电气化铁路接触网整体吊弦受力试验研究

潘利科， 陈立明， 张海波， 邢 彤， 杨才智

(中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所，北京 100015)

0 引 言

接触网是电气化铁路的重要组成部分，其主要通过与列车顶部的受电弓滑板与接触线进行载流滑动摩擦实现向列车供电[1-2]。整体吊弦是接触网的主要组成部件，主要起悬吊和载流作用。整体吊弦在服役过程中，当无列车经过时，整体吊弦主要承受自身重力、接触线重力以及外部风载等作用；当列车经过时，由于列车顶部受电弓的接触力和抬升量作用，导致整体吊弦向上发生弯曲；列车经过后，整体吊弦快速垂落，此时承受较大的动态冲击力作用。随着列车速度的逐渐提高，整体吊弦的受力工况更加复杂，整体吊弦的断裂情况时有发生[3-5]。因此研究整体吊弦的受力特征对评估其服役可靠性具有重要作用。

采用实测以及仿真技术分析接触网及其零部件的几何参数和受力特征正在逐步得到应用[6-8]。目前整体吊弦的受力主要通过有限元模拟技术进行研究。方岩等[9]基于线索网找形的有限元法，建立了一种模拟接触网悬吊状态的有限元方法。陈立明等[10-11]采用有限元技术分析了实际线路整体吊弦的振动特点以及动态受力，但是动态受力缺乏有效验证。阮杰[12]采用有限元法建立了一种柔性接触网模型并进行了弓网动力学仿真计算，得出了接触网的动态特性。Cho等[13-14]采用有限元技术研究了160 km/h时Honam高速铁路受电弓-架空接触网的动态交互作用，分析了接触线的动态响应，其接触网模型与我国现有铁路系统存在较大差异。Gregori等[15]提出了一种悬链线的参数化模型，并据此建立了接触网的静态平衡算法，为接触网的动态仿真提供了技术思路。Park等[16]采用有限元仿真技术研究了弓网之间的动态响应曲线。有限元模拟弓网的动态交互作用以及吊弦受力还缺乏有效的实测数据验证，而实测法由于高速铁路服役现场环境等的限制，目前使用实测法进行研究的报道很少。

本文根据我国高速铁路接触网的特点，采用一种整体吊弦受力测量装置，并选取实际线路一跨典型的弹性链形悬挂接触网结构，实测了其整体吊弦的受力，研究了接触网结构以及抬升量等对整体吊弦受力的影响，为深入分析列车运行时整体吊弦的受力并验证有限元模型准确性奠定基础。

1 吊弦动态冲击分析

1.1 实际吊弦动态冲击过程

实际服役过程中，无列车通过时，整体吊弦主要承受接触线以及吊弦的向下的重力作用；当列车高速通过时，在受电弓的抬升力以及动态冲击作用下，整体吊弦向上运动并发生弯曲，吊弦主要承受压缩载荷；当受电弓通过后，吊弦在接触线等的重力作用下向下坠落，坠落过程中对吊弦产生一个向下的动态冲击载荷，如图1所示。相关仿真研究发现，吊弦的动态冲击载荷远大于吊弦的静态力，并且对吊弦的寿命具有重要影响[5,10]。

图1 吊弦受力状态

1.2 吊弦动态冲击受力特点

整体吊弦在服役过程中，经历了张紧-松弛-动态冲击振动-张紧过程，在动态冲击过程中出现力值突变的尖峰，将其定义为动态载荷，即动态力，其主要描述整体吊弦从松弛状态转变为张紧状态时的动态响应。在动态响应过程中，动态力与吊弦的惯性、静态力、几何刚度和弹性刚度均有很大的相关性。

此外，由于整体吊弦作为一个弹性体，在高速列车经过对整体吊弦的动态冲击过程中，整体吊弦的动态响应还涉及振动冲击波的传播和振动过程，同时实际服役时的整体吊弦动态响应还受到接触网的波动影响。

为了分解研究列车经过时吊弦动态响应过程，本文利用自制的整体吊弦受力测量装置，实测无列车经过时接触网整体吊弦的自身的动态响应，研究整体吊弦动态响应过程中的吊弦位置、长度以及静态力、动态力的变化规律，为高速列车经过时的吊弦动态响应研究提供数据支撑。

2 试验设备及试验方法

2.1 试验设备

根据实际服役现场接触网整体吊弦的悬吊特性，采用了图2所示的整体吊弦受力测量装置实测实际线路整体吊弦的静态力和动态力[17]。

图2 整体吊弦受力测量装置

该测量装置主要由测力传感器、可调螺钉、上/下吊弦线及线夹等组成。其通过测力传感器实测实际线路整体吊弦的受力，通过可调螺钉调整试验装置的长度，使得试验装置与被测位置整体吊弦长度一致。

