接觸網簡單鏈型懸掛目標速度適應性仿真研究

摘" 要：該文為研究接觸網簡單鏈型懸掛方式下的目標速度適應性情況，選定接觸線和承力索張力不變的情況下，建立不同速度等級下接觸網簡單鏈型懸掛弓網動態(tài)仿真模型，開展弓網動態(tài)仿真。結果表明，接觸線張力為20 kN和承力索張力為15 kN的組合，適用于200 km/h及以下線路;當速度超過250 km/h采用簡單鏈型懸掛時，接觸線和承力索的張力需根據線路運行情況合理配置。

關鍵詞：接觸網;簡單鏈懸掛;目標速度;弓網仿真;動態(tài)仿真

中圖分類號：U225.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）18-0062-04

Abstract： In order to study the target speed adaptability of the catenary simple chain suspension mode， this paper establishes the dynamic simulation model of the catenary simple chain suspension pantograph-catenary under different speed levels， and carries out the dynamic simulation of the catenary under the condition that the tension of the catenary and catenary is constant. The results show that the combination of contact wire tension of 20 kN and messenger wire tension of 15 kN is applicable to the line of 200 km/h and below; when the speed exceeds 250 km/h and simple chain suspension is adopted， the tension of contact wire and messenger wire shall be reasonably configured according to the line operation.

Keywords： catenary; simple chain suspension; target speed; pantograph simulation; dynamic simulation

電氣化鐵路接觸網主要采用簡單懸掛、簡單鏈型懸掛、彈性鏈型懸掛等形式，其中簡單鏈型懸掛結構簡單，便于施工和運營維護，適用于沿海、大風區(qū)、凈空受限等特殊環(huán)境，隨著國內陸續(xù)開工建設的高原、高海拔、沿海、大風區(qū)等復雜環(huán)境下的鐵路項目不斷增加，研究接觸網簡單鏈型懸掛的適用性，分析不同速度等級下接觸網懸掛運行指標和弓網性能顯得十分有必要[1-2]。

受電弓與接觸網和組成接觸懸掛的弓網系統(tǒng)，其采用滑動接觸的方式傳輸電能，接觸網延鐵路線路敷設，受電弓安裝在列車機車上方，受電弓和接觸網通過滑動接觸點傳輸電能，電能質量的優(yōu)劣決定了電能傳輸效率。在列車高速運動的過程中，弓網關系至關重要，隨著列車運行速度的提高，對滑動接觸取能的要求就更加嚴格，特別是在高速鐵路運行過程中，分析接觸網系統(tǒng)的弓網動態(tài)性能十分有必要。

接觸網弓網動態(tài)性能分析有2種方法：①實測數據分析研究;②計算機仿真模擬。現場數據獲取困難需要投入大量物力人力，不便于持續(xù)方便地長期研究，不能作為弓網動態(tài)性能的主要方法。通過建立計算機有限元仿真模型可以方便快捷地進行系統(tǒng)驗證和參數分析。

國內研究弓網關系的主要方法是通過計算機仿真實現[2]，本文將基于有限元計算軟件建立不同速度目標值情況下的接觸網簡單鏈型懸掛模型。通過有限元仿真，研究不同速度目標值情況下的接觸網簡單鏈型懸掛弓網動態(tài)性能[3-4]，對弓網動態(tài)評價參數進行分析，對比評價接觸網動態(tài)性能參數，總結歸納參數特征，提出接觸網簡單鏈型懸掛的適用性分析結果。

1" 仿真研究

1.1" 仿真模型

目前普遍采用的接觸網弓網關系的有限元分析軟件有Ansys、德國BB公司的CATMO、日本的架線道、德國DB的PrOSA，德國西門子公司的SicatMaster、法國國鐵的OSCAR等。本文將利用德國BB公司的CATMO弓網仿真軟件，建立2個半錨段的接觸網仿真模型，錨段數據均為現場實際測量數據，通過設置不同的接觸懸掛參數和速度目標值，獲取接觸網和受電弓的動態(tài)運行參數，從而評價弓網運行狀態(tài)。建立接觸網簡單鏈型懸掛有限元仿真模型，模型包括1處錨段關節(jié)和2處中心錨結，如圖1所示。

1.2" 參數標準

受電弓和接觸網系統(tǒng)是時變非線性系統(tǒng)。列車上的受電弓與接觸網采用滑動接觸，存在的摩擦力是非線性狀態(tài)，鏈型懸掛中吊弦為松弛狀態(tài)、定位器存在鉸接點，也應為非線性狀態(tài)，受電弓與接觸網滑動接觸也存在非線性狀態(tài)。因此受電弓和接觸網動態(tài)仿真的重點是對一系列非線性狀態(tài)的建模和分析。

根據現場實際工況設定接觸網錨段長度、張力、跨距等參數，設置結構高度在前半個錨段發(fā)生變化，與現場實際情況保持一致。接觸懸掛仿真模型，以實際線路接觸網情況進行建模，線路接觸網實際情況見表1。

通過CATMO有限元計算弓網仿真軟件建立接觸網簡單鏈型懸掛的弓網仿真系統(tǒng)模型。德國BB公司的CATMO弓網仿真軟件利用有限元思路方法，將受電弓與接觸網模型進行離散化處理，接觸網和受電弓系統(tǒng)細分為若干個有限單元，再結合坐標變換，形成整體矩陣方程進行節(jié)點力和位移計算求解，能有效解決復雜的受電弓和接觸網的動態(tài)計算問題。依據我國電氣化鐵路接觸懸掛實際類型情況，文章選擇接觸線張力為20 kN，承力索張力為15 kN，結構高度為1 400 mm，速度按160、200、250及350 km/h設置。

