高速铁路接触网低频振动及零部件防松技术分析

刘长利

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

高速铁路接触网低频振动及零部件防松技术分析

刘长利

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

通过对我国高速铁路接触网以冲击+合成衰减为特征的振动波形分析，可以看出受电弓通过时定位点处接触线的最大振幅接近100 mm。在受电弓冲击后，接触网处于振幅≤20 mm、振动频率1 Hz左右的低频振动状态，且接触网振动衰减较慢。接触网零部件宜模拟振动波形进行振动试验，试验方法按接触悬挂和支持结构进行分类，线夹类零部件参考航空业紧固件规定进行振动试验。为解决线夹类零部件在长期振动环境中松脱的问题，建议采用扣紧螺母取代普通螺母+止动垫片的防松措施，并建议进一步开展防松对比试验。

高速铁路；接触网；低频振动；零部件；防松

1 概述

接触网是具有多自由度的振动系统，以受电弓-接触线垂向耦合振动为主。受电弓是振动的激励源，受电弓高速运行时将引起接触线抬升和振动，振动以横波形式沿整个锚段的接触悬挂内快速传播，并在各支柱悬挂点和吊弦处产生反射与透射。为了防止高速铁路运营中的接触网零部件松动或螺母脱落现象，需要对接触网振动波形进行分析，并进一步讨论零部件振动试验方法及防松措施等问题。

2 高速铁路接触网振动波形分析

根据我国高速铁路接触网动态抬升的计算机模拟及检测数据[1，2]，动车组运行通过一个定位点时接触线竖向振动波形如图1所示，在第7 s时受电弓到达该检测点并冲击接触线，产生竖向峰值57 mm，随后接触线处于低频振动状态，频率在1.1 Hz左右，振幅≤20 mm。

图1 高速铁路接触网定位点接触线竖向振动波形(CRH2C单列单弓取流，速度350 km/h)

在动车组重联运行、双弓取流时定位点接触线竖向振动波形如图2所示，由于该点接触线受到两次受电弓冲击，竖向峰值提高到92 mm，随后接触线振动频率在1.0 Hz左右，振幅≤20 mm。

从图1、图2可以看出，一个锚段内的接触网在受电弓高速运行通过时一般呈现为冲击+合成衰减的振动特征。

图2 高速铁路接触网定位点接触线竖向振动波形(CRH2C重联双弓取流，速度350 km/h)

2.1 接触悬挂的波动传播速度和固有频率

接触悬挂是由接触线、承力索及吊弦、中心锚结、终端下锚补偿装置等组成的大张力悬索系统。高速铁路长度不超过1 400 m整个锚段接触悬挂如图3所示。

图3 1 400 m整个锚段接触悬挂示意

接触悬挂的波动传播速度为列车最高运行速度的1.4倍以上，并且有反对称和对称两种振动方式[3，4]，对于整个锚段内跨距相同的接触悬挂简化模型，反对称、对称振动方程的固有频率f1、f2分别为

表1 国内外高速铁路典型接触悬挂的固有频率

2.2 高速铁路接触网低频振动状态分析

通过振动波形与接触悬挂的固有频率进行对比，可以看出我国高速铁路接触网振动具有低频、衰减慢的特点。

(1)受电弓通过时定位点处接触线的最大振幅接近100 mm。在受电弓冲击后，接触网处于振幅≤20 mm、振动频率1 Hz左右的低频振动状态。接触网振动幅度满足受电弓运行安全评价指标[5]。

(3)接触网振动频率与表1中接触悬挂固有频率接近，且定位器对接触线的竖向阻尼作用较小，因此接触线振动衰减较慢。根据现场目测，动车组通过后接触线持续振动时间30～60 s才衰减至平衡状态，即一次受电弓冲击将引起接触网持续振动30次以上。

3 零部件防松技术应用现状

目前我国高速铁路接触网零部件普遍采用了M8～M20规格的螺栓进行联接和紧固。据统计，平均每千米高速铁路(双线)接触网零部件采用螺栓连接的数量合计达3 286套，详见表2。

