京津城际铁路法维莱CX 受电弓双弓运行适应性研究*

2022-03-24李文杰张琳娜

铁道机车车辆 2022年1期

李文杰，倪东，张琳娜，黎锋

（1 中国铁路北京局集团有限公司，北京100860；2 中铁电气化勘测设计研究院有限公司，天津300250）

自2017 年起中国标准动车组列车复兴号，率先在我国第一条高速铁路—京津城际铁路［1］正式投入运营。经过理论仿真与实车试验证明，装备有法维莱主动型受电弓的复兴号长编动车组，在速度300 km/h 运营条件下，弓网受流效果良好。为满足市场需求，增强铁路竞争力，使京津城际铁路成为提升京津两地经济聚集效应和促进“半小时经济圈”的重要交通保障，深入研究在现有京津城际接触网系统条件下，提高京津城际铁路复兴号长编动车组运行时速，具有非常重要的现实意义。

1 研究过程

1.1 接触网简单链形悬挂适应性理论研究

在对京津城际铁路接触网简单链形悬挂［2］理论研究的基础上，通过对接触网波动传播速度、弹性不均匀度等因素的研究，结合京津城际接触网运维参数，确定京津城际接触网双弓运行条件。

1.1.1 京津城际铁路接触网参数

（1）接触网类型：简单链形悬挂。

（2）结构高度：1.6 m。

（3）预留驰度：0.5‰。

（4）承力索规格及张力：型号BzII-120，张力21 kN，参考单位质量1.06 kg/m。

（5）接触线规格及张力：型号CuMg-120，张力27 kN，参考单位质量1.07 kg/m。

（6）吊弦线：型号Bz-10，参考单位质量0.089 kg/m。

（7）计算跨距：50 m。

（8）吊弦布置：每跨布置5 根吊弦，第1 根吊弦和第5 根吊弦距定位点间距为5 m，其他各吊弦间距为10 m。

（9）拉出值：±300 mm。

1.1.2 京津城际铁路接触网波动传播速度研究

根据京津城际接触网悬挂的组成及张力体系，波动传播速度为式（1），可以算得京津城际接触网的波动传播速度为574.55 km/h。

式中：C为波动传播速度，km/h；TCW为接触线张力，N；mCW为接触线的线密度，kg/m。

京津城际铁路列车以350 km/h 的速度运行时，其值相当于接触网波动传播速度的61%，符合规范运营速度应当低于波动传播速度70% 的规定［3］。因此，京津城际接触网系统在理论上满足350 km/h 双弓运行的条件。

1.1.3 京津城际铁路接触网弹性不均匀度研究

由于接触网系统自身结构的原因，简单链形悬挂和弹性链形悬挂的接触网弹性不均匀度有较大差异。简单链形悬挂设计速度350 km/h 时，接触网弹性不均匀度不应大于25%；设计速度300、250 km/h 时，接触网弹性不均匀度不应大于40%；弹性链形悬挂接触网弹性不均匀度不应大于10%［3］。例如，京沪高铁和沪杭客专采用了弹性链形悬挂，通过实际检测得到接触网弹性不均匀度约为6% 左右，见表1、表2；京津城际铁路通过实际检测得到接触网弹性不均匀度为33%，见表3。

表1 京沪高速20 kN+31.5 kN 区段接触网静态弹性数据

表2 沪杭客专接触网静态弹性数据

表3 京津城际静态弹性测试数据

接触悬挂弹性不均匀度指标的差异，是导致在其他条件均相同的情况下简单链形悬挂系统最高适应速度比弹性链形悬挂系统低的关键原因。

接触悬挂弹性，不仅是评价高速接触网受流质量的重要指标，也是对高速受流质量产生重要影响的因素，其值表示为式（2）：

式中：P为抬升力或压力，N；Y为由抬升力P在接触线上引起的升高，mm；η为接触线某点处的静态弹性值，mm/N。

弹性系数仅表示点对点接触悬挂的弹性性能，不具备悬挂的整体概念，因而对一个跨距或对一个锚段的悬挂而言，一般用弹性差异系数表示。弹性系数K是弹性的倒数［4］。弹性差异系数为式（3）：