2.2 实测过程

试验过程中，将整体吊弦安装于实际线路弹性链形悬挂接触网被测位置的整体吊弦旁边，如图3所示，通过调整可调螺钉使得测量装置与被测位置整体吊弦长度一致，然后拆卸被测位置的整体吊弦，此时测量装置的力值即为被测位置整体吊弦的受力。

图3 整体吊弦受力测量方法

实测接触网结构为弹性链形悬挂结构，试验过程中采集一跨50 m内6根整体吊弦（顺线路方向吊弦编号依次为 1#、2#、3#、4#、5#、6#）的受力。

为了表征整体吊弦受力试验过程中力值，通过吊弦长度（L，mm）、静态力（SF，N）、动态力（DF，N）、吊弦单位长度静态力（SFPL，N/mm）、吊弦单位长度动态力（DFPL，N/mm）、吊弦单位抬升量下的动态力（N/mm）以及动态系数（DC）等参数进行表征。

测量整体吊弦的受力试验过程中，静态力为接触网以及测量装置处于静止状态时整体吊弦的受力，此时忽略风载等外部载荷作用；动态力是指人为将被测位置接触线向上抬升一定位移量后（此时保持承力索位置不动），即整体吊弦发生弯曲，然后快速松开接触线使得接触线和整体吊弦自由下落过程中整体吊弦的最大力值。动态系数为动态力与静态力的比值，为无量纲参数。单位长度静态力和单位长度动态力则为静态力与动态力分别除以吊弦的长度。单位抬升量下的动态力是指动态力与吊弦抬升量的比值。

3 结果与分析

3.1 静态力分析

图4、图5所示分别为采用图1的测量装置实测并计算的一跨内6根整体吊弦的长度（L）、静态力（SF）及单位长度静态力（SFPL）数值。从图中可以明显看出，虽然一跨内6根整体吊弦的长度不同，但是吊弦长度基本为对称分布，即对称位置的吊弦长度基本相同。其中，一跨中最中间的两根吊弦（3#、4#）最短，而2#与5#吊弦最长，连接弹性吊索的1#与6#吊弦长度则处于中间值。由于接触网悬吊线索中的承力索、整体吊弦、接触线等的重力作用，为了保证一跨内6根吊弦悬吊后接触线与线路平行，3#与4#吊弦最短基本符合悬吊线索的重力作用规律。

图4 一跨内不同位置吊弦长度

图5 一跨内不同位置静态力及单位长度静态力

而吊弦的静态力分布规律与吊弦长度分布刚好相反，吊弦越短，其静态力越大；吊弦越长，其静态力越小；最短与最长吊弦相差9.5%，其对应静态力则相差了235.2%。但是一跨内6根吊弦静态力也是基本对称分布。此外，由于3#与4#位置的吊弦处于中间位置，但是两根吊弦的长度有2.4%的差异，其静态力出现了139.9%差异。这是由于3#与4#刚好处于接触网中间位置，4#吊弦相对较短使得接触网的悬吊重力向4#一侧倾斜，4#位置承担了很大一部分静态力，而4#吊弦一侧的5#、6#吊弦的静态力则相比起对称位置的2#与1#位置均较小。

图4中的单位长度静态力为静态力与对应位置整体吊弦长度的比值，发现其变化规律与静态力基本一致，说明静态力受吊弦位置及初始长度影响较大，单位长度静态力变化趋势不受吊弦长度影响。

3.2 动态力分析

图6对比了一跨内不同位置的吊弦在向上抬升120 mm后吊弦动态力（DF）及单位长度动态力（DFPL）的变化规律。对比发现，当整体吊弦向上抬升相同的位移量后，6根吊弦的动态力大小也是基本对称，其与静态力的变化规律基本相似。其中，最大动态力出现在最短的4#吊弦上，最小的动态力则出现在最长的5#吊弦上，两者相差185.7%，相比静态力差值更大。此外，由于一跨内对称位置的3#与4#位置吊弦长度的差异，导致4#位置一侧（4#、5#、6#）的动态力比 3#位置一侧（1#、2#、3#）明显高出62.4%，并且动态力的幅值差异比静态力更加明显。

图6 一跨内不同位置吊弦动态力及单位长度动态力

同时，图5对比了不同位置吊弦单位长度动态力的变化规律，发现其变化趋势基本与动态力一致，并且也表现出了与单位长度静态力一样的变化规律，说明静态力、动态力均是受到吊弦位置以及初始长度的影响，而单位长度静态力和动态力变化趋势不受吊弦长度的影响。

