400 km/h高速鐵路接觸網系統研究展望

高仕斌 劉志剛 楊 佳，2

(1.西南交通大學， 成都 610031; 2.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

受電弓-接觸網系統的動態特性決定了高速列車能否可靠運行。目前我國已在350 km/h速度級高速鐵路接觸網系統的設計、施工、運營維護上積累了許多經驗，但限于理論規范、試驗數據的不足，弓網系統動態性能指標制定方面落后于歐洲國家。當列車速度提升至400 km/h時，接觸網系統不僅要面臨速度上50 km/h的提升，還要面臨空氣阻力造成的弓網穩定受流指數的增長。因此，350 km/h速度級高速鐵路接觸網系統的經驗能否直接適用仍是個未知數。

高速鐵路線路試驗成本高，難度大，仿真分析方法成為了接觸網系統研究的主要手段。為引領高速鐵路技術的發展，針對400 km/h高速鐵路接觸網系統的研究，本文提出以下三個研究開展方向：(1)總結350 km/h高速鐵路接觸網系統技術體系的研究成果與不足；(2)研究適用于400 km/h高速鐵路接觸網系統的仿真分析手段；(3)結合現有高速鐵路檢測數據和沖高試驗數據，確定相關弓網接觸力評價標準。

1 現有高速鐵路接觸網系統技術體系

400 km/h高速鐵路接觸網系統研究的首要工作是理清現有350 km/h高速鐵路接觸網系統技術體系，主要聚焦在接觸網振動和波動理論、弓網受流質量及評價體系、接觸網系統檢測監測手段和高速接觸網零部件體系四個方面。

1.1 接觸網振動和波動理論

目前接觸網波動特性指標主要源于德國西門子公司[1]及歐標EN 50119-2020[2]，是基于數學推導、現場試驗和工程經驗總結的比較通用的接觸網設計指標，包括波動傳播速度、反射系數、多普勒系數、放大系數以及固有頻率等。該指標在世界范圍通用，也是我國接觸網設計標準[3-4]的主要參考源。

設定接觸網運行速度的主要指標為接觸網的波動傳播速度，根據運行經驗，總結接觸網波動傳播速度與設計速度的關系如表1所示。

表1 接觸網波動傳播速度與設計速度的關系表

接觸網反射系數用來量化振動波在吊弦等處的反射，反射系數越小，反射波對弓網受流質量的影響越小，通常認為反射系數在0.4左右即可滿足要求。多普勒系數是衡量受電弓前方波動放大效應的重要指標，其值應大于0.15。放大系數反映了集中質量點(通常為吊弦點)對振動波的連續反射情況，放大系數應在0.4～2之間。

1.2 弓網受流質量及評價體系

弓網受流質量的重要評價指標為弓網動態接觸壓力。合適的動態接觸壓力是確保高速列車平穩運行的前提條件。列車運行速度的提高和環境風的影響會加劇受電弓和接觸網之間的振動，從而使接觸線和受電弓間的接觸壓力產生惡化。弓網接觸壓力可以反映在受電弓與接觸線的取流質量上，要使弓網系統保持良好受流，弓網動態接觸壓力需維持在合適的范圍內。

通常用接觸壓力的統計值做指標來評價弓網受流質量，接觸力的常用統計值包括最大值、最小值、平均值以及標準差。國內外主要標準對弓網接觸力統計值的相關規定如表2所示。

表2 國內外主要標準中對弓網接觸力的規定值表

由表2可知：

(1)國內外標準均規定平均接觸力的最大值為 0.000 97v2+70 N。

(2)國內規范對最小平均接觸力均無規定，歐標EN 50367-2012[5]規定平均接觸力最小值為0.000 47v2+60 N。

(3)國內規范規定接觸力最大值為350 N，歐標EN 50119-2020規定接觸力最大值為400 N。

(4)國內外規范均規定接觸力最小值應大于0，且接觸壓力統計最小值應滿足式(1)的要求：

Fmin=Fm-3σ>0

(1)

式中：Fmin——接觸壓力統計最小值；

Fm——接觸壓力平均值；

σ——接觸壓力標準差。

從統計學角度講，當接觸壓力統計最小值為正時，弓網離線的概率將不會超過1%。

1.3 弓網系統檢測監測手段

我國采用高速鐵路供電安全檢測監測系統(6C系統)作為弓網系統檢測的監測手段，其中動態檢測主要是檢測弓網系統的動態性能，包括拉出值、接觸線高度、接觸壓力和燃弧時間等。靜態檢測主要是檢測高速鐵路接觸網支持裝置零部件的狀態。

