速度350 km/h 高速鐵路接觸網設備服役性能試驗研究

孔龍飛

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

接觸網設施是高速鐵路的重要組成部分，既是高速動車所需電能的供電線路，又是受電弓的滑行通道［1］。為全面掌握速度350 km/h 運營后接觸網設施服役性能隨運營時間增加的變化規律，指導運營組織及完善養護維修，為高鐵安全、運營品質提高及可持續發展提供支撐，進一步明確更高速度條件下需要解決的重點技術難題。有必要對速度350 km/h 運營條件下接觸網設備服役性能進行研究。

高速鐵路接觸網設備可靠性主要由弓網受流性能和接觸網系統零部件的可靠性和耐久性決定，因此，接觸網幾何參數改變（如線岔、錨段關節和分相處工作支接觸線與非接觸支接觸線相互位置改變）［2］，弓網受流性能改變和任何弓網系統中的零部件失效均可能產生弓網故障。

接觸網動態幾何參數、弓網燃弧性能、接觸線動態抬升量及受電弓靜態壓力是接觸網和受電弓相互作用的重要參數。動車組長期以350 km/h 運營，為了解接觸網設備的服役性能，需要跟蹤這些參數隨運營時間增加后的變化規律。

隨著運營速度提高到350 km/h，為掌握受電弓設置的靜態壓力、弓網動態接觸力、弓網燃弧、接觸網零部件所承受的載荷如何變化，以及對接觸網磨耗、滑板磨耗和接觸網零部件的使用壽命造成的影響，有必要系統研究列車提速對接觸網設備服役性能的影響，采取有效措施確保高鐵接觸網的可靠運行。

1 被測受電弓及接觸線

跟蹤測試某型號長編動車組4 臺受電弓靜態壓力和雙弓受流時后弓的動態壓力、弓網燃弧數據。

長編動車組運營時，Ⅰ、Ⅲ位與Ⅱ、Ⅳ位各為一組工作受電弓，如圖1 所示。在試驗運營期間，相鄰兩天內，動車組Ⅰ、Ⅲ位組合與Ⅱ、Ⅳ位組合交替使用，因此兩組受電弓服役里程同步增加。

此動車組安裝CX 型受電弓，如圖2 所示，其是一種單滑板高速受電弓，減輕弓頭質量，提高其跟隨性和受流質量，并且利用列車運行速度、接觸網類型、受電弓運行方向等信息實現主動控制升弓氣囊氣壓，從而減少燃弧的發生。

圖2 CX 型高速受電弓

跟蹤測試接觸網為某350 km/h 速度等級接觸網系統，其重要參數見表1。

表1 線路參數表

2 接觸網與受電弓長期服役性能

接觸網與受電弓長期服役性能跟蹤需要跟蹤觀測不同服役時期的接觸網和受電弓相互作用的關鍵參數的變化情況。

2.1 接觸網幾何參數動態性能

依據某高鐵350 km/h 運營以來接觸網試驗數據，利用接觸網動態評價指標（CDI）［3］分析接觸網幾何參數動態性能隨服役時間增加的變化規律。

接觸網動態評價指標中拉出值及接觸線高度分量變化曲線如圖3、圖4 所示。隨服役試驗的增加，接觸線拉出值分量CDIS均穩定在0.03 附近，接觸線高度分量CDIH值均穩定在0.15 附近。

圖3 CDIS 變化曲線

圖4 CDIH 變化曲線

由以上接觸網長周期檢測數據統計結果可知，350 km/h 速度等級高速鐵路接觸線幾何參數動態性能優良，且隨時間和季節變化保持穩定。

2.2 弓網受流性能

（1）受電弓靜態壓力

受電弓在運行過程中要保證狀態穩定［4］，受電弓靜態壓力需要保持穩定。動車組靜止時，為確保受電弓安全取流，交流電氣化鐵路，受電弓靜態抬升力須保持在60～90 N 之間［5］。

跟蹤測量350 km/h 運營的長編動車組受電弓靜態壓力，實現了對動車組0～165 萬km 服役里程的連續跟蹤測量。4 臺受電弓靜態壓力均值曲線如圖5 所示。

圖5 動車組在0～165 萬km 服役里程內受電弓靜態壓力均值曲線

測量結果表明，隨動車組服役里程增加，0～165 萬km 內被測動車組4 臺受電弓靜態壓力均值保持在81.2～85.6 N 之間，保持穩定。

（2）弓網燃弧

采用車載弓網監控視頻連續跟蹤統計350 km/h運營長編動車組弓網燃弧數據。測試時間覆蓋了1～12 月的每個月份，覆蓋了春夏秋冬4 個季節，按1～12 月排序后的弓網燃弧次數統計結果如圖6所示。

