高可靠性超高速接觸網(wǎng)裝備研究的關(guān)鍵技術(shù)

張琳

（中鐵建電氣化局集團(tuán)軌道交通器材有限公司，江蘇 常州 213100）

目前，我國(guó)對(duì)于高鐵接觸網(wǎng)在大風(fēng)、嚴(yán)寒等復(fù)雜氣象條件下服役狀態(tài)的研究，多針對(duì)于300km/h以下的中低速狀態(tài)。值得注意的是，隨著中國(guó)軌道交通事業(yè)的發(fā)展，超高速列車的研制和應(yīng)用已提上日程，如在2016年已完成的世界首次超高速列車會(huì)車試驗(yàn)，其相對(duì)速度達(dá)到840 km/h。列車運(yùn)行速度的提高則對(duì)接觸網(wǎng)的服役狀態(tài)提出了更高的要求，特別是在大風(fēng)、嚴(yán)寒、雨雪、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等惡劣天氣的環(huán)境中，外界因素對(duì)接觸網(wǎng)運(yùn)營(yíng)安全性的影響將會(huì)更加突出。因此，通過對(duì)超高速狀態(tài)下高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行研究，對(duì)于提高弓-網(wǎng)系統(tǒng)的受流特性及服役性能具有重要意義。

1 研究難點(diǎn)的分析

高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)具有跨度大、露天、無冗余等特點(diǎn)，在動(dòng)車組運(yùn)行過程中，接觸網(wǎng)的服役狀態(tài)會(huì)受到多種因素的影響，如外界環(huán)境風(fēng)對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的影響、承力索和接觸線受溫度影響出現(xiàn)馳度張力變化、接觸網(wǎng)系統(tǒng)本身的幾何形變、接觸線本身的磨耗等。上述復(fù)雜因素會(huì)直接影響接觸線的平順性，造成弓網(wǎng)受流質(zhì)量變差，甚至引起刮弓事故。綜合以上因素，主要技術(shù)難點(diǎn)分析如下。

1.1 弓-網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型的建立

弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性十分復(fù)雜，且運(yùn)行條件惡劣，如何將傳統(tǒng)弓網(wǎng)建模同接觸網(wǎng)的氣動(dòng)特性、流固耦合理論結(jié)合，并考慮零部件故障、接觸線不平順等因素的影響，建立不良狀態(tài)和復(fù)雜條件下的弓-網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。

1.2 超高速列車弓網(wǎng)多尺度復(fù)雜體系下風(fēng)場(chǎng)耦合機(jī)理

列車高速運(yùn)行時(shí)近地風(fēng)和列車風(fēng)耦合在一起，受電弓及接觸網(wǎng)表面流動(dòng)為多尺度非定常分離及渦流流動(dòng)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)接觸網(wǎng)和受電弓處的渦流結(jié)構(gòu)及流動(dòng)特點(diǎn)尚未展開系統(tǒng)的研究，特別是考慮到弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)本身的多體特性和流場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，如何建立弓網(wǎng)多尺度耦合模型將是本課題的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1.3 接觸網(wǎng)零部件壽命預(yù)測(cè)

超高速條件下接觸網(wǎng)系統(tǒng)的振動(dòng)明顯加劇，直接導(dǎo)致各零部件的工作強(qiáng)度增大，特別在惡劣氣象條件下各零部件的性能明顯下降。由于接觸網(wǎng)零部件多不與振源直接接觸，在超高速運(yùn)行時(shí)，弓網(wǎng)接觸壓力在接觸網(wǎng)各零部件中如何傳遞，考慮大風(fēng)、覆冰、極寒等不同環(huán)境接觸網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)下零部件應(yīng)力分布將是本課題研究的重點(diǎn)。

1.4 特殊環(huán)境下接觸網(wǎng)零部件的可靠性

高速鐵路接觸網(wǎng)行業(yè)對(duì)強(qiáng)腐蝕地區(qū)的鋁合金零部件防腐具有一定的研究基礎(chǔ)，但是對(duì)于強(qiáng)腐蝕地區(qū)銅合金零部件的防腐一直沒有較好的解決方案。接觸網(wǎng)是帶電的高速載流通道，不僅受結(jié)構(gòu)的靜力作用，還受不規(guī)則的動(dòng)態(tài)載荷作用，當(dāng)受電弓與接觸網(wǎng)接觸并高速運(yùn)行時(shí)，受電弓彈簧系統(tǒng)的振動(dòng)、列車車體的振動(dòng)以及風(fēng)力等因素均參與作用，受電弓弓頭會(huì)在上下、左右、前后的6個(gè)方向產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，受電弓的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致接觸網(wǎng)受力復(fù)雜，因此對(duì)接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及零部件性能具有較高的要求，嚴(yán)寒環(huán)境下接觸網(wǎng)零部件材料選擇及制造工藝是行業(yè)亟需解決的問題之一。