表2 接触网零部件用螺栓统计

我国高速铁路接触网已经采用的紧固件防松技术有：(1)摩擦防松类的双螺母、单螺母、非金属嵌件锁紧螺母等；(2)机械防松类的止动垫片和螺栓销等。接触网零部件防松技术应用汇总如表3所示。

表3我国高铁接触网防松技术应用汇总

4 零部件防松技术分析

4.1 零部件防松技术分类

根据高速铁路接触网振动状态分析，接触网防松技术可划分为接触悬挂和支持结构2类，如表4所示。

表4 接触网防松技术分类

对于接触悬挂类，零部件螺纹副的振动频率、振幅与接触悬挂一致，由于关系到弓网受流性能及受电弓运行安全，要求螺母轻薄、防松性能好。对于支持结构类，零部件螺纹副的振幅较小、应力较大，要求兼顾螺母紧固力矩和防松性能。

4.2 振动试验方法

目前接触网零部件振动试验执行《电气化铁路接触网零部件技术条件》(TB/T2073—2010)和《电气化铁路接触网零部件试验方法》(TB/T2074—2010)[6，7]。鉴于高速铁路接触网呈现冲击+合成衰减的振动特征，且双弓运行冲击引起的接触线抬升幅值远高于普速铁路，动车组通过后接触网衰减较慢(持续低频振动30次以上)，建议调整零部件的振动试验方法。

(1)由正弦波改为模拟接触网振动波形，采用振动次数2×106进行振动试验；如模拟振动波形存在困难，按照高速铁路双弓运行及接触网200万弓架次的技术条件，建议以正弦波、振动次数至少3×107进行振动试验。

(2)紧固件振动试验方法建议按接触悬挂和支持结构进行分类，与支柱连接的支持结构类零部件(如腕臂底座、下锚底座及钢结构连接件等)螺纹副采用GB/T10431—2008规定进行振动试验；其余线夹类零部件建议采用GJB715.3A—2002航空业紧固件规定进行振动试验。

4.3 线夹类零部件的防松措施

我国高速铁路接触网线夹主要采用止动垫片进行防松。单螺栓单止动垫片的构造如图4(a)所示，使用时将翼片分别弯折至零部件、六角螺母的侧边上，目前存在以下技术问题。

(1)由于零部件的外部轮廓普遍呈不规则形状，当翼片处于零部件圆弧外形侧边，且止动方向与螺母松动回旋不匹配时，如图4(b)、图4(c)中套管单耳、定位线夹等处[8，9]，则很难起到止动防松作用。

(2)在接触网高空作业条件下，兼顾止动垫片对位和螺母紧固力矩有一定难度，图4(d)、图4(e)为安装不当导致止动垫片失效的实例。

图4 单螺栓单止动垫片的构造及应用

针对止动垫片使用中存在的问题，现有的改进办法是通过改变翼片形状与零部件侧边轮廓吻合，或采取翼片事先成形与零部件或六角螺母吻合的方式，降低施工难度。这种改进方法仅解决了螺母松动的问题，但仍存在定位线夹、吊弦线夹处螺栓从线夹本体中松动退出的问题。

采用扣紧螺母可以很好解决线夹类零部件的防松问题。扣紧螺母是一种机械防松类的锁紧螺母，如图5所示，一般在双螺母紧固结构中作为副螺母使用，多应用于轻型的机械结构。我国扣紧螺母执行国家标准GB805—88，采用材料为65Mn弹簧钢[10]。

图5 我国扣紧螺母的构造及应用(单位：mm)

扣紧螺母在新干线接触网普遍使用，如图6所示，由于螺栓与线夹本体已构成一对螺纹副，因此扣紧螺母在线夹上是独立使用的[11]。扣紧螺母的质量只有普通螺母的30%，在线夹上使用不仅减轻了接触悬挂的自重荷载，而且有助于避免极端天气情况下(如大风、地震等)线夹激振引起的螺母偏斜打弓事故。