圖6 不同月份的弓網燃弧次數統計結果

動車組以350 km/h 運營時，隨著服役時間的變化，每公里燃弧次數保持在1.19～1.73 之間，連續12 個月跟蹤測量弓網燃弧次數的標準差為0.17，表明在不同運營時間，弓網燃弧保持穩定。

3 速度影響分析

3.1 受電弓靜態壓力

在被測的350 km/h 速度等級高鐵線路，對300、350 km/h 速度運營的2 組長編動車組的各4 臺受電弓靜態壓力進行跟蹤測試。14 個月分別測得每臺受電弓各14 次受電弓的靜態壓力，不同速度級下統計每臺受電弓靜態力的平均值，其最大均值、最小均值和4 臺弓的總平均值統計結果如圖7所示。

圖7 不同運營速度動車組受電弓靜態壓力均值對比

300 km/h 運營的動車組，受電弓靜態壓力均值分別在82.7～86.9 N 之間，每臺受電弓的靜態壓力之間的標準偏差為1.7～3.9 N，表明跟蹤測量的動車組多臺受電弓之間，受電弓靜態壓力差距很小。

350 km/h 運營的動車組，受電弓靜態壓力均值在82.1～84.9 N 之間，每臺受電弓的靜態壓力之間的標準偏差為1.9～4.5 N，表明跟蹤測量的動車組多臺受電弓之間，受電弓靜態壓力差距很小。

300 km/h 和350 km/h 運營的動車組，受電弓靜態壓力均值分別為84.3、83.7 N，表明不同速度運營動車組受電弓靜態工作壓力沒有明顯差距。

根據本次跟蹤試驗測試數據，350 km/h 和300 km/h 速度運營的相同型號動車組的受電弓靜態力平均值相比僅相差-0.6～3.3 N，因此在動車組服役期間，不會根據運營速度不同，調節受電弓靜態壓力。

3.2 弓網動態接觸力

弓網間動態接觸力由受電弓靜態壓力、空氣抬升力、弓網相互作用力組成［6］。對于相同線路、相同型號、相同速度運營的動車組，決定弓網動態接觸力變化的主要因素是受電弓靜態力，如果能長期保持穩定，那么動車組單次試驗獲取的弓網平均動態接觸力便可以作為服役過程中的弓網平均動態接觸力使用，數據見表2。

表2 某型號長編動車組某次試驗的弓網動態接觸力

與被測動車組相同型號的長編動車組，某次試驗中，速度由300 km/h 提升至350 km/h，弓網動態接觸壓力有30%左右的增幅，而且接觸力波動加劇。

3.3 弓網燃弧性能

與被測動車組相同型號長編動車組某次試驗中，利用紫外光識別型燃弧傳感器采集和統計長編動車組運行方向后弓受流的弓網燃弧數據，動車組分別以300、350 km/h 運行的弓網燃弧次數對比如圖8 所示。

圖8 動車組不同運營速度弓網燃弧次數對比

速度由300 km/h 提升至350 km/h，弓網燃弧次數由2.16 次/km 上升至3.54 次/km，增加了1.38 次/km，增幅為63.8%。

利用弓網監控視頻長期監測運營動車組弓網燃弧，每月連續跟蹤的300、350 km/h 運營的動車組后弓弓網燃弧數據。不同速度運營時弓網燃弧數據對比如圖9 所示。

圖9 長期監測動車組不同運營速度弓網燃弧次數統計結果

速度由300 km/h 提升至350 km/h，弓網燃弧次數由0.82 次/km 上升至1.40 次/km，增加了0.58次/km，增幅為70.7%。

根據某次試驗和跟蹤試驗測試數據，動車組運營速度從300 km/h 增加到350 km/h，弓網燃弧明顯增多。

3.4 接觸線最大動態抬升量

運營管理部門關心接觸網的受電弓動態包絡線能否滿足動車組安全運行，或者動車組受電弓運行軌跡能否與受電弓動態包絡線設計值相適應。測試動車組在測試線路服役過程中，選擇固定測點連續1 年監測接觸線動態抬升量，統計出最大抬升量。

