算環境充分考慮了工程、研究人員使用習慣與需求，基于ANSYS經典環境進一步開發而來，也是ANSYS后續最為主要的計算環境。Workbench計算環境更多地考慮了人機交互，使分析計算工作變得更為直觀，結果顯示更為直接，計算配置更為智能，在多物理場耦合方面尤其具有優勢。本次計算采用Workbench計算環境的瞬態分析模塊，分別考慮支撐梁剛度、支撐弦剛度、受電網材質等邊界條件，基于載荷時序關系，模擬受電網在移動載荷作用下的動態響應特性，分別提取各支撐點及最大位移的位移時程特性，對比研究了80km/h、160km/h、240km/h速度下的結果差異性［1－2］。

2.2 仿真設置

2019年1月5日，寧啟鐵路二期工程（南通站-啟東站）正式建成通車。該線路接觸網采用的是簡單鏈形懸掛。承力索為JTMH95高強度銅鎂合金絞線，接觸線為CTS120銅錫合金接觸線。線路運行的是CR200J型動車組，其受電弓型號為TSG20。寧啟二期接觸線外觀如圖2所示，接觸線參數如表1所示：

圖2 CTS120接觸線圖

表1 CTS120接觸線尺寸

為了便于研究，選取4處支柱定位，連續3段跨距（L），每跨內設置5根均分的吊弦來作為研究模型如圖3所示。然后采用單弓取流方式分別以80km/h、160km/h、240km/h瞬時通過來模擬動車組實際運行時各定位點接觸線的振動情況。

圖3 研究模型

2.3 參數設置

通過查閱現場資料及相關文獻［3-6］對模型參數進行如表2設置：

表2 模型參數

2.4 仿真結果

為了便于實驗結果的研究和對比，選取第2處定位點和第2跨跨中吊弦點作為參照。輸入參數后，對V1、V2、V3速度下分別進行仿真實驗。選取經過20s，得到的結果如圖3、圖4所示：

圖3 三種速度下定位點2振動情況對比

圖4 三種速度下跨中定位點振動情況對比

3 結論

通過對兩處定位點接觸線振動情況的對比可以發現，當受電弓以80km/h的速度通過定位點時，振動的相應情況還不是特別的明顯。而速度到達240km/h的時候，定位點接觸線的振幅達到最大，頻率也最高，恢復平衡的時間也最久。所以弓網關系也是限制列車時速的一個重要方面。

簡單鏈形接觸懸掛各定位點彈性差異較大，受力也較為單一不均勻，這樣接觸壓力與接觸導線在接觸點的抬升量以跨距為周期振動的現象表現的較為明顯。尤其在動車組高速運行下，接觸線振動的變化幅度都比較大，對受電弓取流和行車安全都是不利的。

單弓取流時，當受電弓沒有通過定位點的時候，接觸線就處于振動狀態，振動幅值隨著受電弓的接近逐漸變大，最大值通常出現在通過定位點的時刻，之后接觸線仍然處于一系列的振動當中，這是由于前波與反射波相互疊加的原因。但接觸線總的振動趨勢是幅值逐漸變小，最后趨于原來的平衡狀態。由于接觸網各項參數的不同，列車運行速度的不同，以及當時的環境狀況等原因，使得接觸網的振動呈現很大的相異性。

本文對不同的列車運行速度下接觸線的振動情況進行了探討，為日后弓網關系的設計、改善提供了一定的理論支撐。在日常的檢修任務中，必須嚴格按照檢修周期對定位點處的設備進行重點排查，以消除影響行車的隱患。文章在建立模型時為了便于研究，將接觸線“Z”字形布置簡化為“一”字形布置，也存在著一定的局限性。