400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)研究展望

高仕斌 劉志剛 楊 佳，2

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

受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性決定了高速列車能否可靠運(yùn)行。目前我國(guó)已在350 km/h速度級(jí)高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)上積累了許多經(jīng)驗(yàn)，但限于理論規(guī)范、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不足，弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)制定方面落后于歐洲國(guó)家。當(dāng)列車速度提升至400 km/h時(shí)，接觸網(wǎng)系統(tǒng)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(wǎng)穩(wěn)定受流指數(shù)的增長(zhǎng)。因此，350 km/h速度級(jí)高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)芊裰苯舆m用仍是個(gè)未知數(shù)。

高速鐵路線路試驗(yàn)成本高，難度大，仿真分析方法成為了接觸網(wǎng)系統(tǒng)研究的主要手段。為引領(lǐng)高速鐵路技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的研究，本文提出以下三個(gè)研究開展方向：(1)總結(jié)350 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)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(wǎng)系統(tǒng)的仿真分析手段；(3)結(jié)合現(xiàn)有高速鐵路檢測(cè)數(shù)據(jù)和沖高試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定相關(guān)弓網(wǎng)接觸力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

1 現(xiàn)有高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)體系

400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)研究的首要工作是理清現(xiàn)有350 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)體系，主要聚焦在接觸網(wǎng)振動(dòng)和波動(dòng)理論、弓網(wǎng)受流質(zhì)量及評(píng)價(jià)體系、接觸網(wǎng)系統(tǒng)檢測(cè)監(jiān)測(cè)手段和高速接觸網(wǎng)零部件體系四個(gè)方面。

1.1 接觸網(wǎng)振動(dòng)和波動(dòng)理論

目前接觸網(wǎng)波動(dòng)特性指標(biāo)主要源于德國(guó)西門子公司[1]及歐標(biāo)EN 50119-2020[2]，是基于數(shù)學(xué)推導(dǎo)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的比較通用的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，包括波動(dòng)傳播速度、反射系數(shù)、多普勒系數(shù)、放大系數(shù)以及固有頻率等。該指標(biāo)在世界范圍通用，也是我國(guó)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]的主要參考源。

設(shè)定接觸網(wǎng)運(yùn)行速度的主要指標(biāo)為接觸網(wǎng)的波動(dòng)傳播速度，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)接觸網(wǎng)波動(dòng)傳播速度與設(shè)計(jì)速度的關(guān)系如表1所示。

表1 接觸網(wǎng)波動(dòng)傳播速度與設(shè)計(jì)速度的關(guān)系表

接觸網(wǎng)反射系數(shù)用來量化振動(dòng)波在吊弦等處的反射，反射系數(shù)越小，反射波對(duì)弓網(wǎng)受流質(zhì)量的影響越小，通常認(rèn)為反射系數(shù)在0.4左右即可滿足要求。多普勒系數(shù)是衡量受電弓前方波動(dòng)放大效應(yīng)的重要指標(biāo)，其值應(yīng)大于0.15。放大系數(shù)反映了集中質(zhì)量點(diǎn)(通常為吊弦點(diǎn))對(duì)振動(dòng)波的連續(xù)反射情況，放大系數(shù)應(yīng)在0.4～2之間。

1.2 弓網(wǎng)受流質(zhì)量及評(píng)價(jià)體系

弓網(wǎng)受流質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)為弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力。合適的動(dòng)態(tài)接觸壓力是確保高速列車平穩(wěn)運(yùn)行的前提條件。列車運(yùn)行速度的提高和環(huán)境風(fēng)的影響會(huì)加劇受電弓和接觸網(wǎng)之間的振動(dòng)，從而使接觸線和受電弓間的接觸壓力產(chǎn)生惡化。弓網(wǎng)接觸壓力可以反映在受電弓與接觸線的取流質(zhì)量上，要使弓網(wǎng)系統(tǒng)保持良好受流，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力需維持在合適的范圍內(nèi)。

通常用接觸壓力的統(tǒng)計(jì)值做指標(biāo)來評(píng)價(jià)弓網(wǎng)受流質(zhì)量，接觸力的常用統(tǒng)計(jì)值包括最大值、最小值、平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差。國(guó)內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)對(duì)弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計(jì)值的相關(guān)規(guī)定如表2所示。