速度350 km/h 接觸網定位器最大抬升限值為225 mm，考慮1.5 倍安全裕量，動車組運行時定位器最大抬升量應不超過150 mm，在接觸網系統設計和試驗驗收時應控制不超過120 mm。根據TB/T 10621-2014《高速鐵路設計規范》［7］要求，速度350 km/h 接觸線的受電弓動態最大抬升量不應小于150 mm。

根據跟蹤試驗測試數據，動車組300 km/h 運行時的接觸線最大抬升量為104.6 mm，350 km/h運行時的接觸線最大抬升量為117.9 mm，350 km/h較300 km/h 運行時最大抬升量增加了13.3 mm，增加百分比為12.7%，但未超出受電弓動態包絡線標準，如圖10 所示。

圖10 300、350 km/h 運營時接觸線最大抬升量對比

3.5 接觸網關鍵部件振動特性

通過構建的測試線路接觸網模型如圖11 所示，與長編動車組CX 型受電弓模型開展運行速度分別為300、350 km/h 時的接觸網零部件隨機載荷譜的仿真計算。通過接觸網零部件隨機載荷譜研究接觸網零部件的振動特性變化情況，為疲勞振動試驗提供載荷數據。主要零部件包括吊弦、定位器和電連接。

圖11 測試線路接觸網模型分析區段

（1）吊弦載荷變化

受電弓滑過接觸線，產生抬升，吊弦會由繃緊變得松弛，又因接觸線重力作用，瞬間繃緊，再次繃緊時吊弦會承受較大的拉力。

吊弦的最大壓縮量、最大動態力及振動頻率是開展吊弦載荷評估與疲勞壽命試驗的3 個重要參數。最大壓縮量是指受電弓運行通過時整體吊弦的最大彎折量，即整體吊弦承力索端與接觸線端的位移差最大值；最大動態力指受電弓經過后吊弦由彎折狀態恢復拉伸狀態下落時的最大動態受力；振動頻率為受電弓經過后單位時間內整體吊弦上下運動的次數。

統計速度為300、350 km/h 運行時接觸網模型分析區段的吊弦載荷仿真結果見表3。

表3 300、350 km/h 運行時吊弦載荷統計

運行速度由300 km/h 增加至350 km/h 時，吊弦最大壓縮量和吊弦最大動態力明顯提升，最大壓縮量增加了77.4%；最大受力增加了55.7%。

（2）定位器載荷變化

定位器由定位鉤、定位線夾、鋁合金管、U 形環等組成，定位器的定位鉤鉤在定位環上，因此定位器可以在垂直方向運動。當受電弓滑過定位點，定位器抬升，引起定位鉤和定位環之間反復摩擦直至靜止。摩擦引起的定位器磨損，嚴重時造成零部件失效。定位點的最大抬升量、定位器承受的水平拉力和振動頻率越大，造成磨損越嚴重。

統計速度為300、350 km/h 運行時，接觸網模型分析區段的定位器動態力仿真結果見表4。

表4 300、350 km/h 運行時定位器載荷統計

運行速度由300 km/h 增加至350 km/h 時，定位器水平力增量隨速度增加而增加，增加了51.8%。

（3）電連接

受電弓高速通過接觸網電連接線時，同樣引起電連接劇烈振動，電連接的壓縮量和動態受力直接關系到其可靠性，對接觸網系統能否穩定運行有著非常重要的意義。

統計速度分別為300、350 km/h 運行時，被測接觸網模型分析區段的錨段關節處受電弓運行通過時電連接壓縮量與動態力仿真結果見表5。

表5 300、350 km/h 運行時電連接載荷統計

運行速度由300 km/h 提升至350 km/h 后，電連接壓縮量與動態力均呈增加趨勢。第1 錨段電連接壓縮量增加了15.1%，第2 錨段電連接壓縮量增加了32.8%；第1 錨段電連接動態力增加了101.2%，第2 錨段電連接動態力增加了47.3%。

