基于新型吊弦的高速鐵路接觸網(wǎng)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(xué)電氣工程學(xué)院,北京 100044； 2.株洲中車時代半導(dǎo)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(wǎng)的滑動接觸獲取電流。當(dāng)弓網(wǎng)間接觸力過大時，會增大受電弓滑板和接觸線的磨耗；當(dāng)弓網(wǎng)間接觸力過小時，會發(fā)生弓網(wǎng)離線產(chǎn)生電弧，燒蝕接觸線和受電弓滑板，降低弓網(wǎng)系統(tǒng)的使用壽命[1]。因此，在高速運行的狀況下保持弓網(wǎng)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(wǎng)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(jù)吊弦材料的屬性又影響著接觸網(wǎng)的剛度分布，從而影響受電弓的抬升，進(jìn)而影響接觸力的變化。同時，由于弓網(wǎng)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(fā)生[2]。吊弦發(fā)生故障必然使接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起接觸力變化，影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量[3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對吊弦進(jìn)行了許多研究。文獻(xiàn)[4]統(tǒng)計了高速鐵路運行中吊弦斷裂的情況，在吊弦心形環(huán)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(wǎng)剛度、吊弦是否卸載內(nèi)力等因素對弓網(wǎng)受流質(zhì)量的影響[5-7]。董貫闊等在弓網(wǎng)仿真模型中分析吊弦的動態(tài)受力，發(fā)現(xiàn)提高接觸網(wǎng)彈性可以延長吊弦壽命[8]。楊家偉等研究了吊弦數(shù)量和質(zhì)量對接觸網(wǎng)振動和波動的影響[9]。以上研究均是對多個跨距內(nèi)的接觸力的統(tǒng)計規(guī)律進(jìn)行分析，而缺少對引起接觸力峰值和受流質(zhì)量變差的原因分析。

本文基于接觸網(wǎng)剛度分布研究吊弦參數(shù)對受流質(zhì)量的影響，找出吊弦參數(shù)的優(yōu)化方向，選擇滿足要求的新型吊弦材料，并對比采用傳統(tǒng)吊弦和新型吊弦的弓網(wǎng)受流質(zhì)量，最后討論新型吊弦斷裂對受流質(zhì)量的影響。

1 弓網(wǎng)耦合模型和計算方法

1.1 弓網(wǎng)仿真模型

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

圖1 弓網(wǎng)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(jù)EN50318標(biāo)準(zhǔn)中給定的弓網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行模型建立，并將仿真結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行比較，如表1所示。從表1可以看出，仿真結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。表2所示的實測數(shù)據(jù)來自350 km/h京津城際武清至天津區(qū)間083-09和084-11錨段[14-15]，與仿真數(shù)據(jù)的對比結(jié)果，符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的仿真值與實測值誤差在±20%以內(nèi)的規(guī)定。

表1 仿真結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)范圍對比

表2 仿真結(jié)果與線路實測結(jié)果對比

1.3 接觸網(wǎng)剛度計算

針對接觸網(wǎng)剛度分布和接觸力進(jìn)行研究。其中接觸網(wǎng)剛度的計算公式可以根據(jù)EN50119標(biāo)準(zhǔn)得到，記為

(1)

式中，K為接觸網(wǎng)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(shù)對接觸網(wǎng)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(shù)，探究吊弦參數(shù)對接觸網(wǎng)剛度分布和弓網(wǎng)接觸力的影響。

2.1 線密度對接觸網(wǎng)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(zhì)量。在京津城際鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，保證接觸線高度為設(shè)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(wǎng)中間段的一個跨距進(jìn)行抬升量的采集，根據(jù)公式(1)，計算得出接觸網(wǎng)在一個跨距內(nèi)的剛度值，如圖2所示。

圖2 一跨接觸網(wǎng)剛度計算值

從圖2可以看出，簡單鏈型懸掛接觸網(wǎng)的剛度值從1號和6號吊弦懸掛點向跨距中間呈現(xiàn)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(cè)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(zhì)量匯集于懸掛點處，吊弦線密度的減小意味著吊弦質(zhì)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(wǎng)懸掛機(jī)構(gòu)的質(zhì)量向跨距中間匯集，由于接觸線的質(zhì)量較大，抬升量的變化較小。

