电气化铁路接触网风致舞动研究现状与进展

张 昊，谢 强，2

(1.同济大学建筑工程系，上海 200092；2.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)

电气化铁路接触网风致舞动研究现状与进展

张 昊1，谢 强1，2

(1.同济大学建筑工程系，上海 200092；2.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)

为了应对电气化铁路接触网风致舞动灾害对我国铁路交通运输造成的不利影响，总结一系列国内外接触网舞动相关的文献。舞动现象内在原因复杂，当前舞动机理性研究中的邓哈托判定以及尼格尔判定都对实际情况作出较大简化，现有的舞动理论并不能准确的定量分析接触网舞动现象；通过研发防舞装置来抑制接触网舞动发生是一种可行的方法；有限元模拟分析可以为研究舞动开辟新的思路。最后对接触网舞动研究中的有待解决的问题进行归纳，并提出需进一步研究的内容和方法。

电气化铁路；接触网；舞动；风；试验研究

电气化铁路是指依靠电能牵引的铁路，世界上大多数国家的高速铁路都是采用电气化铁路。高速铁路就是我们常说的高铁，高速铁路的定义是指时速在200 km及其以上的铁路[1]。我国当前的铁路运输主要以电气化铁路为主，高速电气化铁路和普速电气化铁路一起支撑起了我国铁路运输系统。接触网在电气化铁路运行中扮演着重要的作用，担负着把从牵引变电所获得的电能直接传送给列车使用的重要任务。接触网由接触线、吊弦、承力索、弹性吊索、支柱、回流线、正馈线组成。接触线通过吊弦悬吊在承力索之上，接触线直接与受电弓相接触，传送电能至列车，保证列车的高速、平稳运营[2]。接触网的大幅垂直振动会影响接触线与受电弓之间电能的传输，导致列车无法正常运营，严重时甚至会导致接触线偏离受电区域，产生刮弓乃至列车倾覆的重大安全事故，对乘客的人生财产安全构成严重威胁。

舞动是一种产生在露天导线等悬索结构中风致形成的竖向大振幅、低频率的振动，其特点是触发风速低，且持续时间长、振幅远大于导线自身直径(为导线的5～300倍)、振动频率较低(频率为0.1～3 Hz)[3]。电气化铁路接触网舞动灾害是我国近年来电气化铁路运营中观测到的一种严重的风致灾害。例如2011年洛襄线构林至邓州段内接触网覆冰后发生剧烈舞动，接触网上下振幅约500 mm，水平振幅约200 mm，覆冰厚度为3～5 mm。灾害导致该段接触网损毁严重，两辆列车被迫停运[4]。

虽然接触网舞动问题已经引起了国内外不少学者的关注，但由于接触网舞动问题自身的复杂性，当前仍有许多问题没有得到解决。

1 接触网舞动形成的因素

1.1 接触线截面影响

为了悬挂方便，接触线采用八字形的独特截面形式，截面上的凹槽对其所受气动力特性影响较大所表现出的气动力失稳现象也最为典型[5]；另外，长期与受电弓相接触，会导致接触线不同磨损[6]，由此产生的截面形状改变都对接触网舞动形成产生不同程度的影响。

1.2 覆冰影响

接触网舞动记录表明[4,7-8]：舞动易发生在覆冰后的线路上，接触网产生舞动时，其覆冰厚度为3～5 mm。为了研究覆冰对舞动的影响，已经有许多学者模拟导线的凝冰机理，得到典型的覆冰截面形状(新月形、扇形、D形、水滴形)[3]。

1.3 线路结构与参数的影响

接触网有简单链型、弹性链型、复链型三种悬挂方式。复链型悬挂结构形式较为复杂，我国现有电气化铁路未采用该种悬挂类型[2]。

接触网悬挂类型、接触线预加张力、柱距、吊弦间距等参数对接触网舞动是否会产生影响以及影响程度都有待进一步研究。

2 舞动的机理研究

在舞动机理研究中主要考虑的几个重要问题：计算模型的建立；计算模型的简化以及自由度的选择；阻尼模型的选取；对所建立方程的求解。舞动机理研究是一个不断发展的进程，从一开始的单自由度模型到后来的多自由度模型，目前舞动研究中比较常用的还是使用集中质量法将细长导线简化为单质点计算模型的邓哈托垂直激发理论和尼格尔扭转振动理论。

2.1 邓哈托垂直激发理论[9]

美国的邓哈托在1932年首先在理论上阐述了导线舞动发生的内在机理。他提出，覆冰输电线在强风中会发生低频率、大振幅的舞动现象，这种现象与高频率小振幅的微风振动现象有着本质上的不同。并且证明了舞动是由气动力不稳定性所引起，当升力曲线的负斜率比阻力曲线的幅值大时出现不稳定性。邓哈托通过集中质量法将大跨度单导线简化为单自由度集中质量模型。建立了气动力方程[9]

(1)

