高鐵接觸網彈性吊索配置方案對弓網受流性能的影響

陳 可

高鐵接觸網彈性吊索配置方案對弓網受流性能的影響

陳 可

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

電氣化鐵路接觸網負責為列車提供持續電能，通常采用施加彈性吊索的方式降低接觸網的彈性不均勻度，提升受流質量。但是，彈性吊索的參數配置一直是工程設計中的難點。針對該問題，本文以我國成渝高速鐵路彈性鏈形懸掛接觸網為研究對象，采用空間梁單元構建接觸網非線性模型，分別以彈性吊索張力、彈性吊索長度、彈性吊弦位置為變量，分析彈性吊索的多種參數組合方式對弓網受流質量的影響。研究結果表明，彈性吊索幾何參數的配置方式對弓網受流質量有較大影響；接觸網的彈性分布曲線較好地解釋了彈性吊索參數對弓網受流質量的影響機理。最后針對我國成渝高鐵彈性鏈形懸掛接觸網提出了彈性吊索參數的建議配置方案。

電氣化鐵路；牽引供電系統；接觸網；受電弓；彈性吊索

0 引言

電氣化鐵路接觸網是架設在鐵路沿線的懸索狀結構系統，負責為高速運行的列車提供持續的電能。通常，接觸網通過與高速滑行的受電弓相互滑動接觸的方式為列車供電。因此，將接觸網和受電弓系統稱為弓網系統，它既是一個電能傳輸設備，又是一個機械設備，需要同時保證其良好的電氣特性和力學特性[1]。

近年來，我國陸續開通了成渝、京滬、滬昆、京張等高速客運專線，高速列車的運行速度不斷提高。電氣化鐵路接觸網示意圖如圖1所示。接觸網在高速運行的受電弓的沖擊下，會發生劇烈振動，從而造成弓網間接觸力的劇烈波動，導致弓網受流質量嚴重惡化，具體表現在兩方面：①接觸力峰值的增大會引起接觸線和受電弓滑板的更多磨損和疲勞破壞，降低弓網系統的服役壽命；②過小的接觸力會使弓網存在分離的風險，導致滑板與接觸線之間產生電弧，引起材料燒蝕和熔融，嚴重的還會導致供電中斷，影響行車安全。

圖1 電氣化鐵路接觸網示意圖

因此，為了提升弓網的受流質量，眾多學者對這一領域進行了研究。文獻[2]構建了接觸網的運動微分方程，并考慮重力因素進行修正；文獻[3]求解接觸網的初始形態，為研究接觸網動態特性提供了條件；文獻[4]構建了多體動力學受電弓模型，分析弓網的動態特性；文獻[5]以提升受流質量為目標，對受電弓參數進行了優化；文獻[6]考慮雙弓運行的特殊工況，分析了雙弓運行時的弓網受流質量；文獻[7]基于簡化載荷譜和雨流計數法，評估了接觸網的疲勞壽命；文獻[8]基于歐拉伯努利梁單元構建了接觸網的運動微分方程，分析不同張力等級下的弓網電能傳輸特性；文獻[9]通過構建弓網和車網聯合仿真模型，分析了車速對弓網接觸電阻的影響；文獻[10]基于GO-FLOW法，對高速鐵路接觸網的系統可靠性進行了分析；文獻[11]采用銷盤式高速載流設備，研究了弓網高速滑動時電接觸摩擦力特性；文獻[12]引入空氣動力的影響，修正弓網運動微分方程，評估了環境風對弓網受流特性的影響。

在以往研究中，針對接觸網結構優化的研究主要集中在提升接觸網的張力等級。然而，受材料極限的影響，接觸網張力不可能無限制增大。因此，在實際高速鐵路工程中，一般采用在接觸網支持處布置彈性吊索，如圖1所示，以降低接觸網的彈性不均勻度。然而，針對彈性吊索布置方案的研究工作開展較少，本文將致力于解決這一問題，尋求彈性鏈形懸掛接觸網彈性吊索的最佳配置方案。