3.6 關鍵零部件疲勞壽命

隨著高速鐵路服役時間增加和運營速度提升，接觸網零部件疲勞劣化問題突出，威脅運營安全。因此有必要對高速鐵路接觸網零部件在服役狀態下的疲勞壽命進行試驗。

（1）弦疲勞試驗

吊弦通過線夾固定安裝在吊弦試驗機上，實現吊弦壓縮量與吊弦動態力的準確加載［8］。分別對廣泛使用的抱箍式吊弦和三點壓接式吊弦做疲勞壽命對比試驗，根據測試線路接觸網布置情況與仿真計算的吊弦隨機載荷譜，吊弦試驗的載荷參數設置和吊弦疲勞試驗數據統計見表6。350 km/h 運行時，三點壓接式吊弦試驗樣品平均疲勞壽命為74.3 萬弓架次；300 km/h 或350 km/h 運行時，抱箍式吊弦試驗疲勞壽命均超過200 萬弓架次。

表6 吊弦疲勞試驗數據統計

實驗臺模擬吊懸載荷試驗結果表明：

①動車組受電弓以300 km/h 或350 km/h 運行時，三點壓接吊弦樣品疲勞壽命不滿足標準TB/T 2073-2010 要求 的200 萬次試驗［9］，采用三點壓接工藝對吊弦產生的隨機損傷使疲勞壽命具有很大離散性。

②動車組受電弓以300 km/h 或350 km/h 運行時，抱箍式壓接吊弦樣品各批次樣品均通過了標準TB/T 2073-2010 要求的200 萬次試驗，未發生疲勞斷裂。

（2）定位器疲勞試驗

將整套定位裝置（定位支座、定位器）安裝在實驗室的腕臂裝置上，對定位器靜態水平拉力和定位點抬升狀態進行準確加載，試驗控制參數為定位點抬升量及靜態水平拉力。

根據測試線路接觸網布置情況與仿真計算的定位器隨機載荷譜，定位器試驗的載荷參數設置和定位器磨損試驗數據統計見表7。300、350 km/h運行時，定位器均滿足200 萬次試驗。

表7 定位器磨損試驗數據統計

（3）電連接疲勞壽命試驗

電連接通過線夾固定在電連接振動試驗臺上，實現電連接壓縮量與電連接動態力的準確加載。

根據測試線路接觸網布置情況與仿真計算的電連接隨機載荷譜，電連接試驗的載荷參數設置和接觸網電連接試驗數據統計見表8。動車組受電弓300、350 km/h 運行時電連接均滿足200 萬次試驗。

表8 電連接試驗數據統計

3.7 接觸線及滑板磨耗

（1）接觸線磨耗

測試線路接觸線磨耗檢測區間檢測到的最大磨耗為1.44 mm，占接觸線面積的5.61%，最大磨耗位置剩余接觸線高度12.96 mm。接觸線磨耗高度分布如圖12 所示，接觸線磨耗高度主要分布在0.4～0.8 mm 區間，其中，分布在0.4～0.6 mm 區間內的接觸線磨耗高度數據占檢測區間接觸線磨耗高度數據的61.84%。此高速鐵路至今開通運行了10 年，檢測區間年平均最大磨耗高度為0.144 mm?！陡咚勹F路接觸網運行維修規則》［10］中對設計速度300～350 km/h、接觸 線型號CTMH-150 且工作 張力為30 kN 時，接觸線磨耗警示值為14%，限界值為19%。按最大值進行年平均估計（1.44 mm/10年），13 年后達到限值（面積限值19%，高度限值3.35 mm）；按95%統計值進行年估計（0.89 mm/10年），27 年后達到限值（面積限值19%，高度限值3.35 mm）。

圖12 測試線路接觸線磨耗高度分布

考慮到運行速度提升，線路運行可能愈加繁忙，導致接觸磨耗速度增加，可以定期檢測接觸線磨耗，做好統計分析，掌握線路最大磨耗及最大磨耗位置。

（2）滑板磨耗

跟蹤動車組滑板磨耗一年半時間，動車組以350 km/h 運營時，動車組的平均滑板磨耗壽命為6.49 萬km，磨耗速率為1.54 mm/萬km，磨耗壽命波動范圍即最小壽命和最大壽命的區間為3.7 萬～11.8 萬km；動車組以300 km/h 運營時，動車組的平均滑板磨耗壽命為8.20 萬km，磨耗速率為1.22 mm/萬km，磨耗壽命波動范圍即最小壽命和最大壽命的區間為5.0 萬～12.6 萬km，如圖13所示。

