基于新型吊弦的高速鐵路接觸網受流特性研究

李 鑫,劉文正,孫 成,2,伊金浩,徐 旻

(1.北京交通大學電氣工程學院,北京 100044； 2.株洲中車時代半導體有限公司,湖南株洲 412001)

引言

高速列車通過受電弓與接觸網的滑動接觸獲取電流。當弓網間接觸力過大時，會增大受電弓滑板和接觸線的磨耗；當弓網間接觸力過小時，會發生弓網離線產生電弧，燒蝕接觸線和受電弓滑板，降低弓網系統的使用壽命[1]。因此，在高速運行的狀況下保持弓網間接觸力處于合適的范圍是非常重要的。吊弦是鏈型懸掛接觸網的重要組成部分之一，一方面連接接觸線和承力索起到懸吊的作用，另一方面根據吊弦材料的屬性又影響著接觸網的剛度分布，從而影響受電弓的抬升，進而影響接觸力的變化。同時，由于弓網振動較大，吊弦工作載荷大，吊弦線磨損斷股等原因，吊弦斷裂的事故時有發生[2]。吊弦發生故障必然使接觸網結構發生變化，引起接觸力變化，影響弓網受流質量[3]。

目前，國內外學者對吊弦進行了許多研究。文獻[4]統計了高速鐵路運行中吊弦斷裂的情況，在吊弦心形環處、中部和壓接處斷裂占比分別為68.2%、18.2%和13.6%。CHO Yong-hyeon等分析了接觸網剛度、吊弦是否卸載內力等因素對弓網受流質量的影響[5-7]。董貫闊等在弓網仿真模型中分析吊弦的動態受力，發現提高接觸網彈性可以延長吊弦壽命[8]。楊家偉等研究了吊弦數量和質量對接觸網振動和波動的影響[9]。以上研究均是對多個跨距內的接觸力的統計規律進行分析，而缺少對引起接觸力峰值和受流質量變差的原因分析。

本文基于接觸網剛度分布研究吊弦參數對受流質量的影響，找出吊弦參數的優化方向，選擇滿足要求的新型吊弦材料，并對比采用傳統吊弦和新型吊弦的弓網受流質量，最后討論新型吊弦斷裂對受流質量的影響。

1 弓網耦合模型和計算方法

1.1 弓網仿真模型

在有限元軟件Marc.MSC中建立弓網模型，其中接觸網模型根據京津城際鐵路簡單鏈型懸掛接觸網實際結構參數，采用歐拉-伯努利梁單元進行建立[10]；受電弓模型根據單滑板CX-NG型受電弓參數，采用三質量塊等效模型進行建立[11-13]。弓網模型的結構參數如圖1所示，其中1～6號為吊弦編號。

圖1 弓網模型示意(單位：m)

1.2 仿真模型的驗證

為了驗證仿真模型的合理性，根據EN50318標準中給定的弓網參數進行模型建立，并將仿真結果與標準規定的指標進行比較，如表1所示。從表1可以看出，仿真結果符合標準規定。表2所示的實測數據來自350 km/h京津城際武清至天津區間083-09和084-11錨段[14-15]，與仿真數據的對比結果，符合標準中規定的仿真值與實測值誤差在±20%以內的規定。

表1 仿真結果與標準范圍對比

表2 仿真結果與線路實測結果對比

1.3 接觸網剛度計算

針對接觸網剛度分布和接觸力進行研究。其中接觸網剛度的計算公式可以根據EN50119標準得到，記為

(1)

式中，K為接觸網在位置x處的剛度值；P為抬升力；Y(x)表示在抬升力作用下接觸線在位置x處的抬升量。

2 吊弦參數對接觸網剛度分布和接觸力的影響

針對吊弦材料的線密度和楊氏模量兩個參數，探究吊弦參數對接觸網剛度分布和弓網接觸力的影響。

2.1 線密度對接觸網剛度分布和接觸力的影響

在同等長度和截面積的情況下，吊弦的線密度決定了吊弦的質量。在京津城際鐵路接觸網結構參數的基礎上，保證接觸線高度為設計高度的情況下，改變吊弦的線密度分別為30，90 g/m和150 g/m，對于接觸網中間段的一個跨距進行抬升量的采集，根據公式(1)，計算得出接觸網在一個跨距內的剛度值，如圖2所示。

