時速160公里剛性接觸網定位點導高偏差研究

東 升

0 引言

我國城市軌道交通發展迅速，由于剛性接觸網系統具有零部件少、斷線故障少及維護工作量小的優點，被廣泛應用于城市軌道交通牽引供電系統[1]。目前國內剛性接觸網運營最高速度達到160 km/h，列車高速運行時，弓網動態性能的優劣直接影響弓網系統的運營安全性。由于施工精度等多方面因素，剛性接觸網定位點導高存在偏差，定位點導高偏差過大導致受電弓運行不平穩，會對弓網動態性能產生顯著影響，因此有必要對160 km/h剛性接觸網定位點導高偏差進行研究。

文獻[2-4]基于有限元理論建立了剛性接觸網與受電弓的仿真模型，并進行了靜力分析與模態分析，得到剛性接觸網的固有頻率，利用弓網耦合模型對跨距、弓頭剛度、弓頭阻尼、懸掛結構等效剛度等弓網參數進行了研究。文獻[5]進行了受電弓靜態抬升力選取，并利用正交實驗法對受電弓結構參數影響弓網受流性能的重要程度進行研究。文獻[6]基于有限元法建立弓網仿真模型，分析了全錨段定位點剛度整體變化以及僅錨段關節處定位點變化時的弓網動態性能。文獻[7-8]將剛性接觸網懸掛結構等效為彈簧結構，受電弓結構等效為質量塊模型，對跨距及懸掛結構剛度等進行了研究。文獻[9]建立了弓網仿真模型，對160 km/h剛性接觸網的跨距、定位點剛度、受電弓結構參數及關節類型進行研究。

目前并無相關文獻對160 km/h剛性接觸網定位點導高偏差進行研究。本文基于有限元理論與力學理論建立剛性接觸網匯流排與懸掛結構的仿真模型，利用弓網仿真模型對160 km/h剛性接觸網不同跨距時的定位點導高偏差進行研究，基于弓網動態性能評價指標，分析比較不同仿真工況的計算結果，得出160 km/h剛性接觸網定位點導高偏差允許值。

1 弓網仿真模型

剛性接觸網由匯流排、接觸線、懸掛與定位結構等組成，接觸線夾持在匯流排中。懸掛與定位結構分為門式懸掛結構與懸臂式懸掛結構。門式懸掛結構通常應用于地鐵直流供電系統中；在速度等級達到160 km/h時，供電系統采用交流制式，絕緣距離增加，此時懸掛與定位結構通常采用懸臂式懸掛結構。剛性接觸網錨段與錨段之間的重疊區段為錨段關節，錨段關節分為交錯式錨段關節及膨脹元件式錨段關節。交錯式錨段關節利用兩錨段剛性接觸網幾何空間存在等高點，并將錨段末端抬高70 mm，保證受電弓從錨段之間順利過渡，本文錨段關節采用交錯式錨段關節。

采用有限元法構建剛性接觸網仿真模型，并對模型進行簡化。仿真建模時，將匯流排與接觸線視為整體結構，采用歐拉梁beam單元建立匯流排仿真模型，如圖1所示。懸臂式懸掛結構仿真模型可采用彈簧與質點結構構建，但在速度較高時，該建模方法與實際結構誤差較大，因此采用梁單元將實際模型簡化處理后進行建模，如圖2所示。

圖1 匯流排仿真模型

圖2 懸臂式懸掛結構仿真模型

通過受電弓與接觸線接觸，獲取電能為機車供電。目前采用的受電弓為單臂、雙四連桿結構，由弓頭、上框架、下臂桿、傳動系統與底架等組成。受電弓仿真模型分為剛柔耦合模型、質點系模型等，考慮計算效率及計算精度，本文采用質點系模型。質點系模型為三質量塊模型，采用質點-彈簧-阻尼結構，如圖3所示（DSA250型受電弓）。

圖3 受電弓三質量塊模型

2 弓網動態性能評價指標

受電弓與接觸線通過接觸力相互接觸，由于弓網系統的振動導致接觸力時刻變化，接觸力過大會導致弓網機械磨耗加劇，零部件振動加劇，影響服役性能；接觸力過小會導致弓網離線，產生電弧，加劇弓網電氣磨耗。因此為保證良好的弓網動態性能，接觸力應在一定范圍內波動。

弓網系統接觸力是時刻變化的，通常使用弓網系統接觸力數理統計值作為評價指標，其主要包括接觸力最大值Fmax、接觸力最小值Fmin、接觸力平均值Fm、接觸力標準偏差σ。文獻[10]對弓網間相互作用的動態性能指標進行了規定：交流供電系統中速度等級v≤200 km/h，Fmax= 300 N，Fmin＞0 N，Fm≤0.000 47v2+90，接觸力標準偏差σ≤0.3Fm。當弓網接觸力為0時，弓網系統出現離線，弓網動態性能較差。弓網系統不存在離線狀態時，接觸力標準偏差越小、最大值越小、最小值越大，則弓網系統受流性能越好。

