接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測中受電弓影響因素研究

汪海瑛，楊志鵬，王偉凡，王婧

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

0 引言

列車依靠頂部受電弓與接觸網(wǎng)線之間的滑動(dòng)接觸，保證在行進(jìn)過程中獲得持續(xù)不間斷的電能。在滑動(dòng)接觸過程中，受電弓和接觸網(wǎng)線之間既要保證合適的接觸力，以確保不會(huì)對碳滑板與接觸線等直接進(jìn)行機(jī)械接觸的構(gòu)件產(chǎn)生過大磨耗，同時(shí)還要保證弓和網(wǎng)之間不會(huì)發(fā)生脫離［1］。弓網(wǎng)之間動(dòng)態(tài)作用的好壞，可以通過周期性的動(dòng)態(tài)檢測來確認(rèn)。隨著鐵路進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展時(shí)代，對供電安全服務(wù)品質(zhì)的要求日益提高，同時(shí)供電修程修制改革的深入推進(jìn)，也對接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)檢測提出了更高要求［2-3］。

我國幅員遼闊，自然地理環(huán)境多樣，長期以來區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程也不一致，決定了高鐵路網(wǎng)的特點(diǎn)。從早期的“四縱四橫”到如今的“八縱八橫”，除了形成1、2、3 h高鐵出行圈外，也形成了跨越氣候帶的長大繁忙通道。為適應(yīng)不同地理氣候特征，實(shí)現(xiàn)長期高可靠性運(yùn)營環(huán)境，在不同地區(qū)采用了不同的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)來解決相關(guān)問題。例如，在西北大風(fēng)區(qū)段，會(huì)采取偏重防風(fēng)性能的接觸網(wǎng)；在沿海環(huán)境，考慮大風(fēng)和高鹽的自然環(huán)境侵蝕，在零部件材料選擇方面會(huì)有特殊考慮；而考慮不同區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢，會(huì)優(yōu)化選用速度等級，形成了同一條線路上多種接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。同樣，運(yùn)行在繁忙主干線上的動(dòng)車組也有眾多車型，對應(yīng)配備不同形制的受電弓，因此形成了繁復(fù)的弓網(wǎng)匹配關(guān)系。

接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測結(jié)果可以反映弓網(wǎng)匹配的優(yōu)劣，若要對不同弓網(wǎng)組合進(jìn)行比較，對檢測結(jié)果進(jìn)行更科學(xué)的評判，則需對引起檢測差異性的因素進(jìn)行深入研究。由于實(shí)際運(yùn)營場景較為龐雜，很難通過實(shí)驗(yàn)手段復(fù)現(xiàn)，因此現(xiàn)有弓網(wǎng)研究多通過仿真或半實(shí)物仿真技術(shù)進(jìn)行機(jī)理性探索。目前我國高速受電弓型號主要有DSA250、DSA380、TSG19和CX系列，文獻(xiàn)［4］采用實(shí)驗(yàn)手段對DSA380型受電弓弓頭模態(tài)振型進(jìn)行研究，掌握該參數(shù)可以有效規(guī)避弓網(wǎng)共振，提升弓網(wǎng)設(shè)計(jì)水平；文獻(xiàn)［5］利用半實(shí)物半虛擬混合模擬方法，以DSA380型受電弓為對象，控制變量為簡單鏈型懸掛結(jié)構(gòu)下的不同接觸網(wǎng)參數(shù)，研究其對弓網(wǎng)接觸力的影響。

動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù)體現(xiàn)弓網(wǎng)運(yùn)行過程中各種因素的共同作用，數(shù)據(jù)間的差異性反映不同受電弓/接觸網(wǎng)配置間的區(qū)別，在此，基于實(shí)測數(shù)據(jù)就不同類型受電弓對接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測的影響進(jìn)行研究。

1 受電弓結(jié)構(gòu)特性與受力分析

在我國高速鐵路技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，常見車型與受電弓參數(shù)見表1［6］。由表1可知，300～350 km/h速度等級的高速受電弓有DSA380、TSG19和CX系列；200～250 km/h速度等級受電弓主要是DSA250。3種高速受電弓主要技術(shù)參數(shù)比較見表2［7］。

