基于不同速度等級的鐵路接觸網(wǎng)鏈形懸掛仿真研究

張珹 李亮

摘 要：【目的】研究不同速度等級下鐵路接觸網(wǎng)鏈形懸掛類型和參數(shù)對弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響?！痉椒ā坎捎糜邢拊抡娣▉斫⒉煌俣鹊燃壪妈F路接觸網(wǎng)鏈形懸掛弓網(wǎng)動態(tài)仿真模型。選取不同速度等級與不同接觸懸掛類型的彈性鏈懸掛和簡單鏈形懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)，建立基于有限元的弓網(wǎng)動態(tài)仿真模型，對弓網(wǎng)動態(tài)性能進(jìn)行比較分析?！窘Y(jié)果】仿真性能研究結(jié)果表明：簡單鏈形懸掛適用于速度為200 km/h的電氣化鐵路。當(dāng)速度為300 km/h時，彈性鏈形懸掛接觸力的變化更加平順，且波動幅度更小，綜合性能要優(yōu)于簡單鏈形懸掛。【結(jié)論】不同速度等級下，接觸網(wǎng)鏈形懸掛類型和參數(shù)對弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)有較大影響。

關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng)懸掛；簡單鏈懸掛；彈性鏈懸掛；弓網(wǎng)動態(tài)仿真

中圖分類號：U225.2 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）14-0004-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.001

Simulation Research on Chain Suspension of Railway Catenary Based on Different Speed Grades

ZHANG Cheng1 LI Liang2

（1.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi'an 710043， China;

2.China Railway Qinghai-Tibet Group Co.， Ltd.， Xining 810006， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the influence of catenary suspension type and parameters on the operation status of pantograph and catenary under different speed levels. [Methods] The finite element simulation method was used to establish the dynamic simulation model of catenary suspension under different speed levels， and this paper selects the flexible catenary suspension and simple catenary suspension catenary system with different speed levels and different contact suspension types， and establishes the dynamic simulation model of pantograph and catenary based on finite element to compared and analyzed the dynamic performance of pantograph-catenary system. [Findings] The simulation performance parameter results show that the simple chain suspension is applicable to the electrified railway of 200 km/h. When the speed is 300 km/h， the contact force of the elastic chain suspension changes more smoothly， and the fluctuation range is smaller， and the comprehensive performance is better than that of the simple chain suspension. [Conclusions] The type and parameters of catenary chain suspension have a significant impact on the operating status of the pantograph and catenary under different speed levels.

Keywords：catenary suspension;simple chain suspension; elastic chain suspension; dynamic simulation of pantograph catenary

0 引言

接觸懸掛的弓網(wǎng)系統(tǒng)是由接觸網(wǎng)與受電弓組成的，采用滑動接觸方式來傳輸電能。接觸網(wǎng)延鐵路線路敷設(shè)，受電弓安裝在列車機(jī)車上方，受電弓和接觸網(wǎng)通過滑動接觸點(diǎn)來傳輸電能，電能質(zhì)量的優(yōu)劣決定著電能傳輸效率。在列車高速行駛過程中，弓網(wǎng)關(guān)系至關(guān)重要。隨著列車運(yùn)行速度越來越高，對滑動接觸取能的要求也越來越嚴(yán)格。研究接觸網(wǎng)系統(tǒng)的弓網(wǎng)動態(tài)性能，對保證高速列車的安全運(yùn)行是十分重要的。

隨著電氣化鐵路里程不斷增加，我國不同速度等級的鐵路網(wǎng)也在不斷完善。電氣化鐵路接觸網(wǎng)分為簡單懸掛、簡單鏈形懸掛、彈性鏈形懸掛等［1］。其中，簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛的應(yīng)用范圍最廣。研究不同速度等級的接觸網(wǎng)簡單鏈形懸掛或彈性鏈形懸掛的弓網(wǎng)匹配性是非常有必要的。