對于評判弓網系統動態性能的拉出值、接觸線高度、弓網接觸力和燃弧時間4個檢測量，鐵路部門采用層次分析法確定各項檢測評價量的權重系數，計算關于接觸網動態性能的綜合指標值(Catenary Dynamic Index)[6-7]，用于綜合反映和定量評價接觸網的動態性能。

目前，基于成像技術的專用接觸網檢測車(以下統稱4C檢測系統)已初步應用于高速鐵路接觸網支持裝置零部件的狀態檢測，但接觸網支持裝置零部件的復雜性和多樣性，給4C檢測系統的應用帶來了嚴峻的挑戰。

1.4 高速接觸網零部件體系

我國350 km/h高速電氣化鐵路接觸網多采用鋁合金制腕臂。其具有重量輕、美觀、防腐性能好等優點且方便精確預配和安裝，同時還具有良好的韌性及延展性，抗疲勞、抗振性能也較優異。

為方便設計、制造、施工和運維，降低系統壽命周期成本，提高系統的安全性、可靠性、可用性和可維護性，我國對接觸網系統和裝備進行了簡統化設計[8]。簡統化腕臂結構更加簡潔、合理：(1)減少了螺栓數量，方便安裝，采用輕型鉸接非限位弓形結構定位器，弓網匹配好，提升了安全裕度；(2)采用銷軸鉸接式與定位底座連接，腕臂支撐、定位管支撐采用實心型材，簡化了結構和工藝，提升了可靠性；(3)對整體吊弦、中心錨結、終端錨固線夾、下錨、彈性吊索線夾、電連接裝置及線岔的技術條件進行了體系化確立。簡統化腕臂結構示意如圖1、圖2所示。

圖1 簡統化腕臂結構和定位裝置正定位示意圖

圖2 簡統化腕臂結構和定位裝置反定位示意圖

1.5 高速接觸網技術體系不足

10余年來，我國高速鐵路建設成果斐然，但仍存在理論體系落后于工程經驗的問題，尤其是在標準制定方面，仍以歐標作為參考模板。現有高速鐵路接觸網系統的短板主要有以下幾方面：

(1)雙弓-網系統的振動和波動理論尚不成熟。

(2)弓-網系統離線行為及其對受流質量的影響不明晰。

(3)缺乏弓網系統高頻參數檢測體系化手段。

(4)接觸網零部件損傷機理不明確。

(5)現有標準基于歐標，缺乏高速弓網系統動態評估標準。

因此，我國亟需補足350 km/h高速鐵路接觸網體系的技術短板，建立400 km/h高速鐵路接觸網理論體系，形成400 m/h高速鐵路的中國標準。

2 400 km/h高速鐵路接觸網系統仿真技術

既有弓網數學模型主要針對350 km/h及以下速度，當列車速度超過350 km/h時，需著重考慮以下因素對弓網動態性能的影響：

(1)受電弓超高速運行時，接觸網的振動更加劇烈，接觸線、承力索和彈性吊索的幾何非線性影響更加顯著，數學模型需精確描述其大變形的幾何非線性。

(2)傳統索單元無法考慮線索的彎曲剛度，超高速運行時，線索的色散效應更加明顯，數學模型需精確描述接觸網線索的彎曲剛度。

2.1 受電弓-接觸網模型

采用ANCF梁單元模擬接觸線和承力索發生大變形時的幾何非線性和彎曲剛度[9-10]，采用非線性桿單元模擬吊弦工作在不同伸縮狀態表現出的不光滑非線性。借鑒土木工程中的結構找形方法計算接觸網的初始形態，基于非線性有限元過程求解弓網的動態行為，建立的接觸網模型如圖3所示。所采用的受電弓模型為常用的三自由度歸算參數模型，弓網之間的交互作用采用罰函數方法進行描述，如圖4所示。

圖3 接觸網非線性有限元模型土圖

圖4 受電弓三自由度歸算參數模型圖

2.2 受電弓-接觸網模型驗證

為驗證弓網仿真模型的準確性，基于Bruni等人[11]總結的弓網仿真軟件計算結果及歐標EN 50318-2018[12]，通過多個仿真算例驗證靜態找形結果和動態結果的正確性。模型驗證結果如表3、表4所示。

