基于新型吊弦的高速铁路接触网受流特性研究

2021-01-18刘文正伊金浩

铁道标准设计 2021年1期

李鑫,刘文正,孙成,2,伊金浩,徐旻

(1.北京交通大学电气工程学院,北京 100044； 2.株洲中车时代半导体有限公司,湖南株洲 412001)

引言

高速列车通过受电弓与接触网的滑动接触获取电流。当弓网间接触力过大时，会增大受电弓滑板和接触线的磨耗；当弓网间接触力过小时，会发生弓网离线产生电弧，烧蚀接触线和受电弓滑板，降低弓网系统的使用寿命[1]。因此，在高速运行的状况下保持弓网间接触力处于合适的范围是非常重要的。吊弦是链型悬挂接触网的重要组成部分之一，一方面连接接触线和承力索起到悬吊的作用，另一方面根据吊弦材料的属性又影响着接触网的刚度分布，从而影响受电弓的抬升，进而影响接触力的变化。同时，由于弓网振动较大，吊弦工作载荷大，吊弦线磨损断股等原因，吊弦断裂的事故时有发生[2]。吊弦发生故障必然使接触网结构发生变化，引起接触力变化，影响弓网受流质量[3]。

目前，国内外学者对吊弦进行了许多研究。文献[4]统计了高速铁路运行中吊弦断裂的情况，在吊弦心形环处、中部和压接处断裂占比分别为68.2%、18.2%和13.6%。CHO Yong-hyeon等分析了接触网刚度、吊弦是否卸载内力等因素对弓网受流质量的影响[5-7]。董贯阔等在弓网仿真模型中分析吊弦的动态受力，发现提高接触网弹性可以延长吊弦寿命[8]。杨家伟等研究了吊弦数量和质量对接触网振动和波动的影响[9]。以上研究均是对多个跨距内的接触力的统计规律进行分析，而缺少对引起接触力峰值和受流质量变差的原因分析。

本文基于接触网刚度分布研究吊弦参数对受流质量的影响，找出吊弦参数的优化方向，选择满足要求的新型吊弦材料，并对比采用传统吊弦和新型吊弦的弓网受流质量，最后讨论新型吊弦断裂对受流质量的影响。

1 弓网耦合模型和计算方法

1.1 弓网仿真模型

在有限元软件Marc.MSC中建立弓网模型，其中接触网模型根据京津城际铁路简单链型悬挂接触网实际结构参数，采用欧拉-伯努利梁单元进行建立[10]；受电弓模型根据单滑板CX-NG型受电弓参数，采用三质量块等效模型进行建立[11-13]。弓网模型的结构参数如图1所示，其中1～6号为吊弦编号。

图1 弓网模型示意(单位：m)

1.2 仿真模型的验证

为了验证仿真模型的合理性，根据EN50318标准中给定的弓网参数进行模型建立，并将仿真结果与标准规定的指标进行比较，如表1所示。从表1可以看出，仿真结果符合标准规定。表2所示的实测数据来自350 km/h京津城际武清至天津区间083-09和084-11锚段[14-15]，与仿真数据的对比结果，符合标准中规定的仿真值与实测值误差在±20%以内的规定。

表1 仿真结果与标准范围对比

表2 仿真结果与线路实测结果对比

1.3 接触网刚度计算

针对接触网刚度分布和接触力进行研究。其中接触网刚度的计算公式可以根据EN50119标准得到，记为

(1)

式中，K为接触网在位置x处的刚度值；P为抬升力；Y(x)表示在抬升力作用下接触线在位置x处的抬升量。

2 吊弦参数对接触网刚度分布和接触力的影响

针对吊弦材料的线密度和杨氏模量两个参数，探究吊弦参数对接触网刚度分布和弓网接触力的影响。

2.1 线密度对接触网刚度分布和接触力的影响

在同等长度和截面积的情况下，吊弦的线密度决定了吊弦的质量。在京津城际铁路接触网结构参数的基础上，保证接触线高度为设计高度的情况下，改变吊弦的线密度分别为30，90 g/m和150 g/m，对于接触网中间段的一个跨距进行抬升量的采集，根据公式(1)，计算得出接触网在一个跨距内的刚度值，如图2所示。

图2 一跨接触网刚度计算值

从图2可以看出，简单链型悬挂接触网的刚度值从1号和6号吊弦悬挂点向跨距中间呈现减小的趋势，在吊弦点处的刚度值要大于吊弦悬挂点附近的刚度值。刚度值的最大点在1号和6号吊弦悬挂点处，并且在这两个吊弦点两侧的刚度变化最大。随着吊弦线密度的减小，尤其在1号和6号吊弦点处的刚度值减小较为明显，其他吊弦悬挂点处刚度值略有减小。这是因为吊弦的质量汇集于悬挂点处，吊弦线密度的减小意味着吊弦质量的减小，从而使得吊弦悬挂点处的抬升变得更容易。而跨距中部的刚度值变化不大，这是因为接触网悬挂机构的质量向跨距中间汇集，由于接触线的质量较大，抬升量的变化较小。

为了研究吊弦线密度对弓网接触力的影响，设定吊弦的线密度分别为30，90 g/m和150 g/m，在运行速度为350 km/h的条件下进行弓网接触力的仿真计算，得到如图3所示的弓网接触力曲线。