表1 常見車型與受電弓參數(shù)

表2 3種高速受電弓主要技術(shù)參數(shù)比較

除傳遞電能外，受電弓應(yīng)具有的最基本性能是跟隨性，該特性主要通過受電弓的框架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。表2所列3種受電弓均為單臂受電弓，這種設(shè)計(jì)可以減輕受電弓質(zhì)量且結(jié)構(gòu)簡單，但不同受電弓開口方向上的空氣動(dòng)力學(xué)性能會(huì)受到影響。CX系列受電弓是單滑板，DSA380與TSG19都是雙滑板，單滑板意味著更輕的弓頭質(zhì)量，在受電弓運(yùn)行過程中因振動(dòng)而產(chǎn)生的慣性作用力也會(huì)減小。此外，CX系列受電弓有主動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠隨著列車運(yùn)行速度和接觸網(wǎng)參數(shù)的變化來調(diào)整受電弓的靜態(tài)接觸力，從而實(shí)現(xiàn)對弓網(wǎng)之間平穩(wěn)接觸壓力的控制。

在弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中，受電弓與接觸線間的接觸力P可由式（1）表示［8］：

式中：P0為受電弓的靜態(tài)接觸力，N；Pm為受電弓框架鉸接處的摩擦阻力，是阻止受電弓運(yùn)動(dòng)的力，因此方向總是與受電弓運(yùn)動(dòng)方向相反；Pa為動(dòng)態(tài)接觸力分力，由受電弓框架和弓頭2部分在跟隨接觸線高度與彈性變化過程中產(chǎn)生，與跨距、運(yùn)行速度以及弓頭視在質(zhì)量都有關(guān)系；Pk為空氣動(dòng)力，理想情況下，其目標(biāo)值應(yīng)與運(yùn)行速度的平方有線性關(guān)系。在列車行進(jìn)過程中，弓頭總是沿著一定高度做往復(fù)的上下運(yùn)動(dòng)，弓網(wǎng)接觸力也在此過程中時(shí)刻發(fā)生變化。不同的受電弓設(shè)計(jì)方案，呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)特性，如CX系列受電弓具有主動(dòng)控制功能，受電弓靜態(tài)力可自動(dòng)調(diào)節(jié)，因而P0在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中就成為1個(gè)變量，這種差異將會(huì)顯著影響動(dòng)態(tài)檢測的結(jié)果。

2 接觸網(wǎng)類型與特點(diǎn)

依據(jù)TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》和TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定：

（1）接觸線懸掛點(diǎn)高度不宜小于5 300 mm，最低點(diǎn)不宜小于5 150 mm，最高點(diǎn)不宜大于6 500 mm；我國300～350 km/h速度等級高鐵接觸線高度設(shè)計(jì)比較統(tǒng)一，均為5 300 mm；200～250 km/h速度等級高鐵接觸線高度設(shè)計(jì)值差異較大，尤其是200 km/h等級線路，設(shè)計(jì)值偏高，有大量6 000 mm和6 400 mm情況存在。

（2）接觸線在直線區(qū)段應(yīng)按“之”字布置，拉出值宜采用200～300 mm；我國高鐵接觸網(wǎng)拉出值的布置在各速度等級都沒有太大差異，主要采取±200、±250、±300 mm幾個(gè)典型值。

（3）對于跨距，設(shè)計(jì)速度為250～350 km/h線路，當(dāng)采用簡單鏈型懸掛時(shí)，推薦標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)跨距為50 m，最大跨距為55 m；當(dāng)采用彈性鏈型懸掛時(shí)，設(shè)計(jì)速度為250 km/h線路，推薦標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)跨距為60 m，最大跨距為65 m；對于設(shè)計(jì)速度為300～350 km/h線路，推薦標(biāo)準(zhǔn)跨距為55 m，最大跨距為60 m。實(shí)際情況中，對于300～350 km/h線路，主要采用50 m跨距，而速度等級更低的200～250 km/h線路也很少采用60～65 m的大跨距。

