接觸網動態(tài)檢測中受電弓影響因素研究

汪海瑛，楊志鵬，王偉凡，王婧

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081）

0 引言

列車依靠頂部受電弓與接觸網線之間的滑動接觸，保證在行進過程中獲得持續(xù)不間斷的電能。在滑動接觸過程中，受電弓和接觸網線之間既要保證合適的接觸力，以確保不會對碳滑板與接觸線等直接進行機械接觸的構件產生過大磨耗，同時還要保證弓和網之間不會發(fā)生脫離［1］。弓網之間動態(tài)作用的好壞，可以通過周期性的動態(tài)檢測來確認。隨著鐵路進入高質量發(fā)展時代，對供電安全服務品質的要求日益提高，同時供電修程修制改革的深入推進，也對接觸網的動態(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)域經濟發(fā)展進程也不一致，決定了高鐵路網的特點。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。為適應不同地理氣候特征，實現長期高可靠性運營環(huán)境，在不同地區(qū)采用了不同的接觸網設計來解決相關問題。例如，在西北大風區(qū)段，會采取偏重防風性能的接觸網；在沿海環(huán)境，考慮大風和高鹽的自然環(huán)境侵蝕，在零部件材料選擇方面會有特殊考慮；而考慮不同區(qū)域經濟發(fā)展趨勢，會優(yōu)化選用速度等級，形成了同一條線路上多種接觸網結構的特點。同樣，運行在繁忙主干線上的動車組也有眾多車型，對應配備不同形制的受電弓，因此形成了繁復的弓網匹配關系。

接觸網動態(tài)檢測結果可以反映弓網匹配的優(yōu)劣，若要對不同弓網組合進行比較，對檢測結果進行更科學的評判，則需對引起檢測差異性的因素進行深入研究。由于實際運營場景較為龐雜，很難通過實驗手段復現，因此現有弓網研究多通過仿真或半實物仿真技術進行機理性探索。目前我國高速受電弓型號主要有DSA250、DSA380、TSG19和CX系列，文獻［4］采用實驗手段對DSA380型受電弓弓頭模態(tài)振型進行研究，掌握該參數可以有效規(guī)避弓網共振，提升弓網設計水平；文獻［5］利用半實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構下的不同接觸網參數，研究其對弓網接觸力的影響。

動態(tài)檢測數據體現弓網運行過程中各種因素的共同作用，數據間的差異性反映不同受電弓/接觸網配置間的區(qū)別，在此，基于實測數據就不同類型受電弓對接觸網動態(tài)檢測的影響進行研究。

1 受電弓結構特性與受力分析

在我國高速鐵路技術發(fā)展進程中，常見車型與受電弓參數見表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參數比較見表2［7］。

表1 常見車型與受電弓參數

表2 3種高速受電弓主要技術參數比較

除傳遞電能外，受電弓應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構實現。表2所列3種受電弓均為單臂受電弓，這種設計可以減輕受電弓質量且結構簡單，但不同受電弓開口方向上的空氣動力學性能會受到影響。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量，在受電弓運行過程中因振動而產生的慣性作用力也會減小。此外，CX系列受電弓有主動控制系統(tǒng)，能夠隨著列車運行速度和接觸網參數的變化來調整受電弓的靜態(tài)接觸力，從而實現對弓網之間平穩(wěn)接觸壓力的控制。

在弓網動態(tài)運行過程中，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，是阻止受電弓運動的力，因此方向總是與受電弓運動方向相反；Pa為動態(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生，與跨距、運行速度以及弓頭視在質量都有關系；Pk為空氣動力，理想情況下，其目標值應與運行速度的平方有線性關系。在列車行進過程中，弓頭總是沿著一定高度做往復的上下運動，弓網接觸力也在此過程中時刻發(fā)生變化。不同的受電弓設計方案，呈現出不同的結構特性，如CX系列受電弓具有主動控制功能，受電弓靜態(tài)力可自動調節(jié)，因而P0在動態(tài)運行過程中就成為1個變量，這種差異將會顯著影響動態(tài)檢測的結果。

2 接觸網類型與特點

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

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

（2）接觸線在直線區(qū)段應按“之”字布置，拉出值宜采用200～300 mm；我國高鐵接觸網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幾個典型值。

