基于不同速度等級的鐵路接觸網鏈形懸掛仿真研究

張珹 李亮

摘 要：【目的】研究不同速度等級下鐵路接觸網鏈形懸掛類型和參數對弓網運行狀態的影響?！痉椒ā坎捎糜邢拊抡娣▉斫⒉煌俣鹊燃壪妈F路接觸網鏈形懸掛弓網動態仿真模型。選取不同速度等級與不同接觸懸掛類型的彈性鏈懸掛和簡單鏈形懸掛接觸網系統，建立基于有限元的弓網動態仿真模型，對弓網動態性能進行比較分析?！窘Y果】仿真性能研究結果表明：簡單鏈形懸掛適用于速度為200 km/h的電氣化鐵路。當速度為300 km/h時，彈性鏈形懸掛接觸力的變化更加平順，且波動幅度更小，綜合性能要優于簡單鏈形懸掛?！窘Y論】不同速度等級下，接觸網鏈形懸掛類型和參數對弓網運行狀態有較大影響。

關鍵詞：接觸網懸掛；簡單鏈懸掛；彈性鏈懸掛；弓網動態仿真

中圖分類號：U225.2 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）14-0004-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.001

Simulation Research on Chain Suspension of Railway Catenary Based on Different Speed Grades

ZHANG Cheng1 LI Liang2

（1.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi'an 710043， China;

2.China Railway Qinghai-Tibet Group Co.， Ltd.， Xining 810006， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the influence of catenary suspension type and parameters on the operation status of pantograph and catenary under different speed levels. [Methods] The finite element simulation method was used to establish the dynamic simulation model of catenary suspension under different speed levels， and this paper selects the flexible catenary suspension and simple catenary suspension catenary system with different speed levels and different contact suspension types， and establishes the dynamic simulation model of pantograph and catenary based on finite element to compared and analyzed the dynamic performance of pantograph-catenary system. [Findings] The simulation performance parameter results show that the simple chain suspension is applicable to the electrified railway of 200 km/h. When the speed is 300 km/h， the contact force of the elastic chain suspension changes more smoothly， and the fluctuation range is smaller， and the comprehensive performance is better than that of the simple chain suspension. [Conclusions] The type and parameters of catenary chain suspension have a significant impact on the operating status of the pantograph and catenary under different speed levels.

Keywords：catenary suspension;simple chain suspension; elastic chain suspension; dynamic simulation of pantograph catenary

0 引言

接觸懸掛的弓網系統是由接觸網與受電弓組成的，采用滑動接觸方式來傳輸電能。接觸網延鐵路線路敷設，受電弓安裝在列車機車上方，受電弓和接觸網通過滑動接觸點來傳輸電能，電能質量的優劣決定著電能傳輸效率。在列車高速行駛過程中，弓網關系至關重要。隨著列車運行速度越來越高，對滑動接觸取能的要求也越來越嚴格。研究接觸網系統的弓網動態性能，對保證高速列車的安全運行是十分重要的。

隨著電氣化鐵路里程不斷增加，我國不同速度等級的鐵路網也在不斷完善。電氣化鐵路接觸網分為簡單懸掛、簡單鏈形懸掛、彈性鏈形懸掛等［1］。其中，簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛的應用范圍最廣。研究不同速度等級的接觸網簡單鏈形懸掛或彈性鏈形懸掛的弓網匹配性是非常有必要的。

對接觸網弓網動態性能分析的研究方法有兩種，即實測數據分析研究和計算機仿真模擬研究。實測數據分析研究因獲取現場數據較為困難，要投入大量的人力、物力，不宜作為研究弓網動態性能的主要方法。計算機仿真模擬研究通過建立有限元仿真模型，能方便、快捷地進行系統驗證和參數分析。

目前，國內外學者對弓網匹配性的研究主要是通過計算機構建仿真模型來進行模擬計算的［2］。本研究使用有限元計算軟件來建立不同速度等級的簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛的弓網動態仿真模型，開展不同接觸網鏈形懸掛和不同速度等級的弓網動態仿真研究［3］，對弓網動態評價參數進行分析，通過對比接觸網動態性能評價參數，給出不同類型和速度等級下接觸網弓網系統參數匹配的基本原則，總結歸納速度等級和接觸懸掛參數的合理范圍，為接觸網的合理化設計提供參考依據。

1 系統建立

可采用Ansys、CATMOS、PrOSA、SicatMaster、OSCAR等軟件對接觸網弓網關系進行有限元分析。本研究使用德國BB公司研發的CATMOS弓網仿真軟件來建立兩個半錨段接觸網的仿真模型，錨段數據均為現場實際測量數據。通過設置不同的接觸懸掛參數和速度目標值，來獲取接觸網和受電弓的動態運行參數，據此來評價弓網的運行狀態。

