高铁接触网弹性吊索配置方案对弓网受流性能的影响

陈 可

高铁接触网弹性吊索配置方案对弓网受流性能的影响

陈 可

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

电气化铁路接触网负责为列车提供持续电能，通常采用施加弹性吊索的方式降低接触网的弹性不均匀度，提升受流质量。但是，弹性吊索的参数配置一直是工程设计中的难点。针对该问题，本文以我国成渝高速铁路弹性链形悬挂接触网为研究对象，采用空间梁单元构建接触网非线性模型，分别以弹性吊索张力、弹性吊索长度、弹性吊弦位置为变量，分析弹性吊索的多种参数组合方式对弓网受流质量的影响。研究结果表明，弹性吊索几何参数的配置方式对弓网受流质量有较大影响；接触网的弹性分布曲线较好地解释了弹性吊索参数对弓网受流质量的影响机理。最后针对我国成渝高铁弹性链形悬挂接触网提出了弹性吊索参数的建议配置方案。

电气化铁路；牵引供电系统；接触网；受电弓；弹性吊索

0 引言

电气化铁路接触网是架设在铁路沿线的悬索状结构系统，负责为高速运行的列车提供持续的电能。通常，接触网通过与高速滑行的受电弓相互滑动接触的方式为列车供电。因此，将接触网和受电弓系统称为弓网系统，它既是一个电能传输设备，又是一个机械设备，需要同时保证其良好的电气特性和力学特性[1]。

近年来，我国陆续开通了成渝、京沪、沪昆、京张等高速客运专线，高速列车的运行速度不断提高。电气化铁路接触网示意图如图1所示。接触网在高速运行的受电弓的冲击下，会发生剧烈振动，从而造成弓网间接触力的剧烈波动，导致弓网受流质量严重恶化，具体表现在两方面：①接触力峰值的增大会引起接触线和受电弓滑板的更多磨损和疲劳破坏，降低弓网系统的服役寿命；②过小的接触力会使弓网存在分离的风险，导致滑板与接触线之间产生电弧，引起材料烧蚀和熔融，严重的还会导致供电中断，影响行车安全。

图1 电气化铁路接触网示意图

因此，为了提升弓网的受流质量，众多学者对这一领域进行了研究。文献[2]构建了接触网的运动微分方程，并考虑重力因素进行修正；文献[3]求解接触网的初始形态，为研究接触网动态特性提供了条件；文献[4]构建了多体动力学受电弓模型，分析弓网的动态特性；文献[5]以提升受流质量为目标，对受电弓参数进行了优化；文献[6]考虑双弓运行的特殊工况，分析了双弓运行时的弓网受流质量；文献[7]基于简化载荷谱和雨流计数法，评估了接触网的疲劳寿命；文献[8]基于欧拉伯努利梁单元构建了接触网的运动微分方程，分析不同张力等级下的弓网电能传输特性；文献[9]通过构建弓网和车网联合仿真模型，分析了车速对弓网接触电阻的影响；文献[10]基于GO-FLOW法，对高速铁路接触网的系统可靠性进行了分析；文献[11]采用销盘式高速载流设备，研究了弓网高速滑动时电接触摩擦力特性；文献[12]引入空气动力的影响，修正弓网运动微分方程，评估了环境风对弓网受流特性的影响。

在以往研究中，针对接触网结构优化的研究主要集中在提升接触网的张力等级。然而，受材料极限的影响，接触网张力不可能无限制增大。因此，在实际高速铁路工程中，一般采用在接触网支持处布置弹性吊索，如图1所示，以降低接触网的弹性不均匀度。然而，针对弹性吊索布置方案的研究工作开展较少，本文将致力于解决这一问题，寻求弹性链形悬挂接触网弹性吊索的最佳配置方案。

1 电气化铁路接触网三维力学建模

根据虚功和虚位移原理，空间欧拉伯努利梁单元的几何非线性静力学方程可以写为

式中，

明清以来，厅堂当中的几案、两列坐椅以及楹联匾额都是程式化的设置，而盆景、摆花、插屏、书画等陈设则随需要添置[7]。盆景、摆花多置于几案两侧的高花几或椅子间的茶几上。此外，轩、馆、斋、室等相对小型的建筑室内陈设依功能的不同而异(图2，3)。若作为书房，则设有书桌、书架、几案、椅等；若是休息处所，则有榻、几案、椅；几案上或置炉瓶三事，或置摆花盆景，其余陈设不一而足(图4，5)[4]。

式中，

根据有限元方法，将刚度矩阵按照接触网拓扑结构组装成整体刚度矩阵。结合集中质量矩阵，从而构建接触网动力学方程为

2 受电弓模型

本文将受电弓简化为集中质量模型，如图2所示。其动力学方程可以写为

图2 受电弓集中质量模型

式中，

其中，1、2、3分别为受电弓弓头、上框架、下框架质量；1、2、3分别为弓头与上框架、上框架与下框架、下框架与底座的阻尼；1、2、3分别为弓头与上框架、上框架与下框架、下框架与底座的刚度；1、2、3分别为弓头、上框架、下框架位移；c为弓网接触力；p为受电弓的静态抬升力。