圖2 一跨接觸網剛度計算值

從圖2可以看出，簡單鏈型懸掛接觸網的剛度值從1號和6號吊弦懸掛點向跨距中間呈現減小的趨勢，在吊弦點處的剛度值要大于吊弦懸掛點附近的剛度值。剛度值的最大點在1號和6號吊弦懸掛點處，并且在這兩個吊弦點兩側的剛度變化最大。隨著吊弦線密度的減小，尤其在1號和6號吊弦點處的剛度值減小較為明顯，其他吊弦懸掛點處剛度值略有減小。這是因為吊弦的質量匯集于懸掛點處，吊弦線密度的減小意味著吊弦質量的減小，從而使得吊弦懸掛點處的抬升變得更容易。而跨距中部的剛度值變化不大，這是因為接觸網懸掛機構的質量向跨距中間匯集，由于接觸線的質量較大，抬升量的變化較小。

為了研究吊弦線密度對弓網接觸力的影響，設定吊弦的線密度分別為30，90 g/m和150 g/m，在運行速度為350 km/h的條件下進行弓網接觸力的仿真計算，得到如圖3所示的弓網接觸力曲線。

圖3 不同吊弦線密度一跨距弓網接觸力曲線

從圖3可以看出，隨著吊弦線密度的改變，簡單鏈型懸掛接觸網的接觸力曲線形貌規律基本不變，但接觸力的數值有著較為明顯的變化。隨著吊弦線密度的增加，吊弦懸掛點附近的接觸力變化幅度較大，在跨距首端定位點與1號吊弦懸掛點之間和6號吊弦懸掛點附近接觸力變化劇烈，跨距內其他吊弦懸掛點處的接觸力最大值都變大。當吊弦的線密度為150 g/m時，接觸力最大值達到330 N，最小值接近60 N，不利于穩定受流。這是因為吊弦線密度的變化使得接觸網剛度分布發生了變化，在高速運行條件下，硬點的影響更為顯著，硬點處不容易抬升，接觸力數值變化較大。

2.2 楊氏模量對接觸網剛度分布和接觸力的影響

楊氏模量是吊弦材料的一個重要性能參數，對于吊弦而言，直接影響吊弦的剛度，作為連接接觸線和承力索的受力部件，其剛度值影響了接觸網的剛度分布。在京津城際鐵路接觸網結構參數的基礎上，改變吊弦的楊氏模量分別為70，110 GPa和150 GPa，得出跨距內的剛度值，如圖4所示。

圖4 一跨距接觸網剛度計算值

從圖4可以看出，簡單鏈型懸掛接觸網吊弦的楊氏模量和線密度對接觸網剛度分布的影響有著相同的趨勢。隨著吊弦楊氏模量的增大，在吊弦懸掛點剛度略有增大，在1號和6號吊弦懸掛點處剛度值較其他吊弦點處增大的多。這是因為吊弦的剛度值隨著楊氏模量的增大而增大，吊弦的剛度值越大越難產生形變，所以吊弦懸掛點處抬升量變小，使得接觸網剛度增大。而跨距中間的剛度值變化不明顯，這同樣與接觸網自身的結構和懸掛點位置有關。

為了研究吊弦的楊氏模量對弓網接觸力的影響，設定吊弦的楊氏模量分別為70，110 GPa和150 GPa，在運行速度為350 km/h的條件下，進行弓網接觸力的仿真計算，得到如圖5所示的弓網接觸力曲線。

圖5 不同楊氏模量吊弦一跨距弓網接觸力曲線

從圖5可以看出，簡單鏈型懸掛接觸網接觸力的最大值隨著楊氏模量的增大而增大，吊弦楊氏模量的變化對于跨距首端定位點和1號吊弦懸掛點之間和6號吊弦懸掛點附近的接觸力影響較為明顯，接觸力變化幅度變大，在其他吊弦懸掛點處接觸力最大值也有所增大。這是因為接觸網的剛度分布隨著吊弦楊氏模量的改變而變化，在吊弦懸掛點處接觸線不容易抬升，使得接觸力幅值變大，變化幅度大。受接觸網結構影響，各個懸掛點的變化情況不相同。