2 技術(shù)研究趨勢(shì)

2.1 運(yùn)行速度400km/h及以上超高速接觸網(wǎng)裝備技術(shù)的研究

（1）超高速下弓網(wǎng)的精確建模。目前，弓網(wǎng)模型主要包括線性模型、非線性模型、考慮前后弓弓頭影響的六元受電弓模型和有限元模型等，在超高速運(yùn)行條件下，現(xiàn)有模型的弓網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)研究同實(shí)際情況存在較大差距。因此，本課題在現(xiàn)有弓網(wǎng)仿真模型的基礎(chǔ)上，考慮復(fù)雜條件（風(fēng)速、車速、溫度、受電弓參數(shù)、直線與彎道等）和不良狀態(tài)（拉出值變化、接觸線磨損、極端天氣等）模擬，建立復(fù)雜條件下和不良狀態(tài)下的接觸網(wǎng)有限元模型和受電弓動(dòng)力學(xué)模型以及仿真耦合模型。

（2）超高速下弓網(wǎng)振動(dòng)關(guān)系研究。超高速條件下，接觸網(wǎng)硬點(diǎn)、接觸網(wǎng)彈性不均勻、波動(dòng)傳播速度等因素對(duì)弓網(wǎng)振動(dòng)的影響將更加明顯，從而造成弓網(wǎng)的不良接觸，引起斷流、刮弓等事故。需基于弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)耦合模型，研究在超高速運(yùn)行條件下，受電弓所引起接觸線振動(dòng)在接觸網(wǎng)中的衍射、反射規(guī)律，并以車速、波速、波長(zhǎng)為變量推導(dǎo)接觸網(wǎng)的波動(dòng)方程，并接觸網(wǎng)張力、阻尼、剛度等參數(shù)對(duì)超高速下弓網(wǎng)振動(dòng)的影響。

（3）空氣動(dòng)力對(duì)弓網(wǎng)耦合的影響。隨著動(dòng)車組車速的提高，在大風(fēng)作用下，列車的空氣阻力、升力、橫向力等均迅速增加，造成弓-網(wǎng)受流質(zhì)量的惡化，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致接觸網(wǎng)舞動(dòng)、刮弓等事故。第一，隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)模擬。采用諧波合成法，編制脈動(dòng)風(fēng)速模擬相應(yīng)程序，以準(zhǔn)確描述隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)的主要特性，包括脈動(dòng)風(fēng)速、平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度等。第二，基于渦流模擬技術(shù)，研究受電弓-接觸網(wǎng)多尺度復(fù)雜體系下的空氣流動(dòng)，分析在脈動(dòng)、突變、瞬態(tài)風(fēng)載荷作用下超高速鐵路的弓-網(wǎng)受流特性。第三，研究不同車速、風(fēng)速及風(fēng)攻角下流場(chǎng)氣流的流動(dòng)狀況、受電弓及接觸網(wǎng)處的流場(chǎng)及渦流結(jié)構(gòu)，及其形成和發(fā)展的機(jī)理。第四，研究弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的空氣的動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)彈性力學(xué)特性，并建立激發(fā)失穩(wěn)振動(dòng)的氣流形態(tài)模型，通過改變車速、風(fēng)速及風(fēng)攻角等參數(shù)，分析不同參數(shù)下接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性變化規(guī)律。

（4）在線檢測(cè)技術(shù)及智能接觸網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)的研究。車速的提高及惡劣的氣象環(huán)境會(huì)不可避免的使設(shè)備的疲勞壽命受到影響，同時(shí)車速的提高會(huì)直接造成弓網(wǎng)的接觸壓力增大，引起接觸線表面不平順的磨耗問題，造成接觸網(wǎng)的安全性下降。在發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)能夠快速、準(zhǔn)確的對(duì)接觸網(wǎng)的故障位置和類型進(jìn)行判斷，從而為接觸網(wǎng)的維護(hù)提供可靠幫助。第一，建立接觸網(wǎng)各零部件力學(xué)模型，分析接觸網(wǎng)各部件動(dòng)態(tài)應(yīng)力的分布情況及疲勞情況，定位超高速條件下可能對(duì)系統(tǒng)安全產(chǎn)生威脅的部件或部件的脆弱部位；第二，基于接觸網(wǎng)各零部件的特性，建立弓網(wǎng)系統(tǒng)耦合模型，分析超高速下弓網(wǎng)系統(tǒng)振動(dòng)加強(qiáng)對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)疲勞及壽命的影響；第三，接觸線表面不平順的產(chǎn)生及其發(fā)展機(jī)理，分析各類接觸線不平順對(duì)弓網(wǎng)振動(dòng)的影響。第四，通過對(duì)設(shè)計(jì)接觸網(wǎng)零部件的智能檢測(cè)系統(tǒng)，獲得接觸網(wǎng)零部件的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，并設(shè)定安全閾值，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