圖13 不同速度條件下的滑板磨耗對比

運營速度350 km/h 相對300 km/h 的條件下，滑板使用壽命平均值降低約20%。

4 接觸網零部件病害分析

通過接觸網零部件振動試驗，隨著動車組運營速度提高到350 km/h，僅僅是接觸網零部件載荷增加不會引起抱箍式吊弦、定位器和電連接線標準要求的服役壽命提前。但是運營過程中，隨著服役時間增長，速度350 km/h 的接觸網零部件仍存在一些耐久性相關病害。通過現場調研，統計被測高鐵350 km/h 運營后接觸網零部件病害問題，對接觸網零部件病害原因進行分析。

4.1 吊弦斷裂

測試線路350 km/h 運營前后，接觸線斷裂吊弦均為三點壓接式吊弦。主要原因包括：

（1）壓接原因

三點壓接方式對吊弦本體造成損傷，壓痕越深越容易損傷吊弦［11］，導致在壓接管處斷裂。

（2）氧化腐蝕原因

吊弦長時間暴露在露天環境中，吊弦容易受到氧化、腐蝕，縮短了吊弦服役壽命。

（3）電氣原因

動車組加速階段，受電弓取流增加，經過吊弦的電流增加，會使吊弦溫度升高，改變線材的晶體結構，降低抗拉能力，造成疲勞損傷。

（4）提速原因

經過仿真和觀測，速度350 km/h 運行時，吊弦承受載荷增大，因此吊弦缺陷與運營速度提高到350 km/h 后的振動頻次、壓縮量和吊弦受力增加有關，加速了吊弦折斷。

（5）檢修原因

吊弦線本體在壓接管處斷絲不容易發現，沒有有效的檢查手段。難免存在吊弦壓接力量過大，壓接鉗壓接不正，吊弦安裝不正等現象，引起長期服役過程中，吊弦斷裂。

4.2 定位器

隨著服役時間增加，被測線路接觸網定位器磨損數量不斷增加。其主要原因是定位器不受力導致的定位支座與定位器鉤磨損的問題。經統計分析，直線區段以關節內中心柱定位器磨損為主，曲線區段以中間柱磨損為主，曲外多是反定位，曲內多是正定位。

4.3 電連接

隨著服役時間增加，被測線路接觸網電連接線和線夾處斷絲、斷股現象不斷增加。

（1）承力索電連接線夾側斷絲斷股缺陷：一是從馳度方面分析，電連接斷絲、斷股與馳度較小根部受力較大有一定的關系；二是電連接氧化、老化材質較脆；三是電連接為多股細絲鉸接而成，經線夾壓接擠壓造成線夾旁電連接有鼓包松散現象，經長期氧化、振動等影響在線夾根部斷股。

（2）接觸線電連接線夾側斷絲斷股缺陷：一是電連接都用壓接型線夾，在壓接時線夾邊沿產生橫切力對電連接線也可能造成損傷，經長期氧化、振動等影響在線夾根部斷股；二是350 km/h 運營，車流密度增加，接觸線振動頻率較大，經長期振動等影響電連接線在線夾根部斷股。

（3）電連接線本身斷絲缺陷：主要體現在工作支承力索和非工作支承力索之間的電連接弧垂處，原因為運輸過程中電連接線未保護好，造成磨損斷絲。

5 結論

通過對速度為350 km/h 的接觸網服役性能研究，可以得到如下結論：

（1）在長期服役過程中，350 km/h 高鐵接觸線幾何參數動態性能無顯著變化。

（2）隨著里程增加動車組受電弓靜態壓力保持穩定，在不同運營時間，弓網燃弧性能保持穩定。

（3）隨著運營速度的提升，燃弧性能變差，弓網動態接觸力，接觸線最大動態抬升量增加明顯。接觸網零部件承受的載荷均大幅增加。弓網相互作用參數的增加導致350 km/h 運營比300 km/h 運營滑板平均磨耗壽命降低20%。在接觸網零部件載荷增加條件下，疲勞振動試驗數據表明抱箍式壓接吊弦、定位器和電連接線能滿足350 km/h 運行時的安全使用壽命要求。三點壓接吊弦發生斷裂，與現實運營情況一致，因此在日常運營中要重點關注三點壓接式吊弦。

運營數據表明，接觸網零部件發生病害除了因為弓網運行速度提升，接觸網零部件載荷增加這一原因外，還有加工工藝、安裝、溫升和抗氧化能力等方面原因。因此根據對發現病害的表現、成因以及整治措施效果，建議制定專項劣化整治規程，同時積極開展接觸網病害快速檢查技術和裝備、施工自動化信息化技術和裝備、接觸網零部件新型材料、新工藝等相關領域的課題研究和成果轉化。