表2 國(guó)內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)弓網(wǎng)接觸力的規(guī)定值表

由表2可知：

(1)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定平均接觸力的最大值為 0.000 97v2+70 N。

(2)國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)最小平均接觸力均無規(guī)定，歐標(biāo)EN 50367-2012[5]規(guī)定平均接觸力最小值為0.000 47v2+60 N。

(3)國(guó)內(nèi)規(guī)范規(guī)定接觸力最大值為350 N，歐標(biāo)EN 50119-2020規(guī)定接觸力最大值為400 N。

(4)國(guó)內(nèi)外規(guī)范均規(guī)定接觸力最小值應(yīng)大于0，且接觸壓力統(tǒng)計(jì)最小值應(yīng)滿足式(1)的要求：

Fmin=Fm-3σ>0

(1)

式中：Fmin——接觸壓力統(tǒng)計(jì)最小值；

Fm——接觸壓力平均值；

σ——接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)差。

從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度講，當(dāng)接觸壓力統(tǒng)計(jì)最小值為正時(shí)，弓網(wǎng)離線的概率將不會(huì)超過1%。

1.3 弓網(wǎng)系統(tǒng)檢測(cè)監(jiān)測(cè)手段

我國(guó)采用高速鐵路供電安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(6C系統(tǒng))作為弓網(wǎng)系統(tǒng)檢測(cè)的監(jiān)測(cè)手段，其中動(dòng)態(tài)檢測(cè)主要是檢測(cè)弓網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，包括拉出值、接觸線高度、接觸壓力和燃弧時(shí)間等。靜態(tài)檢測(cè)主要是檢測(cè)高速鐵路接觸網(wǎng)支持裝置零部件的狀態(tài)。

對(duì)于評(píng)判弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的拉出值、接觸線高度、弓網(wǎng)接觸力和燃弧時(shí)間4個(gè)檢測(cè)量，鐵路部門采用層次分析法確定各項(xiàng)檢測(cè)評(píng)價(jià)量的權(quán)重系數(shù)，計(jì)算關(guān)于接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能的綜合指標(biāo)值(Catenary Dynamic Index)[6-7]，用于綜合反映和定量評(píng)價(jià)接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)性能。

目前，基于成像技術(shù)的專用接觸網(wǎng)檢測(cè)車(以下統(tǒng)稱4C檢測(cè)系統(tǒng))已初步應(yīng)用于高速鐵路接觸網(wǎng)支持裝置零部件的狀態(tài)檢測(cè)，但接觸網(wǎng)支持裝置零部件的復(fù)雜性和多樣性，給4C檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1.4 高速接觸網(wǎng)零部件體系

我國(guó)350 km/h高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)多采用鋁合金制腕臂。其具有重量輕、美觀、防腐性能好等優(yōu)點(diǎn)且方便精確預(yù)配和安裝，同時(shí)還具有良好的韌性及延展性，抗疲勞、抗振性能也較優(yōu)異。

為方便設(shè)計(jì)、制造、施工和運(yùn)維，降低系統(tǒng)壽命周期成本，提高系統(tǒng)的安全性、可靠性、可用性和可維護(hù)性，我國(guó)對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)和裝備進(jìn)行了簡(jiǎn)統(tǒng)化設(shè)計(jì)[8]。簡(jiǎn)統(tǒng)化腕臂結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔、合理：(1)減少了螺栓數(shù)量，方便安裝，采用輕型鉸接非限位弓形結(jié)構(gòu)定位器，弓網(wǎng)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(shí)心型材，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)和工藝，提升了可靠性；(3)對(duì)整體吊弦、中心錨結(jié)、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(shù)條件進(jìn)行了體系化確立。簡(jiǎn)統(tǒng)化腕臂結(jié)構(gòu)示意如圖1、圖2所示。

圖1 簡(jiǎn)統(tǒng)化腕臂結(jié)構(gòu)和定位裝置正定位示意圖

圖2 簡(jiǎn)統(tǒng)化腕臂結(jié)構(gòu)和定位裝置反定位示意圖

1.5 高速接觸網(wǎng)技術(shù)體系不足

10余年來，我國(guó)高速鐵路建設(shè)成果斐然，但仍存在理論體系落后于工程經(jīng)驗(yàn)的問題，尤其是在標(biāo)準(zhǔn)制定方面，仍以歐標(biāo)作為參考模板。現(xiàn)有高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的短板主要有以下幾方面：

