考虑分段绝缘器的高速铁路弓网动态特性研究

赵世宇，罗 群，廖云杰，梅桂明，卢 静，黄 仲，王江文

0 引言

近年来，伴随着轨道交通行业技术的创新和发展，我国轨道交通事业正处于高速发展阶段。受电弓-接触网的供电方式因具有良好的受流质量，在轨道交通领域被广泛使用[1]。接触线与受电弓组成一个阻尼很小的振动系统，随着运行速度的提高，受电弓会产生振动，从而使接触压力产生变化。对于弓网的受流质量评价，要求接触压力维持在合适范围内[2]。

分段绝缘器作为电气化铁路接触网的重要装置，一般安装于专用线路、正线渡线、折返线等特殊线路上，起到方便停电检修和缩小停电事故范围的作用[3，4]。分段绝缘器安装在高速铁路接触网上，不仅承受接触网张力，还应保证受电弓平稳受流、不断电通过[5]。

本文将针对串联分段绝缘器的高速铁路接触网-受电弓系统动态特性进行研究。建立柔性接触网有限元模型、分段绝缘器模型、受电弓集中质量块模型以及弓网耦合模型，利用罚函数实现弓网间的接触；基于Recurdyn仿真软件完成弓网耦合模型动力学仿真；研究受电弓通过速度、分段绝缘器安装弛度以及分段绝缘器吊弦阻尼对弓网动态性能的影响。

1 模型建立

1.1 接触网模型

采用有限单元法[6，7]建立简单链形悬挂接触网模型（图1），通过定义各部件的空间几何位置与拓扑关系得到几何模型，接触线和承力索均采用梁单元进行模拟，其材料参数和结构参数见表1、表2。由于在实际运行中，吊弦传递的压缩力很小，一般采用只受拉不受压的非线性弹簧单元模拟替代[8]。根据上述有限元模型建立接触网运动微分方程[9]：

表1 接触网材料参数

图1 接触网模型

式中：M为系统质量阵，C为系统阻尼阵，K为系统刚度阵，F为外载荷列阵，qc为单元节点位移组合矩阵。

表2 接触网结构参数 m

1.2 受电弓模型

在本研究中，由于只关注弓网间的垂向运动，因此受电弓模型可以简化为集中三质量块模型。

如图2所示，弓头、上框架、下臂杆分别等效为质量块m3，m2，m1；而各部分之间的弹性连接分别用弹簧阻尼器k3，k2，k1，c3，c2，c1等效；FC为接触网与受电弓之间的接触压力；F0为受电弓的静态接触力。建立受电弓运动微分方程[10]：

图2 受电弓及其等效模型

式中：x1、x2、x3分别表示质量块m1、m2、m3的垂向位移，各参数设置见表3[10]。

表3 三归算质量受电弓仿真模型参数

1.3 分段绝缘器模型

本文以某公司设计的高速铁路分段绝缘器为例，其原模型主体结构组成如图3所示。

图3 分段绝缘器结构示意图

由于本文关于分段绝缘器的动态仿真只获取其动态接触力，因此只需关注分段绝缘器与受电弓直接接触的本体部分，保留其关键结构部件如底座、横杆、滑道等，删除模型中的绝缘伞套、消弧角等部件。

在有限元仿真过程中，采用离散后的柔性体比采用刚性体计算所得结果更为准确，使用ANSYS对长滑道、短滑道以及过渡滑道进行柔性化处理。为建立更好的接触，柔性化过程采用梁单元。分段绝缘器各吊弦的设置与接触网中各吊弦设置一致，即处理为只受拉而不受压的弹簧。

如图4所示，将建立的分段绝缘器模型串联至接触网跨中处，并调整其各个滑道与接触线水平过渡。

图4 分段绝缘器仿真模型

1.4 弓网耦合模型建立

对于弓网接触问题，通常采用罚函数法进行模拟[11]，如图5所示。采用线性弹簧模拟弓网间的接触刚度，当弓网间穿透量为非负值时，弹簧刚度取50 000 N/m[12]，否则为0。

图5 弓网接触模型

接触压力的计算模型为

式中：kc为接触刚度；yc为接触点的垂向位移；y3为弓头垂向位移。

如图6所示，将受电弓模型和接触网模型通过接触耦合得到弓网动力学模型，通过牛顿法求解耦合动力学方程，可得到弓网接触力、弓头振动加速度以及弓头抬升位移等参数结果。

图6 弓网耦合模型

2 模型验证

EN 50318—2018[13]中规定了弓网相互作用计算模型的验证要求，给出了双弓系统弓网仿真模型。为验证本文上述仿真模型的准确性，按照其验证方法建立模型进行验证。将速度275 km/h时的仿真结果与标准参考数值进行对比，具体见表4。可以看出，仿真结果各参数均处于标准范围内，说明了本文所述建模方法的可行性。

