京津城際鐵路法維萊CX 受電弓雙弓運(yùn)行適應(yīng)性研究*

李文杰，倪 東，張琳娜，黎 鋒

（1 中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司，北京100860；2 中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津300250）

自2017 年起中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組列車復(fù)興號(hào)，率先在我國第一條高速鐵路—京津城際鐵路［1］正式投入運(yùn)營。經(jīng)過理論仿真與實(shí)車試驗(yàn)證明，裝備有法維萊主動(dòng)型受電弓的復(fù)興號(hào)長編動(dòng)車組，在速度300 km/h 運(yùn)營條件下，弓網(wǎng)受流效果良好。為滿足市場需求，增強(qiáng)鐵路競爭力，使京津城際鐵路成為提升京津兩地經(jīng)濟(jì)聚集效應(yīng)和促進(jìn)“半小時(shí)經(jīng)濟(jì)圈”的重要交通保障，深入研究在現(xiàn)有京津城際接觸網(wǎng)系統(tǒng)條件下，提高京津城際鐵路復(fù)興號(hào)長編動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)速，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究過程

1.1 接觸網(wǎng)簡單鏈形懸掛適應(yīng)性理論研究

在對(duì)京津城際鐵路接觸網(wǎng)簡單鏈形懸掛［2］理論研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)接觸網(wǎng)波動(dòng)傳播速度、彈性不均勻度等因素的研究，結(jié)合京津城際接觸網(wǎng)運(yùn)維參數(shù)，確定京津城際接觸網(wǎng)雙弓運(yùn)行條件。

1.1.1 京津城際鐵路接觸網(wǎng)參數(shù)

（1）接觸網(wǎng)類型：簡單鏈形懸掛。

（2）結(jié)構(gòu)高度：1.6 m。

（3）預(yù)留馳度：0.5‰。

（4）承力索規(guī)格及張力：型號(hào)BzII-120，張力21 kN，參考單位質(zhì)量1.06 kg/m。

（5）接觸線規(guī)格及張力：型號(hào)CuMg-120，張力27 kN，參考單位質(zhì)量1.07 kg/m。

（6）吊弦線：型號(hào)Bz-10，參考單位質(zhì)量0.089 kg/m。

（7）計(jì)算跨距：50 m。

（8）吊弦布置：每跨布置5 根吊弦，第1 根吊弦和第5 根吊弦距定位點(diǎn)間距為5 m，其他各吊弦間距為10 m。

（9）拉出值：±300 mm。

1.1.2 京津城際鐵路接觸網(wǎng)波動(dòng)傳播速度研究

根據(jù)京津城際接觸網(wǎng)懸掛的組成及張力體系，波動(dòng)傳播速度為式（1），可以算得京津城際接觸網(wǎng)的波動(dòng)傳播速度為574.55 km/h。

式中：C為波動(dòng)傳播速度，km/h；TCW為接觸線張力，N；mCW為接觸線的線密度，kg/m。

京津城際鐵路列車以350 km/h 的速度運(yùn)行時(shí)，其值相當(dāng)于接觸網(wǎng)波動(dòng)傳播速度的61%，符合規(guī)范運(yùn)營速度應(yīng)當(dāng)?shù)陀诓▌?dòng)傳播速度70% 的規(guī)定［3］。因此，京津城際接觸網(wǎng)系統(tǒng)在理論上滿足350 km/h 雙弓運(yùn)行的條件。

1.1.3 京津城際鐵路接觸網(wǎng)彈性不均勻度研究

由于接觸網(wǎng)系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)的原因，簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛的接觸網(wǎng)彈性不均勻度有較大差異。簡單鏈形懸掛設(shè)計(jì)速度350 km/h 時(shí)，接觸網(wǎng)彈性不均勻度不應(yīng)大于25%；設(shè)計(jì)速度300、250 km/h 時(shí)，接觸網(wǎng)彈性不均勻度不應(yīng)大于40%；彈性鏈形懸掛接觸網(wǎng)彈性不均勻度不應(yīng)大于10%［3］。例如，京滬高鐵和滬杭客專采用了彈性鏈形懸掛，通過實(shí)際檢測得到接觸網(wǎng)彈性不均勻度約為6% 左右，見表1、表2；京津城際鐵路通過實(shí)際檢測得到接觸網(wǎng)彈性不均勻度為33%，見表3。

表1 京滬高速20 kN+31.5 kN 區(qū)段接觸網(wǎng)靜態(tài)彈性數(shù)據(jù)

表2 滬杭客專接觸網(wǎng)靜態(tài)彈性數(shù)據(jù)

表3 京津城際靜態(tài)彈性測試數(shù)據(jù)