(1)雙弓-網(wǎng)系統(tǒng)的振動(dòng)和波動(dòng)理論尚不成熟。

(2)弓-網(wǎng)系統(tǒng)離線行為及其對(duì)受流質(zhì)量的影響不明晰。

(3)缺乏弓網(wǎng)系統(tǒng)高頻參數(shù)檢測(cè)體系化手段。

(4)接觸網(wǎng)零部件損傷機(jī)理不明確。

(5)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)基于歐標(biāo)，缺乏高速弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

因此，我國(guó)亟需補(bǔ)足350 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)體系的技術(shù)短板，建立400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)理論體系，形成400 m/h高速鐵路的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。

2 400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)仿真技術(shù)

既有弓網(wǎng)數(shù)學(xué)模型主要針對(duì)350 km/h及以下速度，當(dāng)列車速度超過350 km/h時(shí)，需著重考慮以下因素對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能的影響：

(1)受電弓超高速運(yùn)行時(shí)，接觸網(wǎng)的振動(dòng)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(shù)學(xué)模型需精確描述其大變形的幾何非線性。

(2)傳統(tǒng)索單元無法考慮線索的彎曲剛度，超高速運(yùn)行時(shí)，線索的色散效應(yīng)更加明顯，數(shù)學(xué)模型需精確描述接觸網(wǎng)線索的彎曲剛度。

2.1 受電弓-接觸網(wǎng)模型

采用ANCF梁?jiǎn)卧M接觸線和承力索發(fā)生大變形時(shí)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(tài)表現(xiàn)出的不光滑非線性。借鑒土木工程中的結(jié)構(gòu)找形方法計(jì)算接觸網(wǎng)的初始形態(tài)，基于非線性有限元過程求解弓網(wǎng)的動(dòng)態(tài)行為，建立的接觸網(wǎng)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(shù)模型，弓網(wǎng)之間的交互作用采用罰函數(shù)方法進(jìn)行描述，如圖4所示。

圖3 接觸網(wǎng)非線性有限元模型土圖

圖4 受電弓三自由度歸算參數(shù)模型圖

2.2 受電弓-接觸網(wǎng)模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證弓網(wǎng)仿真模型的準(zhǔn)確性，基于Bruni等人[11]總結(jié)的弓網(wǎng)仿真軟件計(jì)算結(jié)果及歐標(biāo)EN 50318-2018[12]，通過多個(gè)仿真算例驗(yàn)證靜態(tài)找形結(jié)果和動(dòng)態(tài)結(jié)果的正確性。模型驗(yàn)證結(jié)果如表3、表4所示。

表3 靜態(tài)結(jié)果驗(yàn)證表

從表3、表4可以看出，各項(xiàng)靜、動(dòng)態(tài)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

表4 動(dòng)態(tài)結(jié)果驗(yàn)證表

2.3 400 km/h仿真適應(yīng)性分析

基于400 km/h接觸網(wǎng)系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)結(jié)果，建立弓網(wǎng)模型仿真驗(yàn)證速度 400 km/h及速度 440 km/h時(shí)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性。接觸網(wǎng)參數(shù)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理(20 Hz低通濾波)。

表5 接觸網(wǎng)參考模型基本參數(shù)表

仿真結(jié)果全局接觸壓力統(tǒng)計(jì)值如表6所示，錨段關(guān)節(jié)接觸壓力統(tǒng)計(jì)值如表7所示。

表6 全局接觸壓力統(tǒng)計(jì)值表

表7 錨段關(guān)節(jié)接觸壓力統(tǒng)計(jì)值表

由表6、表7中可知，在現(xiàn)行數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)下，接觸網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可滿足SSS400+型受電弓400 km/h和440 km/h的單弓運(yùn)行要求，可滿足SSS400+型受電弓400 km/h下的雙弓運(yùn)行要求，表現(xiàn)在：