表4 模型验证结果

3 仿真结果分析

受电弓通过分段绝缘器时会产生一个较大的冲击力，该冲击力会对受电弓碳滑板、分段绝缘器各滑道造成额外损伤。另外，由于受电弓在通过分段绝缘器时会产生较大的弓头振动，对其受流稳定性也会产生很大的影响。考虑列车运行速度、分段绝缘器的安装弛度以及吊弦阻尼对受电弓通过分段绝缘器时的冲击力及受流稳定性的影响，其中，受流稳定性采用分段绝缘器当前跨的弓网接触力标准偏差进行评估。

根据标准EN 50367—2020[12]的规定，弓网平均接触力以及标准偏差应处于一定的范围内，根据表3可知受电弓DSA250的静态接触力为70 N，处于标准提供的上下限值范围内，即设置静态接触力均值为

式中：v为列车运行速度。

3.1 受电弓通过速度对弓网动态性能的影响

为分析受电弓以不同运行速度通过分段绝缘器时对受流情况的影响，分别设置受电弓以 60、90、120、160、200 km/h速度通过分段绝缘器，提取安装分段绝缘器相邻5跨的弓网动态响应，如图7所示。表5列出了受电弓在各运行速度下产生的冲击力、平均接触力以及接触力标准偏差。

图7 各速度级下弓网动态响应

由表5可知：随着运行速度的提高，通过分段绝缘器产生的冲击力有整体增大的趋势；同时，接触力标准偏差也随着速度的提高而增大，说明随着速度级的增加，受电弓通过分段绝缘器时的受流质量会变差。但由于在各速度级下的接触力标准偏差均未超过其对应的参考上限值，且无离线情况发生，故受电弓在运行速度小于200 km/h通过分段绝缘器时受流质量良好。

表5 各速度级下受流性能统计

3.2 分段绝缘器安装弛度对弓网动态性能的影响

分段绝缘器的安装弛度对于受电弓受流性能也会造成影响，文献[14]介绍了在实际安装中分段绝缘器安装负弛度的确定方法，参照该方法在仿真模型中对分段绝缘器设置0、20、40 mm 3种安装负弛度，并进行仿真运算，提取其在不同安装弛度和速度级下的冲击力、平均接触力以及接触力标准偏差，将结果列于表6。图8、图9分别展示了分段绝缘器选择不同安装弛度下受电弓以各速度级通过时产生的冲击力和分段绝缘器所在跨的弓网接触力标准偏差对比情况。

表6 各安装弛度及不同速度级下受流性能统计

图8 不同安装弛度及各速度级下冲击力

图9 不同安装弛度及各速度级下接触力标准偏差

由图8、图9可知，在各安装弛度下，均呈现冲击力和标准偏差随速度增加而增大的趋势。同一速度级下，20 mm安装负弛度具有较小的冲击力和接触力标准偏差。在速度小于90 km/h时，3种安装弛度下的标准偏差相差不大，但随着速度级逐渐提高，标准偏差出现了较为明显的差异：负弛度选择40 mm时，接触力标准偏差明显大于其他两种安装负弛度，且20 mm负弛度下有最小的接触力标准偏差。说明在受电弓高速通过分段绝缘器时，分段绝缘器的安装负弛度选择20 mm有较好的受流稳定性。

3.3 分段绝缘器吊弦阻尼对弓网动态性能的影响

为分析分段绝缘器吊弦阻尼对弓网动态性能的影响，对于安装负弛度为20 mm，速度为90 km/h工况下分段绝缘器的吊弦施加阻尼，阻尼系数在0～200范围选择。表7列出不同阻尼系数下受电弓经过分段绝缘器时产生的冲击力。

表7 不同阻尼系数下冲击力

由表7中数据可以得出，给分段绝缘器吊弦施加阻尼可以改善冲击力，但该阻尼不宜过大，当阻尼系数选择10或50时，受电弓通过分段绝缘器产生的冲击力最小，较无阻尼情况减小了约22%。

4 结论

本文针对考虑分段绝缘器的柔性接触网-受电弓系统进行仿真分析，讨论了受电弓通过速度、分段绝缘器安装弛度以及分段绝缘器吊弦阻尼对弓网受流质量的影响。结果表明：

（1）对于受电弓运行速度，随着速度的增加，通过分段绝缘器时的冲击力和接触力标准偏差均会增大，即受电弓通过分段绝缘器的受流质量随速度增加而降低。但由于在各速度级下的接触力标准偏差均处于标准参考值范围内，故受电弓以 200 km/h以下速度通过分段绝缘器时，受电弓具有较好的受流质量。

（2）对于分段绝缘器安装弛度，当安装负弛度为20 mm时，受电弓以各速度级通过分段绝缘器会产生较0和40 mm安装负弛度小的冲击力和接触力标准偏差，说明分段绝缘器安装弛度选择20 mm时弓网系统有较好的受流质量。

（3）对于分段绝缘器的吊弦阻尼，阻尼系数选择10或50时，受电弓通过产生的冲击力较无阻尼情况减小了约22%，冲击力改善效果最为理想。