接觸懸掛彈性不均勻度指標(biāo)的差異，是導(dǎo)致在其他條件均相同的情況下簡單鏈形懸掛系統(tǒng)最高適應(yīng)速度比彈性鏈形懸掛系統(tǒng)低的關(guān)鍵原因。

接觸懸掛彈性，不僅是評(píng)價(jià)高速接觸網(wǎng)受流質(zhì)量的重要指標(biāo)，也是對(duì)高速受流質(zhì)量產(chǎn)生重要影響的因素，其值表示為式（2）：

式中：P為抬升力或壓力，N；Y為由抬升力P在接觸線上引起的升高，mm；η為接觸線某點(diǎn)處的靜態(tài)彈性值，mm/N。

彈性系數(shù)僅表示點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接觸懸掛的彈性性能，不具備懸掛的整體概念，因而對(duì)一個(gè)跨距或?qū)σ粋€(gè)錨段的懸掛而言，一般用彈性差異系數(shù)表示。彈性系數(shù)K是彈性的倒數(shù)［4］。彈性差異系數(shù)為式（3）：

為了減小彈性差異，必須盡量使距中部的懸掛和懸掛點(diǎn)處的彈性均勻一致，一般采用彈性鏈形懸掛。

1.2 受電弓模型仿真應(yīng)用

動(dòng)車組受電弓主要有被動(dòng)型受電弓和主動(dòng)型受電弓2 種，被動(dòng)型受電弓主要依靠調(diào)整受電弓的導(dǎo)流翼片來達(dá)到最佳受流狀態(tài)，調(diào)整難度較大且有時(shí)收效甚微。主動(dòng)型受電弓對(duì)接觸網(wǎng)的適應(yīng)能力更強(qiáng)，對(duì)于特定的接觸網(wǎng)和運(yùn)行速度，依據(jù)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力實(shí)測數(shù)據(jù)，通過調(diào)整受電弓的靜態(tài)接觸壓力可鎖定最佳受流狀態(tài)下的靜態(tài)接觸壓力值。我國新一代高速動(dòng)車組（CRH380 型、CR400型）全部采用了主動(dòng)型受電弓。

弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)耦合仿真作為中國高速鐵路牽引供電關(guān)鍵技術(shù)［5］，基于法維萊CX 受電弓的數(shù)學(xué)模型，采用弓網(wǎng)耦合仿真系統(tǒng)CPSS（Cantenary/Pantograph Interactive Simulation System）對(duì)京津城際鐵路弓網(wǎng)配合關(guān)系進(jìn)行仿真計(jì)算。受電弓2 質(zhì)量塊數(shù)學(xué)模型如圖1 所示，其參數(shù)見表4。研究弓網(wǎng)之間的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系，從理論上確定雙弓運(yùn)行的最高適應(yīng)速度。

圖1 受電弓2 質(zhì)量塊數(shù)學(xué)模型

表4 受電弓2 質(zhì)量塊數(shù)學(xué)模型參數(shù)

（1）受電弓抬升力輸入值，以70 N 工況為基礎(chǔ)，結(jié)合計(jì)算結(jié)果在60～90 N 范圍內(nèi)，以5 N 間隔增大或者減少此參數(shù)，尋找滿足運(yùn)營速度要求的對(duì)應(yīng)參數(shù)。

（2）雙弓間距參數(shù)：209 m。

1.3 京津城際鐵路弓網(wǎng)關(guān)系關(guān)鍵指標(biāo)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1 接觸線平順性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

接觸線平順性測試參數(shù)限值，見表5。

表5 接觸線平順性測試參數(shù)限值

1.3.2 弓網(wǎng)受流性能評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

為科學(xué)合理地評(píng)判京津城際接觸網(wǎng)質(zhì)量和弓網(wǎng)配合質(zhì)量，選取弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力和弓網(wǎng)燃弧指標(biāo)作為弓網(wǎng)受流性能評(píng)判參數(shù)。

（1）弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力

弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力測試按一個(gè)跨距為一個(gè)分析單位，分析參數(shù)有：最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差。各參數(shù)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如下：

①最大值（N）：Fmax≤Fm+3σ

②最小值（N）：Fmin≥20

③平均值（N）：Fm，max≤0.000 97v2+70，

Fm，min≥0.000 47v2+60，

式中：v為速度，km/h。

④標(biāo)準(zhǔn)偏差（N）：σ≤0.3×Fm

（2）弓網(wǎng)燃弧指標(biāo)