其中系统的总阻尼由机械阻尼项和气动阻尼项所组成

(2)

根据邓哈托理论，当

(3)

结构总阻尼有小于0的可能，即结构有产生舞动的可能，因此邓哈托判定可作为舞动的必要条件。

在邓哈托理论的构架下，式(3)只是舞动产生的必要条件，并不能作为充分条件，其原因是因为总阻尼项中机械阻尼项的不明，因而无法确定总阻尼是否小于0。并且，由于邓哈托理论完全是建立在单自由度运动方程的基础之上，对实际情况做了较大的简化，会产生与实际不符的计算结果。因此，严格意义上讲邓哈托垂直激发理论只能对舞动现象做出定性的描述，不能做定量的分析。

2.2 尼格尔扭转振动理论[10-11]

1979年，加拿大的尼格尔在进行了大量风洞试验的基础上，推出了覆冰导线舞动扭转激励理论，对邓哈托判定作出了有效补充。通过理论推导结合试验分析得出结论：导线扭转方程中扭转方向的气动阻尼小于0且绝对值大于扭转方向的机械阻尼时，系统在扭转向不稳定，导致扭转方向的扭转持振，且当导线的扭转自振频率与垂直方向自振频率近似吻合时，会导致舞动现象。

同邓哈托一样，尼格尔仍然采用集中质量法建立单根导线的气动力方程[11]

(4)

不同的是，尼格尔将邓哈托方程中的未知量补充加入了沿导线径向的扭转角。尼格尔扭转振动理论是对邓哈托垂直激发理论很好的补充，但其局限是其计算模型仍然对实际情况做了很大的简化处理。

3 电气化铁路接触网舞动的研究

3.1 国外接触网舞动研究

2003年，英国的M.T.Stickland等从邓哈托理论中的气动阻尼和机械阻尼分别入手研究发生在苏格兰的接触网舞动现象[6,12]。在气动阻尼研究中，他们利用高频测力天平对一系列的接触线截面形状(包括接触线顶部有凹槽没有凹槽、接触线底部有无磨损等)的导线模型进行风洞刚体测力试验，测量计算出了一系列对应的邓哈托系数，并且假设了接触网系统的阻尼比为0.1，变换了邓哈托方程中的阻尼项，得出了临界风速计算公式[6]

(5)

在设定式(5)中系统总阻尼d为0(d<0时系统会发生不收敛的简谐振动，即舞动)作为临界值后，计算出了系统的舞动临界风速。

在机械阻尼的研究中，他们对接触网进行了缩尺模型试验，成功通过设置在接触网模型上的电压装置测量出接触线模型自由振动后的竖向位移的变化，进而利用结构动力学中自由衰减振动阻尼比计算的公式算出了接触线上5个测试点的平均阻尼比为0.05。在接触网模型上设置了人造阻尼器后，运用同样的试验方法测出了接触网模型的平均阻尼比接近0.1。根据邓哈托判定临界风速计算式，加设阻尼器装置后的接触网模型的起舞临界风速为自然状况下的2倍。并且将此阻尼器加设到一组现场测试的接触网上，通过1年的观测，未观测到任何舞动现象。

M.T.Stickland的研究着重对电气化铁路接触网这一特殊索网结构的舞动现象进行了深入的研究。其成功之处在于，首先通过变换了邓哈托动力方程结合试验测量出系统阻尼比的方法，成功计算出系统的舞动临界风速，在邓哈托判定的框架下将其从舞动的必要条件转变为舞动的充要条件；其次从调整系统机械阻尼入手，增大了接触网舞动的临界风速，大大提高了系统气动力稳定性，减少了舞动现象的发生，为接触网舞动灾害防治提供了很好的解决办法。但他们的风洞测力试验中没有考虑到雷诺数的相似原理，且没有对覆冰条件下接触网舞动展开研究。并且他们的研究仍然是建立在传统舞动理论即邓哈托判定之上的，对实际接触网舞动现象发生时复杂的力学状况没有给出更进一步的解释。

3.2 国内接触网舞动研究

班瑞平[8]记载了我国电气化铁路京广线上发生的两次接触网舞动现象，并且结合工程实践，提出了铁路沿线种植防护林防治接触网舞动的措施。曹树森、孙立金等[13-14]通过数值模拟的方法，利用通用有限元软件ANSYS对我国电气化铁路接触网的风振响应进行了数值模拟分析。李荣帅等[15]对电气化铁路接触网自振特性及横向风振动力在通用有限元ABAQUS软件中进行了有限元计算分析。

2012年，谢强等[5,16]结合我国电气化铁路接触网实际情况，开展了一系列的舞动研究。他们利用高频测力天平对无覆冰与覆冰情况下接触线截面按2∶1的缩尺模型进行刚体测力风洞试验，完整地测出了-90°～90°风攻角下的气动力三分量系数；并利用邓哈托判定分析了接触线模型的舞动稳定性，得出了八字形接触线截面上部的凹槽对气动力系数影响明显，易导致气动力失稳，产生舞动的结论。