（4）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對每種接觸網(wǎng)-受電弓之間相互作用進(jìn)行仿真評估，針對弓網(wǎng)接觸力，要求接觸力的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差不得超過0.3Fm。Fm代表平均接觸力，是一個(gè)與速度相關(guān)的變量。

（5）波動(dòng)傳播速度與最高設(shè)計(jì)速度之比不應(yīng)小于1.4。

接觸線的波動(dòng)傳播速度c是對接觸性能影響較大的重要指標(biāo)，計(jì)算公式如式（2）：

式中：T為張力；ρ為線密度。

目前我國300 km/h速度等級及以上線路，絕大多數(shù)都采用截面積為150mm2的銅合金接觸線；200～250 km/h速度等級線路中預(yù)留更高速度等級情況的，也采用150mm2的銅合金接觸線，還有部分采用120mm2的銅合金接觸線。各種接觸線及張力配置下的波動(dòng)傳播速度見表3。

表3 各種接觸線及張力配置下的波動(dòng)傳播速度

鏈型懸掛的固有頻率f反映以承力索和接觸線為整體的接觸懸掛在受到擾動(dòng)后，表現(xiàn)出來的振動(dòng)形式特征，計(jì)算公式如式（3）：

圖1 某200 km/h速度等級線路跨距統(tǒng)計(jì)

表4 接觸懸掛固有頻率［9］

3 受電弓影響因素分析

3.1 受電弓開口方向

受電弓在不同的開口方向運(yùn)行時(shí)，框架的上、下臂桿會(huì)受到不同的風(fēng)力作用。文獻(xiàn)［10］利用仿真方法對高速受電弓的開閉口運(yùn)行特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)受電弓開口運(yùn)行時(shí)整弓氣動(dòng)阻力比閉口運(yùn)行時(shí)大。在此，基于檢測數(shù)據(jù)對開閉口特性進(jìn)行分析。3條300～350 km/h速度等級全補(bǔ)償彈性鏈型懸掛線路在270～350 km/h速度時(shí)，基于某型受電弓測得的弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)分布見圖2，其標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)單元為跨。

圖2 不同開口方向的弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)

由圖2可知，不論是開口還是閉口方向運(yùn)行的弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差，其統(tǒng)計(jì)分布基本符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，二者略呈右偏態(tài)，開口方向偏度為0.69，閉口方向偏度為0.91；二者的峰度也較為接近，開口方向峰度2.30，閉口方向峰度2.56。由于二者均呈右偏態(tài)，因此算術(shù)平均值都大于中位數(shù)，其中開口方向均值為21.91，中值為21.38；閉口方向均值為19.06，中值為18.34。不同開口方向的弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表5，其中統(tǒng)計(jì)單元為跨，表5中列出的區(qū)間為每個(gè)統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目的四分位距?？傮w而言，開口方向弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差相較閉口方向要大，即開口方向的力的波動(dòng)變化要更劇烈一些。

表5 不同開閉口弓網(wǎng)接觸力數(shù)據(jù)

3.2 受電弓型號

我國高鐵使用的受電弓主要為DSA380和TSG19等幾種，弓頭的不同滑板列數(shù)、是否采用氣流調(diào)節(jié)翼片，以及是否采用主動(dòng)控制系統(tǒng)都對受電弓的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生不同影響。在300～350 km/h速度等級全補(bǔ)償彈性鏈型懸掛結(jié)構(gòu)下，2種不同型號受電弓在同一開口方向的檢測結(jié)果見圖3。由圖3可知，2種型號受電弓在300 km/h速度等級情況下，測得的弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)分布基本符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。二者均呈右偏態(tài)，其中受電弓A偏度為0.57，受電弓B偏度為0.50；二者的峰度差異相對較大，受電弓A的峰度為3.64，受電弓B的峰度為1.20。由于二者呈右偏態(tài)，因此算術(shù)平均值都大于中位數(shù)，但由于此例中偏度較小，因而二者差別不是很明顯。其中，受電弓A均值為24.53，中值為23.96；受電弓B均值為22.06，中值為21.37。不同受電弓型號下的弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表6，其統(tǒng)計(jì)單元為跨。總體而言，受電弓A在300 km/h速度等級弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差與受電弓B相比略大，即不同受電弓之間弓網(wǎng)接觸力存在差異。與前面不同開口方向的結(jié)果相比，不同型號受電弓之間接觸力極差變大，在該測試條件下，不同受電弓間的差異要大于同一受電弓不同使用方向的差別。