為了研究吊弦線密度對弓網(wǎng)接觸力的影響，設(shè)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(jìn)行弓網(wǎng)接觸力的仿真計算，得到如圖3所示的弓網(wǎng)接觸力曲線。

圖3 不同吊弦線密度一跨距弓網(wǎng)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(wǎng)的接觸力曲線形貌規(guī)律基本不變，但接觸力的數(shù)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(nèi)其他吊弦懸掛點處的接觸力最大值都變大。當(dāng)?shù)跸业木€密度為150 g/m時，接觸力最大值達(dá)到330 N，最小值接近60 N，不利于穩(wěn)定受流。這是因為吊弦線密度的變化使得接觸網(wǎng)剛度分布發(fā)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(shù)值變化較大。

2.2 楊氏模量對接觸網(wǎng)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(shù)，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(wǎng)的剛度分布。在京津城際鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，改變吊弦的楊氏模量分別為70，110 GPa和150 GPa，得出跨距內(nèi)的剛度值，如圖4所示。

圖4 一跨距接觸網(wǎng)剛度計算值

從圖4可以看出，簡單鏈型懸掛接觸網(wǎng)吊弦的楊氏模量和線密度對接觸網(wǎng)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(chǎn)生形變，所以吊弦懸掛點處抬升量變小，使得接觸網(wǎng)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(wǎng)自身的結(jié)構(gòu)和懸掛點位置有關(guān)。

為了研究吊弦的楊氏模量對弓網(wǎng)接觸力的影響，設(shè)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(jìn)行弓網(wǎng)接觸力的仿真計算，得到如圖5所示的弓網(wǎng)接觸力曲線。

圖5 不同楊氏模量吊弦一跨距弓網(wǎng)接觸力曲線

從圖5可以看出，簡單鏈型懸掛接觸網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)結(jié)構(gòu)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(wǎng)關(guān)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(wǎng)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(wǎng)受流質(zhì)量。以改善弓網(wǎng)受流質(zhì)量和改善吊弦斷裂為目的，選取合適的吊弦材料，并進(jìn)行接觸網(wǎng)剛度和弓網(wǎng)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)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(biāo)稱截面積10 mm2、抗拉強(qiáng)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(jī)械連接的作用。文獻(xiàn)[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(chǎn)生沖擊，引起接觸網(wǎng)振動，破壞吊弦正常受力，造成機(jī)械損傷，產(chǎn)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(xiàn)有吊弦材料。合成纖維原材料來源廣泛，生產(chǎn)成本不高，具有良好的機(jī)械、物理和化學(xué)性能，包括高強(qiáng)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(yōu)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(jìn)行對比，如表3所示。

表3 材料的性能參數(shù)

由于膨脹系數(shù)的不同，隨著溫度變化材料會產(chǎn)生不同情況的熱脹冷縮現(xiàn)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(xué)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(qiáng)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(qiáng)度大，耐磨、耐疲勞性能好，可以解決吊弦由于機(jī)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(wǎng)剛度分布和接觸力分析

將吊弦按照Kevlar29芳綸材料的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并與現(xiàn)有吊弦材料為JTMH10的接觸網(wǎng)進(jìn)行接觸網(wǎng)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(jìn)行弓網(wǎng)接觸力的仿真計算，如圖8所示。

圖7 一跨距接觸網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)受流質(zhì)量。

4 結(jié)論

根據(jù)京津城際鐵路接觸網(wǎng)的實際參數(shù)建立弓網(wǎng)仿真模型，分析了吊弦參數(shù)對于接觸網(wǎng)剛度分布和弓網(wǎng)接觸力的影響，通過材料性質(zhì)的對比，在滿足鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的條件下，選取Kevlar29纖維作為新的吊弦材料，得出以下結(jié)論。

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

(2)Kevlar29纖維滿足吊弦材料的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可以作為新型吊弦材料。采用新型吊弦的能改善接觸網(wǎng)剛度分布，在提高弓網(wǎng)受流質(zhì)量的同時，能夠改善吊弦斷裂的問題。