为了减小弹性差异，必须尽量使距中部的悬挂和悬挂点处的弹性均匀一致，一般采用弹性链形悬挂。

1.2 受电弓模型仿真应用

动车组受电弓主要有被动型受电弓和主动型受电弓2 种，被动型受电弓主要依靠调整受电弓的导流翼片来达到最佳受流状态，调整难度较大且有时收效甚微。主动型受电弓对接触网的适应能力更强，对于特定的接触网和运行速度，依据弓网动态接触压力实测数据，通过调整受电弓的静态接触压力可锁定最佳受流状态下的静态接触压力值。我国新一代高速动车组（CRH380 型、CR400型）全部采用了主动型受电弓。

弓网动态耦合仿真作为中国高速铁路牵引供电关键技术［5］，基于法维莱CX 受电弓的数学模型，采用弓网耦合仿真系统CPSS（Cantenary/Pantograph Interactive Simulation System）对京津城际铁路弓网配合关系进行仿真计算。受电弓2 质量块数学模型如图1 所示，其参数见表4。研究弓网之间的动态耦合关系，从理论上确定双弓运行的最高适应速度。

图1 受电弓2 质量块数学模型

表4 受电弓2 质量块数学模型参数

（1）受电弓抬升力输入值，以70 N 工况为基础，结合计算结果在60～90 N 范围内，以5 N 间隔增大或者减少此参数，寻找满足运营速度要求的对应参数。

（2）双弓间距参数：209 m。

1.3 京津城际铁路弓网关系关键指标评判标准

1.3.1 接触线平顺性评判标准

接触线平顺性测试参数限值，见表5。

表5 接触线平顺性测试参数限值

1.3.2 弓网受流性能评判标准

为科学合理地评判京津城际接触网质量和弓网配合质量，选取弓网动态接触力和弓网燃弧指标作为弓网受流性能评判参数。

（1）弓网动态接触力

弓网动态接触力测试按一个跨距为一个分析单位，分析参数有：最大值、最小值、平均值、标准偏差。各参数评判标准如下：

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为速度，km/h。

④标准偏差（N）：σ≤0.3×Fm

（2）弓网燃弧指标

①最大燃弧时间：Tmax＜100 ms

②燃弧率：μ＜5%

式中：∑tarc为单次燃弧持续时间大于5 ms 的燃弧时间总和；ttotal为测量总时间。

③燃弧次数应小于1 次/160 m。

1.3.3 抬升量

根据京津城际铁路设计方案，正常运行条件下，接触网悬挂点处计算和验证的最大抬升量为100 mm。

2 研究结果及数据分析

2.1 弓网仿真数据

基于复兴号法维莱CX 受电弓双弓运营模式和京津城际的接触网系统，选取310、320、330、350 km/h 共4 种速度级进行仿真计算，对复兴号系列车型的双弓运行最高适应速度进行研究，并对京津城际铁路接触网系统能否长期开行350 km/h 的双弓运行动车组进行了分析评估。

仿真计算结合CX 受电弓的控制机理以及抬升力的范围，各速度级仿真受电弓静抬升力从65～80 N 每5 N 间隔一档进行仿真计算。通过仿真结果分析表明，在320 km/h 及以下速度条件下，前、后弓各项数据指标均满足评判标准；在330 km/h以上速度条件下，后弓各项数据指标出现不满足评判标准的情况，仿真结果见表6。

表6 仿真结果数据表

2.2 实车测试数据

2018 年7 月，使用装备法维莱CX 受电弓的CR400BF 动车组在京津城际开展了310、320、330、340、350 km/h 速度等级下的双弓运行弓网受流性能试验。试验的主要测试数据见表7。

表7 实车测试数据表

根据试验数据CR400BF 双弓受流动车组后弓受流各速度级测试结果如下：

（1）以310 km/h 速度运行时，各项弓网关系关键指标符合标准要求，如图2～图5 所示。

图2 压力曲线图（310 km/h）

图3 燃弧时间散点图（310 km/h）

图4 燃弧次数散点图（310 km/h）

图5 硬点散点图（310 km/h）

（2）以320 km/h 速度运行时，接触力标准偏差、燃弧次数超出标准限值，如图6～图9 所示。

图6 压力曲线图（320 km/h）

图7 燃弧时间散点图（320 km/h）

图8 燃弧次数散点图（320 km/h）

图9 硬点散点图（320 km/h）

接触力标准偏差共检测542 跨，其中有179 跨数据超过50.8 N，最大值为75 N，不符合接触力标准偏差标准限值：≤50.8 N。

燃弧次数1.74 次/160 m，不符合燃弧次数标准限值：≤1 次/160 m。共检测49 km，其中38 km数据超过6 次/1 000 m，最大18 次/1 000 m，不符合评判标准。