2.2 高速鐵路接觸網(wǎng)零部件耐腐蝕性能的研究

（1）新型耐腐蝕材料在高速鐵路接觸網(wǎng)上的應(yīng)用。研制出一種安全可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、實(shí)用性強(qiáng)、便于加工和安裝的碳纖維復(fù)合材料接觸網(wǎng)裝備，借此來提高公司的綜合實(shí)力，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。主要研究?jī)?nèi)容有：第一，適用于高速鐵路接觸網(wǎng)零部件碳纖維復(fù)合材料的制備；第二，碳纖維復(fù)合材料接觸網(wǎng)關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；第三，碳纖維復(fù)合材料接觸網(wǎng)零部件的工藝設(shè)計(jì)；第四，試驗(yàn)驗(yàn)證碳纖維復(fù)合材料接觸網(wǎng)零部件的試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)備研究。

（2）銅合金表面鍍石墨烯防腐處理技術(shù)的研究。主要研究?jī)?nèi)容：第一，石墨烯防腐涂料的制備；第二，銅合金接觸網(wǎng)零部件石墨烯鍍層工藝；第三，表面鍍石墨烯防腐處理銅合金零部件的試驗(yàn)方法研究。

2.3 嚴(yán)寒地區(qū)接觸網(wǎng)裝備技術(shù)的研究

（1）材料的選擇。在選擇材料時(shí)，需要考慮材料在低溫下應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和充分的韌性、具有良好的工藝性能、加工性能和耐腐蝕性等，其中低溫韌性，即在低溫下防止脆性破壞發(fā)生和擴(kuò)展的能力是最重要的因素。

（2）工藝的研究。根據(jù)所選材料和零部件的實(shí)際使用情況，合理選擇鍛造、焊接、鑄造等工藝，并對(duì)加工工藝進(jìn)行相關(guān)研究，優(yōu)化模具及加工過程的工藝參數(shù)；結(jié)合所選材料和加工工藝，對(duì)相關(guān)接觸網(wǎng)零部件進(jìn)行熱處理工藝研究。通過對(duì)加工工藝和熱處理工藝的研究，使所生產(chǎn)的零部件性能優(yōu)、質(zhì)量穩(wěn)定、工序簡(jiǎn)單、能耗低、加工成本低，滿足在低溫環(huán)境下的工作需求。

（3）試驗(yàn)方法的研究。設(shè)計(jì)嚴(yán)寒條件下接觸網(wǎng)零部件試驗(yàn)，包括低溫破壞、低溫疲勞、低溫沖擊試驗(yàn)。

3 研究對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)作用

針對(duì)超高速條件下弓網(wǎng)系統(tǒng)在環(huán)境風(fēng)等復(fù)雜條件和接觸網(wǎng)零部件故障等不良狀態(tài)下的受流特性進(jìn)行分析，通過構(gòu)建弓-網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型，研究超高速條件下弓網(wǎng)系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)特性；建立接觸網(wǎng)零部件的應(yīng)力分布模型，分析在復(fù)雜條件下接觸網(wǎng)零部件的應(yīng)力分布及其故障監(jiān)測(cè)，從而科學(xué)的指導(dǎo)超高速電氣化鐵路弓網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行維護(hù)。通過研究將碳纖維材料應(yīng)用在高速鐵路接觸網(wǎng)上，可擴(kuò)大碳纖維材料的應(yīng)用領(lǐng)域，一方面能實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)零部件的輕量化，有效解決接觸網(wǎng)硬點(diǎn)、接觸網(wǎng)彈性不均勻的問題；另一方面，能解決強(qiáng)腐蝕地區(qū)部分零件的腐蝕問題。

4 結(jié)語

（1）超高速鐵路接觸網(wǎng)研究的難點(diǎn)有弓-網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型的建立、超高速列車弓網(wǎng)多尺度復(fù)雜體系下風(fēng)場(chǎng)耦合機(jī)理的揭示、接觸網(wǎng)零部件的壽命預(yù)測(cè)、特殊環(huán)境下接觸網(wǎng)零部件的可靠性研究。

（2）運(yùn)行速度400km/h及以上超高速接觸網(wǎng)裝備關(guān)鍵技術(shù)的研究方向主要為超高速下弓網(wǎng)精確建模、超高速下弓網(wǎng)振動(dòng)關(guān)系研究、空氣動(dòng)力對(duì)弓網(wǎng)耦合的影響、在線檢測(cè)技術(shù)及智能接觸網(wǎng)故障診斷系統(tǒng)的研究。

（3）高速鐵路接觸網(wǎng)零部件耐腐蝕性能的研究方向主要為新型耐腐蝕材料在高速鐵路接觸網(wǎng)上的應(yīng)用、銅合金表面鍍石墨烯防腐處理技術(shù)的研究。

（4）針對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)，接觸網(wǎng)裝備的研發(fā)方向?yàn)椴牧系倪x擇、工藝的研究以及試驗(yàn)方法的研究。