京津城際鐵路法維萊CX 受電弓雙弓運行適應性研究*

李文杰，倪 東，張琳娜，黎 鋒

（1 中國鐵路北京局集團有限公司，北京100860；2 中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司，天津300250）

自2017 年起中國標準動車組列車復興號，率先在我國第一條高速鐵路—京津城際鐵路［1］正式投入運營。經過理論仿真與實車試驗證明，裝備有法維萊主動型受電弓的復興號長編動車組，在速度300 km/h 運營條件下，弓網受流效果良好。為滿足市場需求，增強鐵路競爭力，使京津城際鐵路成為提升京津兩地經濟聚集效應和促進“半小時經濟圈”的重要交通保障，深入研究在現有京津城際接觸網系統條件下，提高京津城際鐵路復興號長編動車組運行時速，具有非常重要的現實意義。

1 研究過程

1.1 接觸網簡單鏈形懸掛適應性理論研究

在對京津城際鐵路接觸網簡單鏈形懸掛［2］理論研究的基礎上，通過對接觸網波動傳播速度、彈性不均勻度等因素的研究，結合京津城際接觸網運維參數，確定京津城際接觸網雙弓運行條件。

1.1.1 京津城際鐵路接觸網參數

（1）接觸網類型：簡單鏈形懸掛。

（2）結構高度：1.6 m。

（3）預留馳度：0.5‰。

（4）承力索規格及張力：型號BzII-120，張力21 kN，參考單位質量1.06 kg/m。

（5）接觸線規格及張力：型號CuMg-120，張力27 kN，參考單位質量1.07 kg/m。

（6）吊弦線：型號Bz-10，參考單位質量0.089 kg/m。

（7）計算跨距：50 m。

（8）吊弦布置：每跨布置5 根吊弦，第1 根吊弦和第5 根吊弦距定位點間距為5 m，其他各吊弦間距為10 m。

（9）拉出值：±300 mm。

1.1.2 京津城際鐵路接觸網波動傳播速度研究

根據京津城際接觸網懸掛的組成及張力體系，波動傳播速度為式（1），可以算得京津城際接觸網的波動傳播速度為574.55 km/h。

式中：C為波動傳播速度，km/h；TCW為接觸線張力，N；mCW為接觸線的線密度，kg/m。

京津城際鐵路列車以350 km/h 的速度運行時，其值相當于接觸網波動傳播速度的61%，符合規范運營速度應當低于波動傳播速度70% 的規定［3］。因此，京津城際接觸網系統在理論上滿足350 km/h 雙弓運行的條件。

1.1.3 京津城際鐵路接觸網彈性不均勻度研究

由于接觸網系統自身結構的原因，簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛的接觸網彈性不均勻度有較大差異。簡單鏈形懸掛設計速度350 km/h 時，接觸網彈性不均勻度不應大于25%；設計速度300、250 km/h 時，接觸網彈性不均勻度不應大于40%；彈性鏈形懸掛接觸網彈性不均勻度不應大于10%［3］。例如，京滬高鐵和滬杭客專采用了彈性鏈形懸掛，通過實際檢測得到接觸網彈性不均勻度約為6% 左右，見表1、表2；京津城際鐵路通過實際檢測得到接觸網彈性不均勻度為33%，見表3。

表1 京滬高速20 kN+31.5 kN 區段接觸網靜態彈性數據

表2 滬杭客專接觸網靜態彈性數據

表3 京津城際靜態彈性測試數據

接觸懸掛彈性不均勻度指標的差異，是導致在其他條件均相同的情況下簡單鏈形懸掛系統最高適應速度比彈性鏈形懸掛系統低的關鍵原因。

接觸懸掛彈性，不僅是評價高速接觸網受流質量的重要指標，也是對高速受流質量產生重要影響的因素，其值表示為式（2）：

式中：P為抬升力或壓力，N；Y為由抬升力P在接觸線上引起的升高，mm；η為接觸線某點處的靜態彈性值，mm/N。

彈性系數僅表示點對點接觸懸掛的彈性性能，不具備懸掛的整體概念，因而對一個跨距或對一個錨段的懸掛而言，一般用彈性差異系數表示。彈性系數K是彈性的倒數［4］。彈性差異系數為式（3）：

為了減小彈性差異，必須盡量使距中部的懸掛和懸掛點處的彈性均勻一致，一般采用彈性鏈形懸掛。

1.2 受電弓模型仿真應用

動車組受電弓主要有被動型受電弓和主動型受電弓2 種，被動型受電弓主要依靠調整受電弓的導流翼片來達到最佳受流狀態，調整難度較大且有時收效甚微。主動型受電弓對接觸網的適應能力更強，對于特定的接觸網和運行速度，依據弓網動態接觸壓力實測數據，通過調整受電弓的靜態接觸壓力可鎖定最佳受流狀態下的靜態接觸壓力值。我國新一代高速動車組（CRH380 型、CR400型）全部采用了主動型受電弓。