①最大燃弧時(shí)間：Tmax＜100 ms

②燃弧率：μ＜5%

式中：∑tarc為單次燃弧持續(xù)時(shí)間大于5 ms 的燃弧時(shí)間總和；ttotal為測量總時(shí)間。

③燃弧次數(shù)應(yīng)小于1 次/160 m。

1.3.3 抬升量

根據(jù)京津城際鐵路設(shè)計(jì)方案，正常運(yùn)行條件下，接觸網(wǎng)懸掛點(diǎn)處計(jì)算和驗(yàn)證的最大抬升量為100 mm。

2 研究結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 弓網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)

基于復(fù)興號(hào)法維萊CX 受電弓雙弓運(yùn)營模式和京津城際的接觸網(wǎng)系統(tǒng)，選取310、320、330、350 km/h 共4 種速度級(jí)進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)復(fù)興號(hào)系列車型的雙弓運(yùn)行最高適應(yīng)速度進(jìn)行研究，并對(duì)京津城際鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)能否長期開行350 km/h 的雙弓運(yùn)行動(dòng)車組進(jìn)行了分析評(píng)估。

仿真計(jì)算結(jié)合CX 受電弓的控制機(jī)理以及抬升力的范圍，各速度級(jí)仿真受電弓靜抬升力從65～80 N 每5 N 間隔一檔進(jìn)行仿真計(jì)算。通過仿真結(jié)果分析表明，在320 km/h 及以下速度條件下，前、后弓各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)均滿足評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)；在330 km/h以上速度條件下，后弓各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)出現(xiàn)不滿足評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的情況，仿真結(jié)果見表6。

表6 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)表

2.2 實(shí)車測試數(shù)據(jù)

2018 年7 月，使用裝備法維萊CX 受電弓的CR400BF 動(dòng)車組在京津城際開展了310、320、330、340、350 km/h 速度等級(jí)下的雙弓運(yùn)行弓網(wǎng)受流性能試驗(yàn)。試驗(yàn)的主要測試數(shù)據(jù)見表7。

表7 實(shí)車測試數(shù)據(jù)表

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)CR400BF 雙弓受流動(dòng)車組后弓受流各速度級(jí)測試結(jié)果如下：

（1）以310 km/h 速度運(yùn)行時(shí)，各項(xiàng)弓網(wǎng)關(guān)系關(guān)鍵指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，如圖2～圖5 所示。

圖2 壓力曲線圖（310 km/h）

圖3 燃弧時(shí)間散點(diǎn)圖（310 km/h）

圖4 燃弧次數(shù)散點(diǎn)圖（310 km/h）

圖5 硬點(diǎn)散點(diǎn)圖（310 km/h）

（2）以320 km/h 速度運(yùn)行時(shí)，接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差、燃弧次數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)限值，如圖6～圖9 所示。

圖6 壓力曲線圖（320 km/h）

圖7 燃弧時(shí)間散點(diǎn)圖（320 km/h）

圖8 燃弧次數(shù)散點(diǎn)圖（320 km/h）

圖9 硬點(diǎn)散點(diǎn)圖（320 km/h）

接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差共檢測542 跨，其中有179 跨數(shù)據(jù)超過50.8 N，最大值為75 N，不符合接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)限值：≤50.8 N。

燃弧次數(shù)1.74 次/160 m，不符合燃弧次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)限值：≤1 次/160 m。共檢測49 km，其中38 km數(shù)據(jù)超過6 次/1 000 m，最大18 次/1 000 m，不符合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

（3）以330 km/h 速度運(yùn)行時(shí)，最大接觸力、最小接觸力、接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差、燃弧次數(shù)、最大燃弧時(shí)間超出標(biāo)準(zhǔn)限值，如圖10～圖13 所示。

圖10 壓力曲線圖（330 km/h）

圖11 燃弧時(shí)間散點(diǎn)圖（330 km/h）

圖12 燃弧次數(shù)散點(diǎn)圖（330 km/h）

圖13 硬點(diǎn)散點(diǎn)圖（330 km/h）

最大接觸力共檢測813 跨，其中有14 跨數(shù)據(jù)大于334 N，最大值為350 N，不符合最大力標(biāo)準(zhǔn)限值：≤334 N。

最小接觸力共檢測813 跨，其中有9 跨數(shù)據(jù)小于20 N，最小值為0，不符合最小接觸力標(biāo)準(zhǔn)限值：≥20 N。

接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差共檢測813 跨，其中有228 跨數(shù)據(jù)超過52.7 N，最大值為80 N，不符合接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)限值：≤52.7 N。

燃弧次數(shù)：1.86 次/160 m，不符合燃弧次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)限值：≤1 次/160 m；共檢測75 km，其中63 km 數(shù)據(jù)超過6 次/1 000 m，最大22 次/1 000 m，不符合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

最大燃弧時(shí)間129 ms，超出最大燃弧時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)限值：≤100 ms。