1 電氣化鐵路接觸網三維力學建模

根據虛功和虛位移原理，空間歐拉伯努利梁單元的幾何非線性靜力學方程可以寫為

式中，

明清以來，廳堂當中的幾案、兩列坐椅以及楹聯匾額都是程式化的設置，而盆景、擺花、插屏、書畫等陳設則隨需要添置[7]。盆景、擺花多置于幾案兩側的高花幾或椅子間的茶幾上。此外，軒、館、齋、室等相對小型的建筑室內陳設依功能的不同而異(圖2，3)。若作為書房，則設有書桌、書架、幾案、椅等；若是休息處所，則有榻、幾案、椅；幾案上或置爐瓶三事，或置擺花盆景，其余陳設不一而足(圖4，5)[4]。

式中，

根據有限元方法，將剛度矩陣按照接觸網拓撲結構組裝成整體剛度矩陣。結合集中質量矩陣，從而構建接觸網動力學方程為

2 受電弓模型

本文將受電弓簡化為集中質量模型，如圖2所示。其動力學方程可以寫為

圖2 受電弓集中質量模型

式中，

其中，1、2、3分別為受電弓弓頭、上框架、下框架質量；1、2、3分別為弓頭與上框架、上框架與下框架、下框架與底座的阻尼；1、2、3分別為弓頭與上框架、上框架與下框架、下框架與底座的剛度；1、2、3分別為弓頭、上框架、下框架位移；c為弓網接觸力；p為受電弓的靜態抬升力。

受電弓仿真參數選取為DSA380型高速受電弓，靜態接觸力根據相關標準選取為70N。

3 彈性吊索優化布置方案

彈性鏈形懸掛接觸網的結構參數選取我國成渝高鐵標準跨接觸網。彈性吊索參數主要考慮彈性吊索張力、彈性吊弦距定位點位置和彈性吊索長度，具體物理意義如圖3所示。

圖3 彈性吊索主要優化參數

根據圖3的彈性吊索參數，給出22種彈性吊索優化仿真組合方案見表1，用于分析彈性吊索對弓網動態性能的影響。仿真車速選取為250km/h，運行條件為雙弓受流。根據歐標EN 50367規定[13]，評估受流質量最重要的兩個指標為接觸力統計最小值和標準差。

表1 彈性吊索優化仿真組合方案

前、后弓在不同組合下接觸力的統計最小值和標準差如圖4所示。可以看出，彈性吊索參數組合對前、后弓受流質量的影響規律基本一致。組合方案5的接觸力標準差達到峰值，其接觸力最小值出現0，在實際工程設計中應該嚴格避免。相反，在組合方案7、8、13、14下，前、后弓表現出較好的受流質量。其中，方案7、8、13、14中，前弓接觸力標準差、統計最小值差異較小。但方案8和方案14中，后弓接觸力統計最小值（分別為27.1N和24.1N）與方案7（37.4N）、方案13（30.9N）相比出現降低趨勢。盡管此時方案8和14的后弓接觸力標準差（分別為26.9N和27.4N）與其他兩方案（23.5N、25.2N）相差不大，但仍需警惕后弓離線行為發生的可能性。

圖4 接觸力的統計最小值和標準差

圖5為在不同跨距下彈性吊索組合方案對前弓受流質量的影響。由圖5可見，隨著跨距的增大，同樣彈性吊索方案下前弓標準差、統計最小值變化顯著，方案5接觸力統計最小值甚至出現0，表明在進行彈性吊索方案設計時，跨距也是重要的參考因素之一，對弓網受流質量具有關鍵影響。

圖5 跨距40m、50m前弓受流質量

為了進一步揭示彈性吊索參數對弓網受流質量的影響機理，通過在接觸線不同位置施加垂向= 100N的靜態載荷[14]，計算接觸線各點靜態抬升，從而計算出接觸網的靜態彈性曲線。