對接觸網(wǎng)弓網(wǎng)動態(tài)性能分析的研究方法有兩種，即實(shí)測數(shù)據(jù)分析研究和計算機(jī)仿真模擬研究。實(shí)測數(shù)據(jù)分析研究因獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)較為困難，要投入大量的人力、物力，不宜作為研究弓網(wǎng)動態(tài)性能的主要方法。計算機(jī)仿真模擬研究通過建立有限元仿真模型，能方便、快捷地進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證和參數(shù)分析。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對弓網(wǎng)匹配性的研究主要是通過計算機(jī)構(gòu)建仿真模型來進(jìn)行模擬計算的［2］。本研究使用有限元計算軟件來建立不同速度等級的簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛的弓網(wǎng)動態(tài)仿真模型，開展不同接觸網(wǎng)鏈形懸掛和不同速度等級的弓網(wǎng)動態(tài)仿真研究［3］，對弓網(wǎng)動態(tài)評價參數(shù)進(jìn)行分析，通過對比接觸網(wǎng)動態(tài)性能評價參數(shù)，給出不同類型和速度等級下接觸網(wǎng)弓網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)匹配的基本原則，總結(jié)歸納速度等級和接觸懸掛參數(shù)的合理范圍，為接觸網(wǎng)的合理化設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)建立

可采用Ansys、CATMOS、PrOSA、SicatMaster、OSCAR等軟件對接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行有限元分析。本研究使用德國BB公司研發(fā)的CATMOS弓網(wǎng)仿真軟件來建立兩個半錨段接觸網(wǎng)的仿真模型，錨段數(shù)據(jù)均為現(xiàn)場實(shí)際測量數(shù)據(jù)。通過設(shè)置不同的接觸懸掛參數(shù)和速度目標(biāo)值，來獲取接觸網(wǎng)和受電弓的動態(tài)運(yùn)行參數(shù)，據(jù)此來評價弓網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。

1.1 模型建立

受電弓和接觸網(wǎng)系統(tǒng)是時變非線性系統(tǒng)。列車上的受電弓與接觸網(wǎng)采用的是滑動接觸，二者的摩擦力是非線性的，鏈形懸掛中的吊弦為松弛狀態(tài)，定位器存在鉸接點(diǎn)，即受電弓與接觸網(wǎng)的滑動接觸為非線性狀態(tài)。因此，對受電弓和接觸網(wǎng)進(jìn)行動態(tài)仿真的重點(diǎn)是對一系列非線性狀態(tài)進(jìn)行建模分析。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況來設(shè)定接觸網(wǎng)的錨段長度、張力、跨距等參數(shù)，設(shè)置結(jié)構(gòu)高度在前半個錨段發(fā)生變化，要與現(xiàn)場實(shí)際情況要保持一致。以實(shí)際線路接觸網(wǎng)情況來構(gòu)建接觸懸掛仿真模型，線路接觸網(wǎng)實(shí)際情況見表1。

通過CATMOS有限元仿真軟件來構(gòu)建接觸網(wǎng)彈性鏈懸掛、簡單鏈形懸掛的弓網(wǎng)系統(tǒng)仿真模型［4-5］，仿真模型如圖1、圖2所示。圖1為兩個半錨段的接觸網(wǎng)簡單鏈形懸掛模型，兩端加設(shè)中心錨結(jié)，中部加設(shè)非絕緣關(guān)節(jié)；圖2為兩個半錨段的接觸網(wǎng)彈性鏈形懸掛模型，兩端加設(shè)中心錨結(jié)，中部加設(shè)非絕緣關(guān)節(jié)。

1.2 參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

德國BB公司研發(fā)的CATMOS仿真軟件是利用有限元法的基本思路，對受電弓與接觸網(wǎng)模型進(jìn)行離散化處理，將接觸網(wǎng)和受電弓系統(tǒng)細(xì)分為若干個有限單元，再結(jié)合坐標(biāo)變換，形成整體矩陣方程，從而對節(jié)點(diǎn)力和位移進(jìn)行計算求解，能有效解決受電弓和接觸網(wǎng)復(fù)雜的動態(tài)計算問題。