2" 動態(tài)仿真

2.1" 靜態(tài)參數

弓網動態(tài)仿真結果的關鍵特征參數是弓網接觸力、接觸力標準差、定位點最大抬升、允許實際燃弧率等參數，燃弧率可在最小允許動態(tài)接觸力里面體現，弓網接觸力為0時，即可能存在接觸線與滑板分離現象，這種現象一般是弓網燃弧的前提。因此弓網接觸力為弓網動態(tài)性能評價的重要關鍵參數。評價標準應根據EN50119：2001，EN50367：2006和UIC799：2002規(guī)定執(zhí)行。其中，接觸壓力是弓網受流質量的重要衡量指標，表2為4種不同速度情況下，接觸壓力的仿真結果。

隨著速度等級的提高，接觸壓力的最小值減少，最大值增加，簡單鏈型懸掛當速度為160 km/h時，接觸壓力最小值為62.05 N，接觸壓力的最大值為143.13 N，差值為81.08 N;當速度為200 km/h時，接觸壓力最小值為64.26 N，接觸壓力的最大值為142.67 N，差值為78.41 N;當速度為250 km/h時，接觸壓力最小值為62.38 N，接觸壓力的最大值為154.26 N，差值為91.88 N;當速度為350 km/h時，接觸壓力最小值為50.13 N，接觸壓力的最大值為173.22 N，差值為123.09 N;由仿真結果可知當速度等級不大于200 km/h時，接觸壓力無明顯變化規(guī)律，特征參數相當，滿足弓網動態(tài)評價標準要求。當速度大于200 km/h時，接觸壓力隨速度繼續(xù)升高，呈現接觸壓力的最小值減少，最大值增加，接觸壓力變化差值逐漸變大，受電弓運行波動加劇。

當速度為160 km/h時，接觸壓力標準偏差為0.12;當速度為200 km/h時，接觸壓力標準偏差為0.14;當速度為250 km/h時，接觸壓力標準偏差為0.18;當速度為350 km/h時，接觸壓力標準偏差為0.21。因此隨速度等級的提高，受電弓和接觸網的動態(tài)接觸壓力波動變大，速度等級不大于200 km/h時，采用簡單鏈型懸掛的接觸網結構形式更有利于受電弓和接觸網動態(tài)運行，且結構簡單，便于施工和運營維護，滿足大風區(qū)、凈空受限等線路。當速度等級大于200 km/h時，可根據接觸懸掛導線選型合理配置接觸線和承力索張力或者改變接觸懸掛結構類型增加接觸網彈性，改善弓網運行動態(tài)參數。

2.2" 動態(tài)參數

受電弓和接觸網高速滑動中的動態(tài)接觸力，會因受電弓和接觸網的結構參數、靜態(tài)時受電弓抬升力、相對滑動速度以及天氣等因素影響，動態(tài)接觸力是表征受電弓和接觸網動力學性能與其載流摩擦磨損性能的重要指標。圖2—圖5為不同速度等級下受電弓和接觸網動態(tài)接觸壓力曲線圖。

仿真結果可知：速度等級為160 km/h和200 km/h時，簡單鏈型懸掛接觸壓力隨受電弓運行分布波動基本相當，在中心錨結處簡單鏈型懸掛波動較大;速度等級為250 km/h和350 km/h時，接觸壓力隨受電弓運行分布波動明顯變大，隨速度等級提高弓網關系逐漸惡化，可通過增加接觸懸掛張力和彈性改善弓網關系，以及增加彈性吊索提高定位點處的彈性，使整個接觸懸掛的彈性改善，有利于受電弓和接觸線的滑動接觸，接觸壓力將更加平順，波動幅度小。

本仿真的接觸線張力為20 kN和承力索張力為15 kN，結合線路接觸懸掛導線選型，通過增加接觸線和承力索的張力可抑制受電弓和接觸網的波動，改善弓網關系。

3" 結束語

接觸網采用簡單鏈型懸掛時，接觸線張力為20 kN和承力索張力為15 kN的組合適用于200 km/h及以下線路;當速度超過250 km/h采用簡單鏈型懸掛時，接觸線和承力索的張力需要合理配置。綜合考慮分析得出以下結論。

1）當速度等級不大于200 km/h時，簡單鏈型懸掛接觸壓力隨受電弓運行分布波動基本相當，在中心錨結處簡單鏈型懸掛波動較大，接觸壓力無明顯變化規(guī)律，滿足弓網動態(tài)評價標準要求。

2）當速度等級不大于200 km/h時，采用簡單鏈型懸掛的接觸網結構形式更有利于受電弓和接觸網動態(tài)運行，且結構簡單，便于施工和運營維護，滿足大風區(qū)、凈空受限等線路。

3）當速度大于200 km/h時，接觸壓力隨速度繼續(xù)升高，呈現接觸壓力的最小值減少、最大值增加，接觸壓力變化差值逐漸變大，受電弓運行波動加劇。

4）當速度等級大于200 km/h時，可根據接觸懸掛導線選型合理配置接觸線和承力索張力或者改變接觸懸掛結構類型增加接觸網彈性，改善弓網運行動態(tài)參數。

參考文獻：

[1] 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網[M].成都：西南交通大學出版社，2003.

[2] 董昭德，李嵐.接觸網工程與設計[M].北京：科技出版社，2014.

[3] 張衛(wèi)華.準高速接觸網動態(tài)性能的研究[J].西南交通大學學報，1997（2）：67-72.

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