1.1 模型建立

受電弓和接觸網系統是時變非線性系統。列車上的受電弓與接觸網采用的是滑動接觸，二者的摩擦力是非線性的，鏈形懸掛中的吊弦為松弛狀態，定位器存在鉸接點，即受電弓與接觸網的滑動接觸為非線性狀態。因此，對受電弓和接觸網進行動態仿真的重點是對一系列非線性狀態進行建模分析。

根據現場實際工況來設定接觸網的錨段長度、張力、跨距等參數，設置結構高度在前半個錨段發生變化，要與現場實際情況要保持一致。以實際線路接觸網情況來構建接觸懸掛仿真模型，線路接觸網實際情況見表1。

通過CATMOS有限元仿真軟件來構建接觸網彈性鏈懸掛、簡單鏈形懸掛的弓網系統仿真模型［4-5］，仿真模型如圖1、圖2所示。圖1為兩個半錨段的接觸網簡單鏈形懸掛模型，兩端加設中心錨結，中部加設非絕緣關節；圖2為兩個半錨段的接觸網彈性鏈形懸掛模型，兩端加設中心錨結，中部加設非絕緣關節。

1.2 參數標準

德國BB公司研發的CATMOS仿真軟件是利用有限元法的基本思路，對受電弓與接觸網模型進行離散化處理，將接觸網和受電弓系統細分為若干個有限單元，再結合坐標變換，形成整體矩陣方程，從而對節點力和位移進行計算求解，能有效解決受電弓和接觸網復雜的動態計算問題。

結合已運行鐵路的實際情況，建立不同參數的接觸網簡單鏈形懸掛系統和彈性鏈形懸掛系統有限元仿真模型。仿真速度值設為200 km/h、300 km/h兩個等級，接觸線張力設為20 kN，承力索張力設為15 kN，彈性吊索張力設為3.5 kN，其余參數均相同。通過對弓網動態系統進行仿真，并對仿真結果進行對比分析，分別建立兩個半錨段的仿真模型（包括錨段關節、中心錨結等部分），從而實現對弓網系統的仿真研究。弓網系統動態仿真結果的關鍵特征參數包括弓網接觸力、接觸力標準差、定位點最大抬升、允許實際燃弧率等，燃弧率由最小允許動態接觸力來表征。弓網接觸力為0 N時，可能出現接觸線與滑板分離的現象，一般為弓網燃弧的前提。因此，弓網接觸力可作為評價弓網動態性能的重要關鍵參數。評價標準應根據EN 50119—2001、EN 50367—2006、UIC 799—2002中的規定來執行。

2 仿真研究

2.1 弓網受流質量

接觸壓力是評價弓網受流質量的一個重要指標。不同速度等級下彈性鏈形懸掛和簡單鏈形懸掛的弓網接觸壓力仿真結果見表2。

在相同類型的懸掛形式下，隨著速度等級的提高，接觸壓力的最小值減少、最大值增加；當速度為200 km/h時，簡單鏈形懸掛網接觸壓力的最小值為64.26 N、最大值為142.68 N，二者的差值為78.42 N；當速度為300 km/h時，簡單鏈形懸掛網接觸壓力的最小值為46.86 N、最大值為194.77 N，二者的差值為147.91 N。由此可知，在不同速度（200 km/h、300 km/h）下，接觸壓力的范圍變大，變化幅度為69.49N，弓網動態出現受電弓波動加劇的情況。當速度為200 km/h時，彈性鏈形懸掛接觸壓力的最小值為76.70 N、最大值為144.42 N，二者的差值為67.72 N；當速度為300 km/h時，彈性鏈形懸掛接觸壓力的最小值為47.99 N、最大值為185.98 N，二者的差值為137.99 N。由此可知，在不同速度（200 km/h、300 km/h）下，接觸壓力的范圍變大，變化幅度為70.27 N，弓網動態出現受電弓波動加劇的情況。