圖3 不同型號受電弓弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)

表6 不同受電弓型號弓網(wǎng)接觸力數(shù)據(jù)

3.3 受電弓工作高度

受電弓需要具有良好的跟隨性，才能保證列車高速運(yùn)行過程中與接觸線的穩(wěn)定接觸。受電弓不同結(jié)構(gòu)位置的支持與摩擦阻力作用，可以保證其能適應(yīng)不同的接觸線高度。在此，對不同工作高度下的檢測結(jié)果進(jìn)行比較。對于接觸線高度分別為6 000 mm和6 450 mm兩種情況下的簡單鏈型懸掛（速度為180～220 km/h），開口方向均一致的弓網(wǎng)接觸力檢測統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖4。減去動(dòng)車組車體高度和受電弓支撐絕緣子高度后，對應(yīng)的升弓高度分別為1 600 mm與2 050 mm。

由圖4可知，同種型號受電弓在2種工作高度下、運(yùn)行速度在200 km/h時(shí)的弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)分布，基本符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，二者均呈右偏態(tài)，其中升弓高度1 600 mm情況下偏度為0.91，升弓高度2 050 mm情況下偏度為0.84；二者的峰度差異相對較大，前者峰度為2.78，后者峰度為1.80。由于二者呈右偏態(tài)，因此算術(shù)平均值都大于中位數(shù)。升弓高度1 600 mm情況下，均值為20.26，中值為19.32；升弓高度2 050 mm情況下，均值為23.21，中值為22.48。受電弓在不同工作高度情況下的弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表7。由表7數(shù)據(jù)可知，在簡單鏈型懸掛情況下，受電弓在較低的工作高度比工作高度較高的情況下，弓網(wǎng)接觸力的穩(wěn)定性要好，波動(dòng)較為平緩。不同類型的受電弓工作范圍略有不同，但上部工作位置高度基本為2 400～2 500 mm，依照GB/T 21561.1—2018《軌道交通：機(jī)車車輛受電弓特性和試驗(yàn)：第1部分：干線機(jī)車車輛受電弓》中的要求，在2 050 mm的工作高度下基本超過受電弓最大工作高度的80%，而在此區(qū)間內(nèi)，通常靜態(tài)接觸力的允差也開始變大；此外，不同批次受電弓還擁有不同的靜態(tài)接觸力曲線，因而會(huì)對動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的性能產(chǎn)生不同程度影響。

圖4 不同工作高度弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)

表7 不同工作高度弓網(wǎng)接觸力數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

我國高鐵已進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段，在提質(zhì)增效的背景下，對鐵路供電品質(zhì)與養(yǎng)護(hù)維修效率等都提出了更高要求。對牽引供電設(shè)備進(jìn)行定期檢測以確保良好的服役狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵一環(huán)。通過對我國動(dòng)車組受電弓的類型與特性進(jìn)行分析，以接觸懸掛固有頻率和波動(dòng)傳播系數(shù)等特征研究接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并基于檢測數(shù)據(jù)得到受電弓對動(dòng)態(tài)檢測的影響分析。通過對影響檢測結(jié)果因素的分析，有助于提升檢測品質(zhì)，同時(shí)便于進(jìn)一步形成更為細(xì)致的分級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的精準(zhǔn)維修策略，以實(shí)現(xiàn)更高品質(zhì)、更高可靠性的鐵路供電系統(tǒng)。