随着整体吊弦的向上抬升量不同，一跨内不同位置整体吊弦的动态力的变化规律如图7所示，其中抬升量为0 mm指的是静态力。发现随着吊弦的抬升量不断增加，不同位置吊弦的动态受力逐渐增加，其中吊弦向上抬升120 mm相比抬升20 mm，6根吊弦中最大增幅可达112.0%，出现在2#吊弦。相同抬升量不同位置吊弦动态力变化规律与吊弦的静态力变化趋势基本一致，即静态力大的位置，在相同位置的吊弦动态力也最大。说明吊弦动态力与吊弦抬升量基本是正相关，但是其增加的幅值大小还是存在一些差异，如吊弦抬升100 mm时，2#位置吊弦动态力增长相比抬升量80 mm时增长幅值较大。

图7 整体吊弦不同抬升量时的受力

为了将抬升量对吊弦动态受力的影响进一步放大研究，图8中对比了单位抬升量下的动态力，即相同位置下的吊弦动态力与抬升量的比值。从图中可以对比发现，随着吊弦抬升量的增加，单位抬升量下的吊弦动态力反而越来越小，其变化表现出与抬升量负相关性。其中当吊弦抬升20 mm时，单位抬升量下的吊弦动态力最大，最大值出现在4#吊弦，为9.8 N/mm；吊弦抬升120 mm时则最小，最小值出现在5#吊弦，为0.8 N/mm，说明吊弦的动态力增长随吊弦抬升量的增加在逐渐变缓。

图8 整体吊弦单位抬升量下的动态力

3.3 动态系数分析

为了进一步细化不同抬升量时吊弦动态力的增长幅值大小，提出了动态系数的无量纲表征参数——吊弦动态力与静态力的比值，不同抬升量的动态系数变化规律如图9所示。从动态系数的变化规律可以看出，不同位置整体吊弦随着抬升量的增加其动态系数也在不断增大，其增大的幅值与受吊弦位置以及吊弦抬升量影响。其中，在4#吊弦一侧（4#、5#、6#），动态系数变化基本是线性正相关，即动态系数，也是随抬升量增加逐渐等比例线性增加，增长比例在1.0～1.1之间，4#吊弦一侧最大动态系数为2.8，出现在 5#吊弦上。而在 3#吊弦一侧（1#、2#、3#），随着吊弦抬升量的增加，动态系数的增加比例存在较大差异，3#吊弦增长比例为1.1～1.3之间，2#吊弦增长比例为1.0～1.5之间，1#吊弦增长比例为1.0。其中，在2#吊弦位置，增加的比例差异最大。

图9 整体吊弦不同抬升量时的动态系数

从图4中的吊弦长度可以看出，3#与4#位置吊弦长度存在较大差异，导致3#与4#两侧的静态力对称性出现较大差异，并且4#位置一侧的吊弦静态力和动态力相比3#位置一侧均较大。但是对比图7、图8发现，不同抬升量时4#位置一侧的动态力增加比例基本接近，而3#位置一侧的增加比例差异较大，尤其在2#位置最为明显，说明吊弦初始长度对吊弦的受力有重要影响。

一跨内6根整体吊弦理论上应该对称分布，这样可以在静态时抵消接触线、整体吊弦等悬吊线索的重力作用并保证接触网受力均匀，保证接触线与线路平行。当一跨内对称位置（1#与6#、2#与5#、3#与4#）整体吊弦的长度出现较大差异时，此时接触网系统的整体受力会发现倾斜，即系统的“质心”会向吊弦短的一侧倾斜，导致这一侧吊弦的受力相对较大，进而降低吊弦的整体服役寿命。

因此在实际线路的接触网安装过程中，应尽可能的确保对称位置的整体吊弦长度一致，尤其针对300 km/h高速铁路安装过程要提高施工要求，因为高速铁路运行过程中整体吊弦抬升量大，其动态力的幅值更大。

4 结束语

本文通过设计的整体吊弦受力测量装置实测了实际线路的整体吊弦静态力以及不同抬升量下的动态力，深入分析了吊弦位置、吊弦长度、静态力、动态力之间的变化规律以及相关性，得出如下结论：

1）设计的整体吊弦受力测量装置主要由测力传感器、可调螺钉等组成，其可以适应不同位置、不同长度的整体吊弦受力测量。

2）一跨内6根整体吊弦的长度和受力基本是对称分布的，对称位置的吊弦长度不同会使吊弦的受力向短的一侧倾斜，并导致吊弦静态力、动态力出现较大差异。

3）一跨内6根整体吊弦的静态力、动态力变化趋势与吊弦的位置密切相关，并与吊弦的初始长度成反比。

4）整体吊弦的动态力变化与抬升量表现出正相关性，整体吊弦的单位抬升量下的动态力变化则与抬升量表现出负相关性。

5）整体吊弦的动态系数表明了不同抬升量下的吊弦动态力增长幅值大小，发现对称位置吊弦长度差异进一步导致了吊弦动态增长幅值不同。