（3）以330 km/h 速度运行时，最大接触力、最小接触力、接触力标准偏差、燃弧次数、最大燃弧时间超出标准限值，如图10～图13 所示。

图10 压力曲线图（330 km/h）

图11 燃弧时间散点图（330 km/h）

图12 燃弧次数散点图（330 km/h）

图13 硬点散点图（330 km/h）

最大接触力共检测813 跨，其中有14 跨数据大于334 N，最大值为350 N，不符合最大力标准限值：≤334 N。

最小接触力共检测813 跨，其中有9 跨数据小于20 N，最小值为0，不符合最小接触力标准限值：≥20 N。

接触力标准偏差共检测813 跨，其中有228 跨数据超过52.7 N，最大值为80 N，不符合接触力标准偏差标准限值：≤52.7 N。

燃弧次数：1.86 次/160 m，不符合燃弧次数标准限值：≤1 次/160 m；共检测75 km，其中63 km 数据超过6 次/1 000 m，最大22 次/1 000 m，不符合评判标准。

最大燃弧时间129 ms，超出最大燃弧时间标准限值：≤100 ms。

（4）以340 km/h 速度运行时，最大接触力、最小接触力、接触力标准偏差、燃弧次数超出标准限值，如图14～图17 所示。

图14 压力曲线图（340 km/h）

图15 燃弧时间散点图（340 km/h）

图16 燃弧次数散点图（340 km/h）

图17 硬点散点图（340 km/h）

最大接触力共检测227 跨，其中有9 跨数据大于346 N，最大值为368 N，不符合最大力标准限值：≤346 N。

最小接触力共检测227 跨，其中有9 跨数据小于20 N，最小值为9 N，不符合最小接触力标准限值：≥20 N。

接触力标准偏差共检测227 跨，其中有170 跨数据超过54.6 N，最大值为79 N，不符合接触力标准偏差标准限值：≤54.6 N。

燃弧次数3.17 次/160 m，不符合燃弧次数标准限值：≤1 次/160 m。共检测23 km，23 km 数据均超过6 次/1 000 m，最大27 次/1 000 m，不符合评判标准。

（5）以350 km/h 速度运行时，最大接触力、平均接触力、最小接触力、接触力标准偏差、燃弧次数超出标准限值，如图18～图21 所示。

图18 压力曲线图（350 km/h）

图19 燃弧时间散点图（350 km/h）

图20 燃弧次数散点图（350 km/h）

图21 硬点散点图（350 km/h）

最大接触力共检测115 跨，其中有19 跨数据大于359 N，最大值为456 N，不符合最大力标准限值：≤359 N。

平均接触力共检测115 跨，其中有21 跨数据大于189 N，最大值为196 N，不符合平均接触力标准限值：≤189 N。

最小接触力共检测116 跨，其中有3 跨数据小于20 N，最小值为12 N，不符合最小接触力标准限值：≥20 N。

接触力标准偏差共检测116 跨，其中有94 跨数据超过56.6 N，最大值为79 N，不符合接触力标准偏差标准限值：≤56.6 N。

燃弧次数4.11 次/160 m，不符合燃弧次数标准限值：≤1 次/160 m。共检测12 km，12 km 数据均超过6 次/1 000 m，最大28 次/1 000 m，不符合评判标准。

2.3 数据对比分析结果

基于京津城际铁路既有接触网系统和装备法维莱CX 受电弓动车组双弓运行工况，通过对弓网关系仿真及实车试验数据分析，可以得出：

装备法维莱CX 受电弓动车组以310 km/h 速度双弓运行时，弓网受流数据正常；以320 km/h 速度运行时，接触力标准偏差超出50.8 N 的限值；以330 km/h 速度运行时，弓网最大接触力、最小接触力、接触力标准偏差超出限值，在此速度等级仿真结果还出现了接触力为0 的情形，表明以330 km/h速度运行时燃弧会开始加剧；以340、350 km/h 速度运行时，弓网最大接触力、平均接触力、接触力标准偏差超出标准限值。