結(jié)合已運(yùn)行鐵路的實(shí)際情況，建立不同參數(shù)的接觸網(wǎng)簡單鏈形懸掛系統(tǒng)和彈性鏈形懸掛系統(tǒng)有限元仿真模型。仿真速度值設(shè)為200 km/h、300 km/h兩個等級，接觸線張力設(shè)為20 kN，承力索張力設(shè)為15 kN，彈性吊索張力設(shè)為3.5 kN，其余參數(shù)均相同。通過對弓網(wǎng)動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，分別建立兩個半錨段的仿真模型（包括錨段關(guān)節(jié)、中心錨結(jié)等部分），從而實(shí)現(xiàn)對弓網(wǎng)系統(tǒng)的仿真研究。弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)仿真結(jié)果的關(guān)鍵特征參數(shù)包括弓網(wǎng)接觸力、接觸力標(biāo)準(zhǔn)差、定位點(diǎn)最大抬升、允許實(shí)際燃弧率等，燃弧率由最小允許動態(tài)接觸力來表征。弓網(wǎng)接觸力為0 N時，可能出現(xiàn)接觸線與滑板分離的現(xiàn)象，一般為弓網(wǎng)燃弧的前提。因此，弓網(wǎng)接觸力可作為評價弓網(wǎng)動態(tài)性能的重要關(guān)鍵參數(shù)。評價標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)EN 50119—2001、EN 50367—2006、UIC 799—2002中的規(guī)定來執(zhí)行。

2 仿真研究

2.1 弓網(wǎng)受流質(zhì)量

接觸壓力是評價弓網(wǎng)受流質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。不同速度等級下彈性鏈形懸掛和簡單鏈形懸掛的弓網(wǎng)接觸壓力仿真結(jié)果見表2。

在相同類型的懸掛形式下，隨著速度等級的提高，接觸壓力的最小值減少、最大值增加；當(dāng)速度為200 km/h時，簡單鏈形懸掛網(wǎng)接觸壓力的最小值為64.26 N、最大值為142.68 N，二者的差值為78.42 N；當(dāng)速度為300 km/h時，簡單鏈形懸掛網(wǎng)接觸壓力的最小值為46.86 N、最大值為194.77 N，二者的差值為147.91 N。由此可知，在不同速度（200 km/h、300 km/h）下，接觸壓力的范圍變大，變化幅度為69.49N，弓網(wǎng)動態(tài)出現(xiàn)受電弓波動加劇的情況。當(dāng)速度為200 km/h時，彈性鏈形懸掛接觸壓力的最小值為76.70 N、最大值為144.42 N，二者的差值為67.72 N；當(dāng)速度為300 km/h時，彈性鏈形懸掛接觸壓力的最小值為47.99 N、最大值為185.98 N，二者的差值為137.99 N。由此可知，在不同速度（200 km/h、300 km/h）下，接觸壓力的范圍變大，變化幅度為70.27 N，弓網(wǎng)動態(tài)出現(xiàn)受電弓波動加劇的情況。

在相同速度等級下，彈性鏈形懸掛的接觸壓力變化幅度較小。當(dāng)速度為200 km/h時，簡單鏈形懸掛接觸壓力變化幅度為78.42 N、彈性鏈形懸掛接觸壓力變化幅度為67.72 N；當(dāng)速度為300 km/h時，簡單鏈形懸掛接觸壓力變化幅度為147.91 N，彈性鏈形懸掛接觸壓力變化幅度為137.99 N；當(dāng)速度為200km/h時，簡單鏈形懸掛接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.14，彈性鏈形懸掛接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.11；當(dāng)速度為300 km/h時，簡單鏈形懸掛接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.21，彈性鏈形懸掛接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.20。因此，在相同速度等級下，彈性鏈形懸掛接觸力的變化范圍和偏離程度較小，彈性鏈形懸掛弓網(wǎng)的彈性更優(yōu)。隨著列車速度等級的提高，受電弓和接觸網(wǎng)的動態(tài)接觸壓力波動變大，彈性鏈形懸掛受電弓和接觸網(wǎng)的波動情況較簡單鏈形懸掛要小。因此，當(dāng)速度等級大于300 km/h時，采用彈性鏈形懸掛接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式將更有利于受電弓和接觸網(wǎng)的動態(tài)運(yùn)行，提升弓網(wǎng)受流質(zhì)量，改善弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，從而能有效提升高速列車運(yùn)行品質(zhì)和行車安全。