（3）對于跨距，設計速度為250～350 km/h線路，當采用簡單鏈型懸掛時，推薦標準設計跨距為50 m，最大跨距為55 m；當采用彈性鏈型懸掛時，設計速度為250 km/h線路，推薦標準設計跨距為60 m，最大跨距為65 m；對于設計速度為300～350 km/h線路，推薦標準跨距為55 m，最大跨距為60 m。實際情況中，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）設計時應對每種接觸網-受電弓之間相互作用進行仿真評估，針對弓網接觸力，要求接觸力的最大標準偏差不得超過0.3Fm。Fm代表平均接觸力，是一個與速度相關的變量。

（5）波動傳播速度與最高設計速度之比不應小于1.4。

接觸線的波動傳播速度c是對接觸性能影響較大的重要指標，計算公式如式（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傳播速度見表3。

表3 各種接觸線及張力配置下的波動傳播速度

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后，表現出來的振動形式特征，計算公式如式（3）：

圖1 某200 km/h速度等級線路跨距統(tǒng)計

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行時，框架的上、下臂桿會受到不同的風力作用。文獻［10］利用仿真方法對高速受電弓的開閉口運行特性進行分析，發(fā)現受電弓開口運行時整弓氣動阻力比閉口運行時大。在此，基于檢測數據對開閉口特性進行分析。3條300～350 km/h速度等級全補償彈性鏈型懸掛線路在270～350 km/h速度時，基于某型受電弓測得的弓網接觸力標準偏差統(tǒng)計分布見圖2，其標準偏差統(tǒng)計單元為跨。

圖2 不同開口方向的弓網接觸力標準偏差統(tǒng)計

由圖2可知，不論是開口還是閉口方向運行的弓網接觸力標準偏差，其統(tǒng)計分布基本符合標準正態(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)，因此算術平均值都大于中位數，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接觸力統(tǒng)計數據見表5，其中統(tǒng)計單元為跨，表5中列出的區(qū)間為每個統(tǒng)計項目的四分位距?？傮w而言，開口方向弓網接觸力標準偏差相較閉口方向要大，即開口方向的力的波動變化要更劇烈一些。

表5 不同開閉口弓網接觸力數據

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、是否采用氣流調節(jié)翼片，以及是否采用主動控制系統(tǒng)都對受電弓的動態(tài)性能產生不同影響。在300～350 km/h速度等級全補償彈性鏈型懸掛結構下，2種不同型號受電弓在同一開口方向的檢測結果見圖3。由圖3可知，2種型號受電弓在300 km/h速度等級情況下，測得的弓網接觸力標準偏差統(tǒng)計分布基本符合標準正態(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)，因此算術平均值都大于中位數，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接觸力統(tǒng)計數據見表6，其統(tǒng)計單元為跨?？傮w而言，受電弓A在300 km/h速度等級弓網接觸力標準偏差與受電弓B相比略大，即不同受電弓之間弓網接觸力存在差異。與前面不同開口方向的結果相比，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接觸力標準偏差統(tǒng)計

表6 不同受電弓型號弓網接觸力數據

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行過程中與接觸線的穩(wěn)定接觸。受電弓不同結構位置的支持與摩擦阻力作用，可以保證其能適應不同的接觸線高度。在此，對不同工作高度下的檢測結果進行比較。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接觸力檢測統(tǒng)計結果見圖4。減去動車組車體高度和受電弓支撐絕緣子高度后，對應的升弓高度分別為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、運行速度在200 km/h時的弓網接觸力標準偏差統(tǒng)計分布，基本符合標準正態(tài)分布。根據數據結果顯示，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)，因此算術平均值都大于中位數。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接觸力統(tǒng)計數據見表7。由表7數據可知，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，弓網接觸力的穩(wěn)定性要好，波動較為平緩。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：機車車輛受電弓特性和試驗：第1部分：干線機車車輛受電弓》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，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，因而會對動態(tài)運行時的性能產生不同程度影響。

圖4 不同工作高度弓網接觸力標準偏差統(tǒng)計

表7 不同工作高度弓網接觸力數據

4 結束語

我國高鐵已進入高質量發(fā)展階段，在提質增效的背景下，對鐵路供電品質與養(yǎng)護維修效率等都提出了更高要求。對牽引供電設備進行定期檢測以確保良好的服役狀態(tài)，是實現這一目標的關鍵一環(huán)。通過對我國動車組受電弓的類型與特性進行分析，以接觸懸掛固有頻率和波動傳播系數等特征研究接觸網結構特點，并基于檢測數據得到受電弓對動態(tài)檢測的影響分析。通過對影響檢測結果因素的分析，有助于提升檢測品質，同時便于進一步形成更為細致的分級評價標準和相應的精準維修策略，以實現更高品質、更高可靠性的鐵路供電系統(tǒng)。