(1)400 km/h和440 km/h時(shí)，全局接觸網(wǎng)、錨段關(guān)節(jié)位置的前弓接觸力統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值均符合相關(guān)要求，但隨著運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)差、定位器最大抬升量均出現(xiàn)顯著升高趨勢(shì)，可能會(huì)導(dǎo)致受電弓磨損加劇、拉弧頻繁，引發(fā)電氣安全事故，因此對(duì)于400 km/h以上接觸網(wǎng)，應(yīng)考慮納入輔助評(píng)估指標(biāo)，避免將接觸力作為唯一評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

(2)28 kN/36 kN張力方案的理論最大運(yùn)行速度為411 km/h，與440 km/h的運(yùn)行速度之間存在矛盾?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定20 Hz低通濾波僅限定于350 km/h以下的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于400 km/h及以上的弓網(wǎng)系統(tǒng)，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)所得評(píng)估結(jié)果的可靠性無法驗(yàn)證。

3 400 km/h接觸力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由上述400 km/h級(jí)接觸網(wǎng)分析結(jié)果可知，采用國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行弓網(wǎng)系統(tǒng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(20 Hz低通濾波)對(duì)400 km/h及以上的弓網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，評(píng)估結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)均存在較大差異(極限運(yùn)行速度>接觸網(wǎng)波動(dòng)速度×0.7)。因此需提出適用于400 km/h的接觸力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

以歐標(biāo)EN 50318-2018為例，該標(biāo)準(zhǔn)提出的20 Hz濾波閾值特別指出：“濾波范圍應(yīng)包含吊弦間距相關(guān)頻率和跨距相關(guān)頻率”。對(duì)于350 km/h及以上弓網(wǎng)系統(tǒng)，吊弦相關(guān)頻率已上升至20 Hz以上范圍(如圖5所示)。因此，現(xiàn)行數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)不僅無法滿足400 km/h及以上弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)的需求，還會(huì)造成評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性的下降。

圖5 弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行速度與截止頻率關(guān)系圖

基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)研究，本文提出3種新型弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(如表8所示)，分析不同標(biāo)準(zhǔn)下所得接觸力是否滿足400 km/h及以上運(yùn)行要求，探索匹配于400 km/h及以上弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。其中，截止間距為標(biāo)準(zhǔn)中20 Hz采樣頻率下運(yùn)行速度對(duì)應(yīng)的采用間距。

表8 3種400 km/h弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方案表

分別采用上述3種方案對(duì)仿真結(jié)果重新評(píng)價(jià)，結(jié)果如表9所示。

表9 接觸壓力統(tǒng)計(jì)值表

由表9可知：

(1)在方案Ⅰ、方案Ⅱ兩種新型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下，接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)方案仍可滿足400 km/h下的雙弓運(yùn)行要求，表現(xiàn)為前、后弓接觸力統(tǒng)計(jì)指標(biāo)均在許可范圍內(nèi)。

(2)在3種新型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下，接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)方案可滿足440 km/h下的單弓運(yùn)行要求，表現(xiàn)為前弓接觸力統(tǒng)計(jì)指標(biāo)均在許可范圍內(nèi)，但后弓統(tǒng)計(jì)值存在負(fù)值。

(3)在3種新型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下，接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)方案無法滿足440 km/h及以上雙弓運(yùn)行要求，表現(xiàn)為前、后弓統(tǒng)計(jì)指標(biāo)存在負(fù)值。

(4)采用新型接觸力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的極限運(yùn)行速度進(jìn)行評(píng)估，所得結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(接觸網(wǎng)波動(dòng)速度×0.7)接近，具有一定可靠性。

4 結(jié)束語

400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)代表全球高速鐵路接觸網(wǎng)研究的最高水準(zhǔn)，是建立成套400 km/h高速鐵路理論體系的重要一環(huán)，需要把能代表中國(guó)最高水平的新材料、新技術(shù)、新工藝、新工法、新體系等最新成果展現(xiàn)出來。本文總結(jié)了350 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)技術(shù)的成果及短板，探討了仿真手段對(duì)400 km/h的適應(yīng)性并對(duì)其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提出了建議。對(duì)于400 km/h高速接觸網(wǎng)系統(tǒng)，今后還需進(jìn)一步健全其理論體系，形成400 m/h高速鐵路的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步探討現(xiàn)有弓網(wǎng)仿真方法對(duì)400 km/h的適應(yīng)性，并結(jié)合400 km/h運(yùn)行速度的高速高頻特點(diǎn)，進(jìn)一步研究新的接觸力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。