弓網動態耦合仿真作為中國高速鐵路牽引供電關鍵技術［5］，基于法維萊CX 受電弓的數學模型，采用弓網耦合仿真系統CPSS（Cantenary/Pantograph Interactive Simulation System）對京津城際鐵路弓網配合關系進行仿真計算。受電弓2 質量塊數學模型如圖1 所示，其參數見表4。研究弓網之間的動態耦合關系，從理論上確定雙弓運行的最高適應速度。

圖1 受電弓2 質量塊數學模型

表4 受電弓2 質量塊數學模型參數

（1）受電弓抬升力輸入值，以70 N 工況為基礎，結合計算結果在60～90 N 范圍內，以5 N 間隔增大或者減少此參數，尋找滿足運營速度要求的對應參數。

（2）雙弓間距參數：209 m。

1.3 京津城際鐵路弓網關系關鍵指標評判標準

1.3.1 接觸線平順性評判標準

接觸線平順性測試參數限值，見表5。

表5 接觸線平順性測試參數限值

1.3.2 弓網受流性能評判標準

為科學合理地評判京津城際接觸網質量和弓網配合質量，選取弓網動態接觸力和弓網燃弧指標作為弓網受流性能評判參數。

（1）弓網動態接觸力

弓網動態接觸力測試按一個跨距為一個分析單位，分析參數有：最大值、最小值、平均值、標準偏差。各參數評判標準如下：

①最大值（N）：Fmax≤Fm+3σ

②最小值（N）：Fmin≥20

③平均值（N）：Fm，max≤0.000 97v2+70，

Fm，min≥0.000 47v2+60，

式中：v為速度，km/h。

④標準偏差（N）：σ≤0.3×Fm

（2）弓網燃弧指標

①最大燃弧時間：Tmax＜100 ms

②燃弧率：μ＜5%

式中：∑tarc為單次燃弧持續時間大于5 ms 的燃弧時間總和；ttotal為測量總時間。

③燃弧次數應小于1 次/160 m。

1.3.3 抬升量

根據京津城際鐵路設計方案，正常運行條件下，接觸網懸掛點處計算和驗證的最大抬升量為100 mm。

2 研究結果及數據分析

2.1 弓網仿真數據

基于復興號法維萊CX 受電弓雙弓運營模式和京津城際的接觸網系統，選取310、320、330、350 km/h 共4 種速度級進行仿真計算，對復興號系列車型的雙弓運行最高適應速度進行研究，并對京津城際鐵路接觸網系統能否長期開行350 km/h 的雙弓運行動車組進行了分析評估。

仿真計算結合CX 受電弓的控制機理以及抬升力的范圍，各速度級仿真受電弓靜抬升力從65～80 N 每5 N 間隔一檔進行仿真計算。通過仿真結果分析表明，在320 km/h 及以下速度條件下，前、后弓各項數據指標均滿足評判標準；在330 km/h以上速度條件下，后弓各項數據指標出現不滿足評判標準的情況，仿真結果見表6。

表6 仿真結果數據表

2.2 實車測試數據

2018 年7 月，使用裝備法維萊CX 受電弓的CR400BF 動車組在京津城際開展了310、320、330、340、350 km/h 速度等級下的雙弓運行弓網受流性能試驗。試驗的主要測試數據見表7。

表7 實車測試數據表

根據試驗數據CR400BF 雙弓受流動車組后弓受流各速度級測試結果如下：

（1）以310 km/h 速度運行時，各項弓網關系關鍵指標符合標準要求，如圖2～圖5 所示。

圖2 壓力曲線圖（310 km/h）

圖3 燃弧時間散點圖（310 km/h）

圖4 燃弧次數散點圖（310 km/h）

圖5 硬點散點圖（310 km/h）

（2）以320 km/h 速度運行時，接觸力標準偏差、燃弧次數超出標準限值，如圖6～圖9 所示。

圖6 壓力曲線圖（320 km/h）

圖7 燃弧時間散點圖（320 km/h）

圖8 燃弧次數散點圖（320 km/h）

圖9 硬點散點圖（320 km/h）

接觸力標準偏差共檢測542 跨，其中有179 跨數據超過50.8 N，最大值為75 N，不符合接觸力標準偏差標準限值：≤50.8 N。

燃弧次數1.74 次/160 m，不符合燃弧次數標準限值：≤1 次/160 m。共檢測49 km，其中38 km數據超過6 次/1 000 m，最大18 次/1 000 m，不符合評判標準。