2.2 接觸壓力曲線

在高速滑動中，受電弓和接觸網(wǎng)的動態(tài)接觸力會受到受電弓和接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、靜態(tài)時受電弓的抬升力、相對滑動速度及天氣等因素的影響，動態(tài)接觸力是表征受電弓和接觸網(wǎng)動力學(xué)性能及其載流摩擦磨損性能的重要指標(biāo)。

速度為200 km/h時，簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛下的弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力隨受電弓運(yùn)行距離（m）變化的仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。其中，彈性鏈形懸掛接觸壓力的波動比簡單鏈形懸掛要小，弓網(wǎng)運(yùn)行更平穩(wěn)。由圖可知，323 m和1 450 m處為中心錨結(jié)，該處接觸壓力的波動較大，且彈性鏈形懸掛的波動要遠(yuǎn)小于簡單鏈形懸掛。

速度為300 km/h時，簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛下的弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力隨受電弓運(yùn)行距離（m）變化的仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。其中，彈性鏈形懸掛接觸壓力的波動明顯比簡單鏈形懸掛的小，弓網(wǎng)運(yùn)行更加平穩(wěn)。其中，323 m、1 450 m處為中心錨結(jié)，該處接觸壓力波動較大，簡單鏈形懸掛中心錨結(jié)處的接觸壓力已接近0，有較大的燃弧風(fēng)險。

由仿真結(jié)果可知，速度為200 km/h時，簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛的接觸壓力隨受電弓運(yùn)行距離增大的波動基本相當(dāng)，在中心錨結(jié)處簡單鏈形懸掛的波動較大；速度為300 km/h時，彈性鏈形懸掛的接觸壓力波動要明顯優(yōu)于簡單鏈形懸掛，彈性吊索能提高定位點(diǎn)處的彈性，使整個接觸懸掛的彈性得以改善，有利于受電弓和接觸線的滑動接觸，接觸壓力變化更平順，波動幅度小，弓網(wǎng)關(guān)系較好。

3 結(jié)語

簡單鏈形懸掛結(jié)構(gòu)簡單、適用性強(qiáng)，弓網(wǎng)動態(tài)效果較好，適用于速度為200 km/h的電氣化鐵路。當(dāng)速度為300 km/h時，彈性鏈形懸掛接觸力的變化更平順，且波動幅度小，綜合性能要優(yōu)于簡單鏈形懸掛。

①在相同速度等級下，彈性鏈形懸掛接觸力的變化范圍和偏離程度均較小。隨著速度等級的提高，受電弓和接觸網(wǎng)的動態(tài)接觸壓力波動變大，彈性鏈形懸掛接觸力的波動較簡單鏈形懸掛要小。

②當(dāng)速度等級大于300 km/h時，接觸網(wǎng)采用彈性鏈形懸掛的結(jié)構(gòu)形式更有利于受電弓和接觸網(wǎng)的動態(tài)運(yùn)行，能提升弓網(wǎng)受流質(zhì)量，改善弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

③當(dāng)速度等級為200 km/h時，簡單鏈形懸掛和彈性鏈形懸掛的接觸壓力隨受電弓運(yùn)行距離增大的波動基本相當(dāng)，在中心錨結(jié)處簡單鏈形懸掛波動較大。

④當(dāng)速度等級為300 km/h時，彈性鏈形懸掛的接觸壓力波動要明顯優(yōu)于簡單鏈形懸掛方式，這是因?yàn)閺椥缘跛髂芴岣叨ㄎ稽c(diǎn)處的彈性，有利于受電弓和接觸線的滑動接觸，弓網(wǎng)關(guān)系較好。

參考文獻(xiàn)：

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

［2］REICHMANN T.Simulation of the interaction between overhead contact line and pantographs with the finite element method［J］.Elektrische Bahnen，2005，103（1）： 69-75.

［3］梅桂明，張衛(wèi)華，劉紅嬌.不同結(jié)構(gòu)類型接觸網(wǎng)動態(tài)特性［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報.2002（2）：27-31.

［4］李凱.高速鐵路接觸網(wǎng)彈性鏈形懸掛精細(xì)化施工技術(shù)探討［J］.鐵道建筑技術(shù)，2010（7）：11-14.

［5］劉興晨.歐洲高速鐵路接觸網(wǎng)工程建設(shè)模式的特點(diǎn)探析［J］.鐵道建筑技術(shù)，2012（6）：9-12.