（4）以340 km/h 速度運(yùn)行時(shí)，最大接觸力、最小接觸力、接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差、燃弧次數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)限值，如圖14～圖17 所示。

圖14 壓力曲線圖（340 km/h）

圖15 燃弧時(shí)間散點(diǎn)圖（340 km/h）

圖16 燃弧次數(shù)散點(diǎn)圖（340 km/h）

圖17 硬點(diǎn)散點(diǎn)圖（340 km/h）

最大接觸力共檢測227 跨，其中有9 跨數(shù)據(jù)大于346 N，最大值為368 N，不符合最大力標(biāo)準(zhǔn)限值：≤346 N。

最小接觸力共檢測227 跨，其中有9 跨數(shù)據(jù)小于20 N，最小值為9 N，不符合最小接觸力標(biāo)準(zhǔn)限值：≥20 N。

接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差共檢測227 跨，其中有170 跨數(shù)據(jù)超過54.6 N，最大值為79 N，不符合接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)限值：≤54.6 N。

燃弧次數(shù)3.17 次/160 m，不符合燃弧次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)限值：≤1 次/160 m。共檢測23 km，23 km 數(shù)據(jù)均超過6 次/1 000 m，最大27 次/1 000 m，不符合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

（5）以350 km/h 速度運(yùn)行時(shí)，最大接觸力、平均接觸力、最小接觸力、接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差、燃弧次數(shù)超出標(biāo)準(zhǔn)限值，如圖18～圖21 所示。

圖18 壓力曲線圖（350 km/h）

圖19 燃弧時(shí)間散點(diǎn)圖（350 km/h）

圖20 燃弧次數(shù)散點(diǎn)圖（350 km/h）

圖21 硬點(diǎn)散點(diǎn)圖（350 km/h）

最大接觸力共檢測115 跨，其中有19 跨數(shù)據(jù)大于359 N，最大值為456 N，不符合最大力標(biāo)準(zhǔn)限值：≤359 N。

平均接觸力共檢測115 跨，其中有21 跨數(shù)據(jù)大于189 N，最大值為196 N，不符合平均接觸力標(biāo)準(zhǔn)限值：≤189 N。

最小接觸力共檢測116 跨，其中有3 跨數(shù)據(jù)小于20 N，最小值為12 N，不符合最小接觸力標(biāo)準(zhǔn)限值：≥20 N。

接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差共檢測116 跨，其中有94 跨數(shù)據(jù)超過56.6 N，最大值為79 N，不符合接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)限值：≤56.6 N。

燃弧次數(shù)4.11 次/160 m，不符合燃弧次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)限值：≤1 次/160 m。共檢測12 km，12 km 數(shù)據(jù)均超過6 次/1 000 m，最大28 次/1 000 m，不符合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果

基于京津城際鐵路既有接觸網(wǎng)系統(tǒng)和裝備法維萊CX 受電弓動(dòng)車組雙弓運(yùn)行工況，通過對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系仿真及實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得出：

裝備法維萊CX 受電弓動(dòng)車組以310 km/h 速度雙弓運(yùn)行時(shí)，弓網(wǎng)受流數(shù)據(jù)正常；以320 km/h 速度運(yùn)行時(shí)，接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差超出50.8 N 的限值；以330 km/h 速度運(yùn)行時(shí)，弓網(wǎng)最大接觸力、最小接觸力、接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差超出限值，在此速度等級(jí)仿真結(jié)果還出現(xiàn)了接觸力為0 的情形，表明以330 km/h速度運(yùn)行時(shí)燃弧會(huì)開始加劇；以340、350 km/h 速度運(yùn)行時(shí)，弓網(wǎng)最大接觸力、平均接觸力、接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差超出標(biāo)準(zhǔn)限值。

3 結(jié) 論

通過對(duì)京津城際鐵路既有接觸網(wǎng)系統(tǒng)和裝備法維萊CX 受電弓復(fù)興號(hào)動(dòng)車組雙弓運(yùn)行弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真及現(xiàn)場實(shí)車測試研究表明：

（1）受電弓高速運(yùn)行時(shí)，對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全影響主要體現(xiàn)在弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力、弓網(wǎng)燃弧以及接觸線抬升量等關(guān)鍵指標(biāo)，其超標(biāo)后將影響系統(tǒng)壽命和運(yùn)行安全。

（2）基于京津城際鐵路既有接觸網(wǎng)系統(tǒng)開行裝備法維萊CX 受電弓復(fù)興號(hào)動(dòng)車組，雙弓運(yùn)行最高適應(yīng)速度為310 km/h，超過該速度運(yùn)行將會(huì)造成弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力、燃弧率指標(biāo)超出標(biāo)準(zhǔn)要求。