（3）以330 km/h 速度運行時，最大接觸力、最小接觸力、接觸力標準偏差、燃弧次數、最大燃弧時間超出標準限值，如圖10～圖13 所示。

圖10 壓力曲線圖（330 km/h）

圖11 燃弧時間散點圖（330 km/h）

圖12 燃弧次數散點圖（330 km/h）

圖13 硬點散點圖（330 km/h）

最大接觸力共檢測813 跨，其中有14 跨數據大于334 N，最大值為350 N，不符合最大力標準限值：≤334 N。

最小接觸力共檢測813 跨，其中有9 跨數據小于20 N，最小值為0，不符合最小接觸力標準限值：≥20 N。

接觸力標準偏差共檢測813 跨，其中有228 跨數據超過52.7 N，最大值為80 N，不符合接觸力標準偏差標準限值：≤52.7 N。

燃弧次數：1.86 次/160 m，不符合燃弧次數標準限值：≤1 次/160 m；共檢測75 km，其中63 km 數據超過6 次/1 000 m，最大22 次/1 000 m，不符合評判標準。

最大燃弧時間129 ms，超出最大燃弧時間標準限值：≤100 ms。

（4）以340 km/h 速度運行時，最大接觸力、最小接觸力、接觸力標準偏差、燃弧次數超出標準限值，如圖14～圖17 所示。

圖14 壓力曲線圖（340 km/h）

圖15 燃弧時間散點圖（340 km/h）

圖16 燃弧次數散點圖（340 km/h）

圖17 硬點散點圖（340 km/h）

最大接觸力共檢測227 跨，其中有9 跨數據大于346 N，最大值為368 N，不符合最大力標準限值：≤346 N。

最小接觸力共檢測227 跨，其中有9 跨數據小于20 N，最小值為9 N，不符合最小接觸力標準限值：≥20 N。

接觸力標準偏差共檢測227 跨，其中有170 跨數據超過54.6 N，最大值為79 N，不符合接觸力標準偏差標準限值：≤54.6 N。

燃弧次數3.17 次/160 m，不符合燃弧次數標準限值：≤1 次/160 m。共檢測23 km，23 km 數據均超過6 次/1 000 m，最大27 次/1 000 m，不符合評判標準。

（5）以350 km/h 速度運行時，最大接觸力、平均接觸力、最小接觸力、接觸力標準偏差、燃弧次數超出標準限值，如圖18～圖21 所示。

圖18 壓力曲線圖（350 km/h）

圖19 燃弧時間散點圖（350 km/h）

圖20 燃弧次數散點圖（350 km/h）

圖21 硬點散點圖（350 km/h）

最大接觸力共檢測115 跨，其中有19 跨數據大于359 N，最大值為456 N，不符合最大力標準限值：≤359 N。

平均接觸力共檢測115 跨，其中有21 跨數據大于189 N，最大值為196 N，不符合平均接觸力標準限值：≤189 N。

最小接觸力共檢測116 跨，其中有3 跨數據小于20 N，最小值為12 N，不符合最小接觸力標準限值：≥20 N。

接觸力標準偏差共檢測116 跨，其中有94 跨數據超過56.6 N，最大值為79 N，不符合接觸力標準偏差標準限值：≤56.6 N。

燃弧次數4.11 次/160 m，不符合燃弧次數標準限值：≤1 次/160 m。共檢測12 km，12 km 數據均超過6 次/1 000 m，最大28 次/1 000 m，不符合評判標準。

2.3 數據對比分析結果

基于京津城際鐵路既有接觸網系統和裝備法維萊CX 受電弓動車組雙弓運行工況，通過對弓網關系仿真及實車試驗數據分析，可以得出：

裝備法維萊CX 受電弓動車組以310 km/h 速度雙弓運行時，弓網受流數據正常；以320 km/h 速度運行時，接觸力標準偏差超出50.8 N 的限值；以330 km/h 速度運行時，弓網最大接觸力、最小接觸力、接觸力標準偏差超出限值，在此速度等級仿真結果還出現了接觸力為0 的情形，表明以330 km/h速度運行時燃弧會開始加劇；以340、350 km/h 速度運行時，弓網最大接觸力、平均接觸力、接觸力標準偏差超出標準限值。

3 結 論

通過對京津城際鐵路既有接觸網系統和裝備法維萊CX 受電弓復興號動車組雙弓運行弓網動態仿真及現場實車測試研究表明：

（1）受電弓高速運行時，對接觸網系統的安全影響主要體現在弓網動態接觸力、弓網燃弧以及接觸線抬升量等關鍵指標，其超標后將影響系統壽命和運行安全。

（2）基于京津城際鐵路既有接觸網系統開行裝備法維萊CX 受電弓復興號動車組，雙弓運行最高適應速度為310 km/h，超過該速度運行將會造成弓網動態接觸力、燃弧率指標超出標準要求。