图6 新干线接触网采用的扣紧螺母

扣紧螺母的使用方法是：在拧紧螺栓后用手旋上一个扣紧螺母，再用扳手旋紧60°～90°即可。松开扣紧螺母时，应先再拧紧螺栓，使扣紧螺母与线夹本体之间产生间隙，才能退出扣紧螺母，以免划伤螺纹。建议针对线夹类零部件的防松问题，开展扣紧螺母在线夹上安装的防松试验。

5 结论

通过对我国高速铁路接触网以冲击+合成衰减为特征的振动波形分析，可以看出受电弓通过时定位点处接触线的最大振幅接近100 mm。在受电弓冲击后，接触网处于振幅≤20 mm、振动频率1 Hz左右的低频振动状态。由于振动频率与接触悬挂固有频率接近，接触网振动衰减较慢，持续振动30次以上才衰减至平衡状态。

接触网零部件振动试验应反映冲击+合成衰减的振动特征，试验方法按接触悬挂和支持结构进行分类，线夹类零部件参考航空业紧固件规定进行振动试验。为解决线夹类零部件的振动松脱问题，宜考虑扣紧螺母取代普通螺母+止动垫片的防松措施，并进一步开展防松对比试验。

[1] 中国铁道科学研究院高速铁路系统试验国家工程实验室.郑西客运专线联调联试及运行试验报告[R].北京:中国铁道科学研究院，2010．

[2] 刘家美，何正友.郑西客运专线四电系统集成的安全性分析[J].铁道标准设计，2013(12):122-126．

[3] Kiessling， Puschmann， Schmieder. Contact Lines for Electric Railways: Planning， Design， Implementation， Maintenance[M]. Siemens Aktiengsellschaft.2ndrevised and enlarged edition.Erlangen: Publicis Publishing，2009.

[4] 吴积钦.受电弓与接触网系统[M].成都:西南交通大学出版社，2010．

[5] 刘长利.强侧风下接触网响应特性及弓网运行安全分析[J].铁道标准设计，2013(2):105-109．

[6] 中华人民共和国铁道部.TB/T2073—2010 电气化铁路接触网零部件技术条件[S].北京:中国铁道出版社，2010:7-8．

[7] 中华人民共和国铁道部.TB/T2074—2010 电气化铁路接触网零部件试验方法[S].北京:中国铁道出版社，2010:6-13．

[8] 中华人民共和国铁道部.TB/T2075—2010 电气化铁路接触网零部件[S].北京:中国铁道出版社，2010．

[9] 蒋先国.电气化铁道接触网零部件设计与制造[M].北京:中国铁道出版社，2009：171-186.

[10] 国家标准局.GB805—1988 扣紧螺母[S].北京:中国标准出版社，1988．

[11] 日本铁道综合技术研究所.接触网与受电弓特性[M].中铁电气化局集团有限公司，译.北京:中国铁道出版社，2010.

Analysis of High-speed Railway OCS Low Frequency Vibration and Parts Locking Technology

Liu Changli

(China Railway First Survey& Design Institute Group Ltd.， Xi’an 710043， China )

With the analysis of vibration wave form characterized by impact+synthetic attenuation of OCS on China High-speed railway， it is observed that the maximum amplitude of contact wires approximated100mm at locating point where pantograph passes. Impacted by the pantograph， the OCS is under the condition with amplitude≤20mm and frequency about 1Hz， and OCS vibration attenuation is slower. This paper suggests that vibration test of OCS parts should simulate vibration waveform， and test methods should be classified according to contact suspension and supporting structure， and wire clamps should be tested according to the provision of aircraft industry fasteners. To solve the problem of wire clamp loose in long-term vibration environment， it is suggested that locking measures should be taken to replace common nuts with locking nuts and stop washers， and further locking comparison test conducted．

High-speed railway; OCS; Low frequency vibration; Parts; Locking

2013-12-26；

：2014-01-24

刘长利(1972—)，男，高级工程师，1993年毕业于西南交通

大学铁道电气化专业，工程硕士，E-mail：tyy_dhc@163.com。

1004-2954(2014)10-0113-04

U238; U225.4

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.027