3 定位點導高偏差研究

建立標準跨距分別為8、7 m的剛性接觸網仿真模型，8 m跨距的錨段長度為497 m，7 m跨距的錨段長度為495 m。目前，針對剛性接觸網定位點導高偏差的研究可以從全錨段定位點導高偏差為正態分布、定位點導高偏差及相鄰定位點的導高偏差控制值入手，由于全錨段定位點導高偏差為正態分布的方式不能有效指導現場施工，因此采用定位點導高偏差及相鄰定位點的導高偏差控制值進行研究。

假定定位點導高為5 300 mm，定位點導高偏差分別為±1、±2、±3、±4、±5、±6、±7、±8、±9、±10 mm，且相鄰定位點的導高偏差分別不超過±1、±2、±3、±4、±5、±6、±7、±8、±9、±10 mm。

3.1 不同標準跨距下導高偏差仿真分析

受電弓以160 km/h速度通過2個8 m跨距的錨段，對接觸力數據進行數理統計，得到接觸力統計值，如表1所示。

表1 標準跨距為8 m的弓網接觸力統計

由表1可知，隨著定位點導高偏差的增大，接觸力最大值增大，最小值減小，標準偏差也增大，這表明弓網動態性能更差。當定位點導高偏差在±6 mm及以上時，接觸力最小值為0 N，表明弓網系統出現離線狀態，弓網之間已經不能良好受流。因此在標準跨距為8 m時，定位點導高允許偏差為±5 mm，且相鄰定位點導高偏差不超過±5 mm。

受電弓以160 km/h速度通過2個7 m跨距的錨段，對接觸力進行數理統計，得到接觸力統計值，如表2所示。

表2 標準跨距為7 m的弓網接觸力統計

由表2可知，隨著定位點導高偏差的增大，接觸力最大值增大，最小值減小，標準偏差也增大，表明弓網動態性能更差。當定位點導高偏差在±8 mm及以上時，接觸力最小值為0 N，表明弓網系統出現離線狀態，弓網之間已經不能良好受流。因此在標準跨距為7 m時，定位點導高允許偏差為±7 mm，且相鄰定位點導高偏差不超過±7 mm。

將不同標準跨距定位點導高存在偏差的弓網接觸力標準偏差進行比較分析，如圖4所示。

圖4 不同標準跨距定位點導高偏差的弓網接觸力統計

由圖4可知，在同一定位點導高存在偏差時，隨著跨距的增加，接觸力標準偏差也增大，弓網動態性能越差。在不同定位點導高偏差的工況下，8 m跨距的接觸力標準偏差均比7 m跨距的接觸力標準偏差大，表明增大跨距需減小定位點導高偏差。

3.2 錨段關節處定位點導高偏差仿真分析

錨段關節是剛性接觸網的薄弱環節，受電弓經過時產生劇烈振動，導致弓網接觸力產生顯著波動。減小錨段關節區段的4組定位點的導高偏差，可減小該區段弓網接觸力的波動，提升弓網受流質量。假定錨段關節區段的4組定位點的導高偏差分別為±1、±2、±3、±4 mm且相鄰定位點的導高偏差分別不超過±1、±2、±3、±4 mm，研究減小錨段關節區段的4組定位點導高偏差的弓網動態性能。

在標準跨距為8 m時，普通區段的定位點導高允許偏差為±5 mm，且相鄰定位點導高偏差不超過±5 mm；在標準跨距為7 m時，普通區段的定位點導高允許偏差為±7 mm，且相鄰定位點導高偏差不超過±7 mm；對比分析不同工況下的弓網動態性能。

對比分析不同工況下的弓網動態性能。對接觸力進行數理統計，得到接觸力統計值，如表3、表4所示。

表3 標準跨距為8 m時錨段關節區段4組定位點的導高偏差弓網接觸力統計

表4 標準跨距為7 m時錨段關節區段的4組定位點的導高偏差弓網接觸力統計

分別對比分析表1～表4可知，在標準跨距分別為8 m與7 m時，與全錨段定位點的導高偏差分別為5 mm與7 mm時相比，在減小錨段關節定位點導高偏差時，其弓網接觸力標準偏差顯著減小，弓網動態性能提升。

4 結論

通過建立受電弓與剛性接觸網仿真模型，研究160 km/h速度下不同標準跨距下定位點導高偏差控制值，得到以下結論：

（1）隨著定位點導高偏差的增大，接觸力波動越劇烈，接觸力最大值增大，接觸力最小值減小，接觸力標準偏差增大，弓網動態性能更差。

（2）160 km/h剛性接觸網在標準跨距為8 m時，定位點導高允許偏差為±5 mm，且相鄰定位點導高偏差不超過±5 mm；在標準跨距為7 m時，定位點導高允許偏差為±7 mm，且相鄰定位點導高偏差不超過±7 mm。

（3）在同一定位點導高偏差下，隨著跨距的增加，接觸力標準偏差增大，弓網動態性能變差。為保證良好的弓網動態性能，增大跨距則需要減小定位點導高偏差。

（4）為保證更加良好的弓網動態性能，應減小錨段關節區段4組定位點的導高偏差，建議工程實施時錨段關節區段4組定位點的導高偏差不超過±3 mm，以保證受電弓的運行軌跡更加平穩。