3 基于新型吊弦的弓網關系研究

由上一章分析可知，減小吊弦的線密度和楊氏模量可以使接觸網剛度分布更平緩，可以明顯降低吊弦懸掛點附近接觸力最大值和變化幅度，提高弓網受流質量。以改善弓網受流質量和改善吊弦斷裂為目的，選取合適的吊弦材料，并進行接觸網剛度和弓網接觸力的對比分析。

3.1 新型吊弦材料的確定

中國鐵道行業標準中規定：吊弦線采用牌號JTMH10銅合金絞線，拉斷力不小于5.67 kN，壓接后吊弦線與壓接管之間的滑動荷重不小于3.9 kN。JTMH10銅合金絞線的線密度90 g/m、楊氏模量113 GPa、標稱截面積10 mm2、抗拉強度0.6 GPa、拉斷力不小于5.7 kN。

一般情況下，吊弦僅僅起到機械連接的作用。文獻[16-17]指出，吊弦燒斷的主要原因有以下幾點：列車提速后牽引電流增大使得原本不分流的吊弦載流量增大，致使吊弦燒斷；列車取流較大時，接觸線和承力索之間存在電位差，電流流過燒斷吊弦；由于高速運動的受電弓對接觸線產生沖擊，引起接觸網振動，破壞吊弦正常受力，造成機械損傷，產生的電弧放電也會燒蝕吊弦等。

采用絕緣材料作為吊弦材料會防止吊弦被燒斷，考慮采用合成纖維材料替代現有吊弦材料。合成纖維原材料來源廣泛，生產成本不高，具有良好的機械、物理和化學性能，包括高強度、低密度、耐疲勞、阻燃和耐高溫等特性，一些特種纖維性能更為優良[18-21]。選取芳綸中的Kevlar29和Kevlar49纖維、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維等6種合成纖維材料與JTMH10銅合金絞線進行對比，如表3所示。

表3 材料的性能參數

由于膨脹系數的不同，隨著溫度變化材料會產生不同情況的熱脹冷縮現象，而高速鐵路對于吊弦長度的安裝精度要求較高，因此也要考慮材料隨溫度變化的伸縮量。圖6所示為各種材料在-40～120 ℃的伸縮量變化。

圖6 不同材料伸縮量隨溫度的變化

綜合表3和圖6可以看出，尼龍66不滿足吊弦材料力學方面的要求，UHMWPE不能滿足吊弦的工作溫度要求，玻璃纖維、Kevlar29、Kevlar49和碳纖維M40的伸縮量受溫度的影響較小，但玻璃纖維和碳纖維不耐磨。在滿足材料強度的條件下，從線密度小、楊氏模量小的角度考慮，Kevlar29滿足要求。Kevlar 29材料強度大，耐磨、耐疲勞性能好，可以解決吊弦由于機械損傷造成吊弦斷裂的問題；耐高溫和絕緣性能可以改善燒斷吊弦的問題。因此，選用Kevlar29芳綸材料作為新型吊弦材料。

3.2 基于新型吊弦材料的接觸網剛度分布和接觸力分析

將吊弦按照Kevlar29芳綸材料的參數進行設置，并與現有吊弦材料為JTMH10的接觸網進行接觸網剛度分布的對比，如圖7所示。在列車運行速度為350 km/h的條件下，進行弓網接觸力的仿真計算，如圖8所示。

圖7 一跨距接觸網剛度計算值

圖8 一跨距接觸力曲線

從圖7和圖8可以看出，采用新型吊弦的簡單鏈型懸掛接觸網的剛度值得到改善，在1號和6號吊弦處剛度值減小明顯，在吊弦懸掛點處的接觸力幅值和變化幅度都減小，能夠改善弓網受流質量。

4 結論

根據京津城際鐵路接觸網的實際參數建立弓網仿真模型，分析了吊弦參數對于接觸網剛度分布和弓網接觸力的影響，通過材料性質的對比，在滿足鐵道行業標準的條件下，選取Kevlar29纖維作為新的吊弦材料，得出以下結論。

(1)采用線密度小、彈性模量小的吊弦有利于改善接觸網的剛度分布，降低接觸力的幅值和變化幅度，提高弓網受流質量。

(2)Kevlar29纖維滿足吊弦材料的標準規定，可以作為新型吊弦材料。采用新型吊弦的能改善接觸網剛度分布，在提高弓網受流質量的同時，能夠改善吊弦斷裂的問題。