3.3 接触网防舞措施的研究进展

前已述及，M.T.Stickland等[12]结合苏格兰铁路接触网系统开发出了一种以加大接触网体系机械阻尼为原理来防治接触网舞动的装置。该装置附加在接触网的支架腕臂上，以增加接触网机械阻尼为原理，提高舞动发生的临界风速，试验表明，该阻尼器可以有效地增加接触网的机械阻尼(增幅近2倍)，并通过加设在试验接触网线路上进行一年的测试，未发现舞动现象，取得了成功，值得国内广大致力于接触网舞动的研究人员借鉴。

张宝奇[17]结合实际舞动现场防治经验，提出了一种以限制接触网扭转为目的的附加悬挂加装防振锤的防舞方法，但该方法还需要进一步在实际接触网舞动现场中验证。谢强等[18-19]结合我国电气化铁路接触网设计施工条件，开发出弹性吊弦阻尼器和接触网自张力抗风装置的两种防治接触网舞动的设备。弹性阻尼吊弦阻尼器的原理是增加吊弦阻尼，而吊弦连接着接触线和承力索，从而增加了整个接触网系统的机械阻尼，起到抑制接触网舞动发生的作用；接触网自张力抗风装置以斜向交叉张拉的形式加设在上下行接触网之间，通过交叉中心点处的自张力阻尼器限制上下行接触网的相对位移，从而达到抑制接触网舞动产生的目的。但由于种种原因，目前这两项专利都未能在实际电气化铁路工程中推广。

4 存在的问题及研究方向

当前电气化铁路接触网舞动研究方面主要存在以下问题有待研究解决。

第一，现有的舞动理论大多对实际情况作了不可忽视的简化，其计算结果尚且不能满足工程精度的需要，对舞动机理性的研究有待进一步深入。

第二，接触网作为一种特殊的索网结构，其舞动与一般单根导线有所不同。现有国内外的接触网舞动研究大多研究对象只针对单根接触线，而忽视了接触网结构中吊弦、承力索等对舞动的影响。

第三，考虑到当前接触网舞动记录的局限以及现场舞动试验数据的匮乏，通过风洞气弹性试验对接触网缩尺模型进行舞动研究较为可行。

第四，当前接触网防舞装置的研究还不能满足工程需要，亟待研究人员结合我国电气化铁路接触网实际情况进行研究，针对性地开发防舞装置并进行测试以最终投入使用。

第五，随着计算机技术的日益强大和大型通用有限元软件的不断发展，利用有限元计算模拟接触网舞动及防治措施的研究工作已经全面深入展开，考虑到现有舞动理论的缺陷，数值计算的结果值得期待。

5 结论

当前国内外对铁路接触网舞动的研究尚不成熟，舞动机理的研究工作虽已经形成了一些有着实际意义的理论，但这些理论大多对实际情况作出了不可忽视的简化，并不能准确的预测舞动的发生。然而，这些理论对舞动现象的定性意义重大，在这些理论的基础上，大量防舞措施有待在铁路接触网运行中付诸实际，在铁路接触网舞动灾害的防治中担当重任。此外，目前已经对接触网舞动的数值计算模拟展开了广泛的研究，相较于已经形成的作出较大简化的舞动理论，数值计算技术的发展值得期待。

随着我国当前电气化铁路建设的蓬勃发展以及电气化铁路技术走出国门、走向世界的巨大成就，近年来电气化铁路接触网舞动出现的频率越来越高，需要引起社会各方各面大力关注，共同防治接触网舞动灾害，为电气化铁路安全、稳定运营提供保障。鉴于当前电气化铁路接触网舞动理论和防舞设备都还不够成熟，因此，还需要研究人员进一步深入的探讨和研究，以确保电气化铁路运营的安全稳定。

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Researches on Wind-induced Galloping of Electric Railway Catenary

ZHANG Hao1， XIE Qiang2

(1.Department of Structural Engineering， Tongji University， Shanghai 20092， China;2.State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 20092， China)

In order to deal with the disaster-prone wind-induced electric railways catenary galloping， a series of domestic and international literature about catenary galloping are summarized. Some results are as follows. The underlying causes of galloping are so complicated that the existing galloping theories can not be used to for accurate and quantitative analysis of catenary galloping. The development of anti-galloping devices to suppress catenary galloping is a feasible way. Finite element simulation analysis may provide a new approach for the study of catenary galloping. Finally， the remaining problems about catenary galloping are addressed and further research details and methods are proposed.

Electric railway; Catenary; Galloping; Wind; Experimental investigation

2014-11-17；

2014-12-21

铁道部科技研究开发计划项目(J2011J006)； 中央高校基础研究资助项目(2011TJ11021)

张 昊(1987—)，男，硕士研究生，E-mail：dj0520@yeah.net。

1004-2954(2015)09-0145-04

U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.032