表3 靜態結果驗證表

從表3、表4可以看出，各項靜、動態結果均符合標準規定。

表4 動態結果驗證表

2.3 400 km/h仿真適應性分析

基于400 km/h接觸網系統初步設計結果，建立弓網模型仿真驗證速度 400 km/h及速度 440 km/h時的弓網動態特性。接觸網參數如表5所示，受電弓選用SSS400+型受電弓。按照EN 50318-2018與TB 10009-2016要求進行數據處理(20 Hz低通濾波)。

表5 接觸網參考模型基本參數表

仿真結果全局接觸壓力統計值如表6所示，錨段關節接觸壓力統計值如表7所示。

表6 全局接觸壓力統計值表

表7 錨段關節接觸壓力統計值表

由表6、表7中可知，在現行數據處理標準下，接觸網優化設計方案可滿足SSS400+型受電弓400 km/h和440 km/h的單弓運行要求，可滿足SSS400+型受電弓400 km/h下的雙弓運行要求，表現在：

(1)400 km/h和440 km/h時，全局接觸網、錨段關節位置的前弓接觸力統計指標值均符合相關要求，但隨著運行速度的增加，最大接觸力、平均接觸力、最小接觸力、接觸力標準差、定位器最大抬升量均出現顯著升高趨勢，可能會導致受電弓磨損加劇、拉弧頻繁，引發電氣安全事故，因此對于400 km/h以上接觸網，應考慮納入輔助評估指標，避免將接觸力作為唯一評估標準。

(2)28 kN/36 kN張力方案的理論最大運行速度為411 km/h，與440 km/h的運行速度之間存在矛盾。現行標準規定20 Hz低通濾波僅限定于350 km/h以下的運行狀態，對于400 km/h及以上的弓網系統，現行標準所得評估結果的可靠性無法驗證。

3 400 km/h接觸力評價標準

由上述400 km/h級接觸網分析結果可知，采用國內外現行弓網系統評價標準(20 Hz低通濾波)對400 km/h及以上的弓網系統進行評價時，評估結果與經驗標準均存在較大差異(極限運行速度>接觸網波動速度×0.7)。因此需提出適用于400 km/h的接觸力評價標準。

以歐標EN 50318-2018為例，該標準提出的20 Hz濾波閾值特別指出：“濾波范圍應包含吊弦間距相關頻率和跨距相關頻率”。對于350 km/h及以上弓網系統，吊弦相關頻率已上升至20 Hz以上范圍(如圖5所示)。因此，現行數據處理標準不僅無法滿足400 km/h及以上弓網系統動態性能評價的需求，還會造成評價結果可靠性的下降。

圖5 弓網系統運行速度與截止頻率關系圖

基于現有標準及相關研究，本文提出3種新型弓網系統動態性能評價標準(如表8所示)，分析不同標準下所得接觸力是否滿足400 km/h及以上運行要求，探索匹配于400 km/h及以上弓網系統的接觸力評價標準。其中，截止間距為標準中20 Hz采樣頻率下運行速度對應的采用間距。

表8 3種400 km/h弓網系統接觸力評價標準方案表

分別采用上述3種方案對仿真結果重新評價，結果如表9所示。

表9 接觸壓力統計值表

由表9可知：

(1)在方案Ⅰ、方案Ⅱ兩種新型評價標準下，接觸網設計方案仍可滿足400 km/h下的雙弓運行要求，表現為前、后弓接觸力統計指標均在許可范圍內。

(2)在3種新型評價標準下，接觸網設計方案可滿足440 km/h下的單弓運行要求，表現為前弓接觸力統計指標均在許可范圍內，但后弓統計值存在負值。

(3)在3種新型評價標準下，接觸網設計方案無法滿足440 km/h及以上雙弓運行要求，表現為前、后弓統計指標存在負值。

(4)采用新型接觸力評價標準對弓網系統的極限運行速度進行評估，所得結果與經驗標準(接觸網波動速度×0.7)接近，具有一定可靠性。

4 結束語

400 km/h高速鐵路接觸網系統代表全球高速鐵路接觸網研究的最高水準，是建立成套400 km/h高速鐵路理論體系的重要一環，需要把能代表中國最高水平的新材料、新技術、新工藝、新工法、新體系等最新成果展現出來。本文總結了350 km/h高速鐵路接觸網技術的成果及短板，探討了仿真手段對400 km/h的適應性并對其評價標準提出了建議。對于400 km/h高速接觸網系統，今后還需進一步健全其理論體系，形成400 m/h高速鐵路的中國標準，進一步探討現有弓網仿真方法對400 km/h的適應性，并結合400 km/h運行速度的高速高頻特點，進一步研究新的接觸力評價標準。