圖6為7、8組合方案下的接觸網等效剛度曲線，可以看出，接觸網彈性吊索張力會對接觸網等效剛度曲線產生較大影響，隨著彈性吊索張力的增大，一跨內接觸網彈性曲線更加平滑。為了量化這種影響，引入接觸網彈性不均勻度進行評判，即

式中，和分別為接觸網等效彈性的最大和最小值。接觸網彈性不均勻度直接反映了接觸網在受電弓移動載荷下的動力學特性。

圖7（a）和圖7（b）分別給出了不同組合方案下前、后弓的接觸力標準差和接觸網彈性不均勻度的計算結果。可以看出，前、后弓標準差和接觸網彈性不均勻度呈現出較好的對應關系。接觸網的彈性不均勻度較好地解釋了彈性吊索參數對弓網受流質量的影響機理。由圖4可知，在方案5下前、后弓接觸力最小值均為0。在圖7中，方案5接觸網彈性不均勻度達到了最大值，相應的前、后弓標準差分別上升到37N和68N，表明方案5可造成弓網接觸力出現較大波動，導致受流質量嚴重惡化，與圖4中結論一致。相反，在組合方案7、8、13和14下，前、后弓的標準差相對其他方案明顯較小，此時的接觸網彈性不均勻度也為各種組合方案下的相對較小值，為該彈性鏈形懸掛接觸網的建議優化方案。

4 結論

本文針對成渝高速鐵路彈性鏈形懸掛接觸網的彈性吊索布置方式進行優化，尋找彈性吊索參數的最佳配置方案。首先，基于非線性有限元理論，采用空間梁單元構建了接觸網模型；其次，采用集中參數模型描述了受電弓的動態特性；然后，以接觸力標準差、統計最小值和接觸網彈性不均勻度為指標，評估了不同參數組合下的彈性鏈形懸掛接觸網的動態特性；最后，給出了成渝高鐵接觸網彈性吊索參數的最佳配置方案。研究結果表明，彈性吊索的幾何參數對弓網受流質量有較大影響，具體表現在接觸力波動和統計最小值的大?。磺?、后弓受流質量和接觸網彈性不均勻度呈現出較好的對應關系，接觸網的彈性不均勻度較好地解釋了彈性吊索參數對弓網受流質量的影響機理。針對本文研究的接觸網，在組合方案5下，接觸網彈性不均勻度達到了最大值，在工程設計中應嚴格避免。相反，在組合方案7、8和13下，前、后弓的標準差達到了最小值，接觸網彈性不均勻度也為各種組合方案下的相對最優值，為該彈性鏈形懸掛接觸網的建議配置方案。

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Analysis of pantograph-catenary dynamics considering the influence of stitched wires in electrified railway

CHEN Ke

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd, Chengdu 610031)

Electrified railway catenaries are responsible for the stable transmission of electricity to locomotives. Normally, stitched wires are used to lower the unevenness of elasticity of catenary, which is able to improve current collection quality. But the selection of the stitched wire parameters is very difficult in practical engineering. To deal with this problem, the catenary of Chengdu-Chongqing high-speed railway is selected as analysis object. The nonlinear spatial beam element is used to construct the model of catenary. The stitched wire tension, length of stitched wire and the position of dropper are selected as variables to analyse the effect of stitched wire parameters on the current collection quality. The result shows that the stitched wire has considerable effect on the current collection quality, which can be revealed by observing the elasticity of catenary. The optimization strategy of stitched catenary for Chengdu-Chongqing high-speed railway is suggested.

electrified railway; traction power system; catenary; pantograph; stitched wire

2021-03-29

2021-04-25

陳 可（1984—），男，四川省成都市人，碩士，高級工程師，主要從事高速鐵路弓網關系與牽引供電系統安全性研究工作。