在相同速度等級下，彈性鏈形懸掛的接觸壓力變化幅度較小。當速度為200 km/h時，簡單鏈形懸掛接觸壓力變化幅度為78.42 N、彈性鏈形懸掛接觸壓力變化幅度為67.72 N；當速度為300 km/h時，簡單鏈形懸掛接觸壓力變化幅度為147.91 N，彈性鏈形懸掛接觸壓力變化幅度為137.99 N；當速度為200km/h時，簡單鏈形懸掛接觸壓力標準偏差為0.14，彈性鏈形懸掛接觸壓力標準偏差為0.11；當速度為300 km/h時，簡單鏈形懸掛接觸壓力標準偏差為0.21，彈性鏈形懸掛接觸壓力標準偏差為0.20。因此，在相同速度等級下，彈性鏈形懸掛接觸力的變化范圍和偏離程度較小，彈性鏈形懸掛弓網的彈性更優。隨著列車速度等級的提高，受電弓和接觸網的動態接觸壓力波動變大，彈性鏈形懸掛受電弓和接觸網的波動情況較簡單鏈形懸掛要小。因此，當速度等級大于300 km/h時，采用彈性鏈形懸掛接觸網結構形式將更有利于受電弓和接觸網的動態運行，提升弓網受流質量，改善弓網運行狀態，從而能有效提升高速列車運行品質和行車安全。

2.2 接觸壓力曲線

在高速滑動中，受電弓和接觸網的動態接觸力會受到受電弓和接觸網的結構參數、靜態時受電弓的抬升力、相對滑動速度及天氣等因素的影響，動態接觸力是表征受電弓和接觸網動力學性能及其載流摩擦磨損性能的重要指標。

速度為200 km/h時，簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛下的弓網動態接觸壓力隨受電弓運行距離（m）變化的仿真結果如圖3、圖4所示。其中，彈性鏈形懸掛接觸壓力的波動比簡單鏈形懸掛要小，弓網運行更平穩。由圖可知，323 m和1 450 m處為中心錨結，該處接觸壓力的波動較大，且彈性鏈形懸掛的波動要遠小于簡單鏈形懸掛。

速度為300 km/h時，簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛下的弓網動態接觸壓力隨受電弓運行距離（m）變化的仿真結果如圖5、圖6所示。其中，彈性鏈形懸掛接觸壓力的波動明顯比簡單鏈形懸掛的小，弓網運行更加平穩。其中，323 m、1 450 m處為中心錨結，該處接觸壓力波動較大，簡單鏈形懸掛中心錨結處的接觸壓力已接近0，有較大的燃弧風險。

由仿真結果可知，速度為200 km/h時，簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛的接觸壓力隨受電弓運行距離增大的波動基本相當，在中心錨結處簡單鏈形懸掛的波動較大；速度為300 km/h時，彈性鏈形懸掛的接觸壓力波動要明顯優于簡單鏈形懸掛，彈性吊索能提高定位點處的彈性，使整個接觸懸掛的彈性得以改善，有利于受電弓和接觸線的滑動接觸，接觸壓力變化更平順，波動幅度小，弓網關系較好。

3 結語

簡單鏈形懸掛結構簡單、適用性強，弓網動態效果較好，適用于速度為200 km/h的電氣化鐵路。當速度為300 km/h時，彈性鏈形懸掛接觸力的變化更平順，且波動幅度小，綜合性能要優于簡單鏈形懸掛。

①在相同速度等級下，彈性鏈形懸掛接觸力的變化范圍和偏離程度均較小。隨著速度等級的提高，受電弓和接觸網的動態接觸壓力波動變大，彈性鏈形懸掛接觸力的波動較簡單鏈形懸掛要小。

②當速度等級大于300 km/h時，接觸網采用彈性鏈形懸掛的結構形式更有利于受電弓和接觸網的動態運行，能提升弓網受流質量，改善弓網運行狀態。

③當速度等級為200 km/h時，簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛的接觸壓力隨受電弓運行距離增大的波動基本相當，在中心錨結處簡單鏈形懸掛波動較大。

④當速度等級為300 km/h時，彈性鏈形懸掛的接觸壓力波動要明顯優于簡單鏈形懸掛方式，這是因為彈性吊索能提高定位點處的彈性，有利于受電弓和接觸線的滑動接觸，弓網關系較好。

參考文獻：

［1］于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網［M］.成都：西南交通大學出版社，2003.

［2］REICHMANN T.Simulation of the interaction between overhead contact line and pantographs with the finite element method［J］.Elektrische Bahnen，2005，103（1）： 69-75.

［3］梅桂明，張衛華，劉紅嬌.不同結構類型接觸網動態特性［J］.交通運輸工程學報.2002（2）：27-31.

［4］李凱.高速鐵路接觸網彈性鏈形懸掛精細化施工技術探討［J］.鐵道建筑技術，2010（7）：11-14.

［5］劉興晨.歐洲高速鐵路接觸網工程建設模式的特點探析［J］.鐵道建筑技術，2012（6）：9-12.