图3 不同吊弦线密度一跨距弓网接触力曲线

从图3可以看出，随着吊弦线密度的改变，简单链型悬挂接触网的接触力曲线形貌规律基本不变，但接触力的数值有着较为明显的变化。随着吊弦线密度的增加，吊弦悬挂点附近的接触力变化幅度较大，在跨距首端定位点与1号吊弦悬挂点之间和6号吊弦悬挂点附近接触力变化剧烈，跨距内其他吊弦悬挂点处的接触力最大值都变大。当吊弦的线密度为150 g/m时，接触力最大值达到330 N，最小值接近60 N，不利于稳定受流。这是因为吊弦线密度的变化使得接触网刚度分布发生了变化，在高速运行条件下，硬点的影响更为显著，硬点处不容易抬升，接触力数值变化较大。

2.2 杨氏模量对接触网刚度分布和接触力的影响

杨氏模量是吊弦材料的一个重要性能参数，对于吊弦而言，直接影响吊弦的刚度，作为连接接触线和承力索的受力部件，其刚度值影响了接触网的刚度分布。在京津城际铁路接触网结构参数的基础上，改变吊弦的杨氏模量分别为70，110 GPa和150 GPa，得出跨距内的刚度值，如图4所示。

图4 一跨距接触网刚度计算值

从图4可以看出，简单链型悬挂接触网吊弦的杨氏模量和线密度对接触网刚度分布的影响有着相同的趋势。随着吊弦杨氏模量的增大，在吊弦悬挂点刚度略有增大，在1号和6号吊弦悬挂点处刚度值较其他吊弦点处增大的多。这是因为吊弦的刚度值随着杨氏模量的增大而增大，吊弦的刚度值越大越难产生形变，所以吊弦悬挂点处抬升量变小，使得接触网刚度增大。而跨距中间的刚度值变化不明显，这同样与接触网自身的结构和悬挂点位置有关。

为了研究吊弦的杨氏模量对弓网接触力的影响，设定吊弦的杨氏模量分别为70，110 GPa和150 GPa，在运行速度为350 km/h的条件下，进行弓网接触力的仿真计算，得到如图5所示的弓网接触力曲线。

图5 不同杨氏模量吊弦一跨距弓网接触力曲线

从图5可以看出，简单链型悬挂接触网接触力的最大值随着杨氏模量的增大而增大，吊弦杨氏模量的变化对于跨距首端定位点和1号吊弦悬挂点之间和6号吊弦悬挂点附近的接触力影响较为明显，接触力变化幅度变大，在其他吊弦悬挂点处接触力最大值也有所增大。这是因为接触网的刚度分布随着吊弦杨氏模量的改变而变化，在吊弦悬挂点处接触线不容易抬升，使得接触力幅值变大，变化幅度大。受接触网结构影响，各个悬挂点的变化情况不相同。

3 基于新型吊弦的弓网关系研究

由上一章分析可知，减小吊弦的线密度和杨氏模量可以使接触网刚度分布更平缓，可以明显降低吊弦悬挂点附近接触力最大值和变化幅度，提高弓网受流质量。以改善弓网受流质量和改善吊弦断裂为目的，选取合适的吊弦材料，并进行接触网刚度和弓网接触力的对比分析。

3.1 新型吊弦材料的确定

中国铁道行业标准中规定：吊弦线采用牌号JTMH10铜合金绞线，拉断力不小于5.67 kN，压接后吊弦线与压接管之间的滑动荷重不小于3.9 kN。JTMH10铜合金绞线的线密度90 g/m、杨氏模量113 GPa、标称截面积10 mm2、抗拉强度0.6 GPa、拉断力不小于5.7 kN。

一般情况下，吊弦仅仅起到机械连接的作用。文献[16-17]指出，吊弦烧断的主要原因有以下几点：列车提速后牵引电流增大使得原本不分流的吊弦载流量增大，致使吊弦烧断；列车取流较大时，接触线和承力索之间存在电位差，电流流过烧断吊弦；由于高速运动的受电弓对接触线产生冲击，引起接触网振动，破坏吊弦正常受力，造成机械损伤，产生的电弧放电也会烧蚀吊弦等。

采用绝缘材料作为吊弦材料会防止吊弦被烧断，考虑采用合成纤维材料替代现有吊弦材料。合成纤维原材料来源广泛，生产成本不高，具有良好的机械、物理和化学性能，包括高强度、低密度、耐疲劳、阻燃和耐高温等特性，一些特种纤维性能更为优良[18-21]。选取芳纶中的Kevlar29和Kevlar49纤维、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维等6种合成纤维材料与JTMH10铜合金绞线进行对比，如表3所示。

表3 材料的性能参数

由于膨胀系数的不同，随着温度变化材料会产生不同情况的热胀冷缩现象，而高速铁路对于吊弦长度的安装精度要求较高，因此也要考虑材料随温度变化的伸缩量。图6所示为各种材料在-40～120 ℃的伸缩量变化。

图6 不同材料伸缩量随温度的变化

综合表3和图6可以看出，尼龙66不满足吊弦材料力学方面的要求，UHMWPE不能满足吊弦的工作温度要求，玻璃纤维、Kevlar29、Kevlar49和碳纤维M40的伸缩量受温度的影响较小，但玻璃纤维和碳纤维不耐磨。在满足材料强度的条件下，从线密度小、杨氏模量小的角度考虑，Kevlar29满足要求。Kevlar 29材料强度大，耐磨、耐疲劳性能好，可以解决吊弦由于机械损伤造成吊弦断裂的问题；耐高温和绝缘性能可以改善烧断吊弦的问题。因此，选用Kevlar29芳纶材料作为新型吊弦材料。