受电弓仿真参数选取为DSA380型高速受电弓，静态接触力根据相关标准选取为70N。

3 弹性吊索优化布置方案

弹性链形悬挂接触网的结构参数选取我国成渝高铁标准跨接触网。弹性吊索参数主要考虑弹性吊索张力、弹性吊弦距定位点位置和弹性吊索长度，具体物理意义如图3所示。

图3 弹性吊索主要优化参数

根据图3的弹性吊索参数，给出22种弹性吊索优化仿真组合方案见表1，用于分析弹性吊索对弓网动态性能的影响。仿真车速选取为250km/h，运行条件为双弓受流。根据欧标EN 50367规定[13]，评估受流质量最重要的两个指标为接触力统计最小值和标准差。

表1 弹性吊索优化仿真组合方案

前、后弓在不同组合下接触力的统计最小值和标准差如图4所示。可以看出，弹性吊索参数组合对前、后弓受流质量的影响规律基本一致。组合方案5的接触力标准差达到峰值，其接触力最小值出现0，在实际工程设计中应该严格避免。相反，在组合方案7、8、13、14下，前、后弓表现出较好的受流质量。其中，方案7、8、13、14中，前弓接触力标准差、统计最小值差异较小。但方案8和方案14中，后弓接触力统计最小值（分别为27.1N和24.1N）与方案7（37.4N）、方案13（30.9N）相比出现降低趋势。尽管此时方案8和14的后弓接触力标准差（分别为26.9N和27.4N）与其他两方案（23.5N、25.2N）相差不大，但仍需警惕后弓离线行为发生的可能性。

图4 接触力的统计最小值和标准差

图5为在不同跨距下弹性吊索组合方案对前弓受流质量的影响。由图5可见，随着跨距的增大，同样弹性吊索方案下前弓标准差、统计最小值变化显著，方案5接触力统计最小值甚至出现0，表明在进行弹性吊索方案设计时，跨距也是重要的参考因素之一，对弓网受流质量具有关键影响。

图5 跨距40m、50m前弓受流质量

为了进一步揭示弹性吊索参数对弓网受流质量的影响机理，通过在接触线不同位置施加垂向= 100N的静态载荷[14]，计算接触线各点静态抬升，从而计算出接触网的静态弹性曲线。

图6为7、8组合方案下的接触网等效刚度曲线，可以看出，接触网弹性吊索张力会对接触网等效刚度曲线产生较大影响，随着弹性吊索张力的增大，一跨内接触网弹性曲线更加平滑。为了量化这种影响，引入接触网弹性不均匀度进行评判，即

式中，和分别为接触网等效弹性的最大和最小值。接触网弹性不均匀度直接反映了接触网在受电弓移动载荷下的动力学特性。

图7（a）和图7（b）分别给出了不同组合方案下前、后弓的接触力标准差和接触网弹性不均匀度的计算结果。可以看出，前、后弓标准差和接触网弹性不均匀度呈现出较好的对应关系。接触网的弹性不均匀度较好地解释了弹性吊索参数对弓网受流质量的影响机理。由图4可知，在方案5下前、后弓接触力最小值均为0。在图7中，方案5接触网弹性不均匀度达到了最大值，相应的前、后弓标准差分别上升到37N和68N，表明方案5可造成弓网接触力出现较大波动，导致受流质量严重恶化，与图4中结论一致。相反，在组合方案7、8、13和14下，前、后弓的标准差相对其他方案明显较小，此时的接触网弹性不均匀度也为各种组合方案下的相对较小值，为该弹性链形悬挂接触网的建议优化方案。

4 结论

本文针对成渝高速铁路弹性链形悬挂接触网的弹性吊索布置方式进行优化，寻找弹性吊索参数的最佳配置方案。首先，基于非线性有限元理论，采用空间梁单元构建了接触网模型；其次，采用集中参数模型描述了受电弓的动态特性；然后，以接触力标准差、统计最小值和接触网弹性不均匀度为指标，评估了不同参数组合下的弹性链形悬挂接触网的动态特性；最后，给出了成渝高铁接触网弹性吊索参数的最佳配置方案。研究结果表明，弹性吊索的几何参数对弓网受流质量有较大影响，具体表现在接触力波动和统计最小值的大小；前、后弓受流质量和接触网弹性不均匀度呈现出较好的对应关系，接触网的弹性不均匀度较好地解释了弹性吊索参数对弓网受流质量的影响机理。针对本文研究的接触网，在组合方案5下，接触网弹性不均匀度达到了最大值，在工程设计中应严格避免。相反，在组合方案7、8和13下，前、后弓的标准差达到了最小值，接触网弹性不均匀度也为各种组合方案下的相对最优值，为该弹性链形悬挂接触网的建议配置方案。

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Analysis of pantograph-catenary dynamics considering the influence of stitched wires in electrified railway

CHEN Ke

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd, Chengdu 610031)

Electrified railway catenaries are responsible for the stable transmission of electricity to locomotives. Normally, stitched wires are used to lower the unevenness of elasticity of catenary, which is able to improve current collection quality. But the selection of the stitched wire parameters is very difficult in practical engineering. To deal with this problem, the catenary of Chengdu-Chongqing high-speed railway is selected as analysis object. The nonlinear spatial beam element is used to construct the model of catenary. The stitched wire tension, length of stitched wire and the position of dropper are selected as variables to analyse the effect of stitched wire parameters on the current collection quality. The result shows that the stitched wire has considerable effect on the current collection quality, which can be revealed by observing the elasticity of catenary. The optimization strategy of stitched catenary for Chengdu-Chongqing high-speed railway is suggested.

electrified railway; traction power system; catenary; pantograph; stitched wire

2021-03-29

2021-04-25

陈 可（1984—），男，四川省成都市人，硕士，高级工程师，主要从事高速铁路弓网关系与牵引供电系统安全性研究工作。