强风区高铁刚性吊弦系统接触网振动研究.pdf

JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETYNO.6(Ser.297)Jun2023报程学道铁2023年6 月第6 期(总2 9 7)文章编号：1 0 0 6-2 1 0 6(2 0 2 3)0 6-0 0 9 3-0 6强风区高铁刚性吊弦系统接触网振动研究余纲米米（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安7 1 0 0 43)摘要：研究目的：受电弓高速通过刚性吊弦时，会引起刚性吊弦与绝缘套筒的分离，产生吊弦力，引起接触网振动，叠加风荷载后振动加剧，造成吊弦磨损严重甚至断裂，也会影响弓网关系。为确认强风区高速铁路刚性吊弦设计运维的关键点，动车组达速运行条件下接触网系统可适应的最大风速，以广深港铁路为研究对象，运用有限元动力学方程组建立仿真模型，仿真计算吊弦力的数字特征及离线率；利用Davenport顺向谱和Panofsky竖向谱构造模拟脉动风速，研究不同速度及风速条件下接触网弓网耦合关系，寻求强风区域刚性吊弦接触网系统安全运营边界和设备薄弱点。研究结论：（1）吊弦力和风荷载共同作用下，离定位点最近的吊弦受冲击及振动最大，设计时应考虑设备局部加强，运维也应重点关注；（2）风速越大，振动增大趋势越显著，风速大于2 0 m/s后，弓网关系恶化速度显著加快；（3）风速大于2 0 m/s，弓网动态性能超出标准要求，后弓问题尤为突出，无法满足动车组时速3 0 0 km运行要求；（4）本研究结果可为强风区刚性吊弦系统接触网设计、运维及大风天气行车组织提供借鉴和参考。关键词：刚性吊弦；接触网振动；吊弦力；离线率；强风中图分类号：U42文献标识码：AResearch on the Vibration of the Catenary System of Rigid Dropper for High-speed Railway in Strong Wind RegionYU Gang(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.Ltd,Xian,Shaanxi 710043,China)Abstract:Research purposes:When the pantograph passes through the rigid dropper at high speed,it will cause theseparation between the rigid dropper and the insulating sleeve,generate dropper force,and cause the vibration of thecatenary.After the wind load is superimposed,the vibration will intensify,affecting the pantograph catenaryrelationship,causing serious wear and even fracture of the dropper.To confirm the key points for the design,operationand maintenance of rigid dropper for high-speed railways in strong wind areas,and to determine the maximum windspeed that the contact network system of high-speed trains can adapt to when operating at full speed,a simulationmodel was established using finite element dynamics equations to simulate and calculate the digital characteristics andoffline rate of dropper force on the Guangzhou-Shenzhen-Hong Kong Railway as the research object;Using theDavenport forward spectrum and Panofsky vertical spectrum to simulate fluctuating wind speed,study the couplingrelationship between the overhead contact system and the pantograph under different speed and wind speed conditions,and seek the safe operation boundary and equipment weakness points of the rigid dropper overhead contact system instrong wind areas.Research conclusions:(1)Under the combined action of dropper force and wind load,the dropper closest to the米收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 9基金项目：国家重点研发计划课题（2 0 2 1 YFB2601505）*作者简介：余纲，1 9 7 8 年出生，男，高级工程师。2023年6 月铁报程道学94positioning point is subjected to the greatest impact and vibration.Local reinforcement of the equipment should beconsidered in design,and special attention should also be paid during operation and maintenance.(2)The higher thewind speed,the more significant the trend of vibration increase.When the wind speed exceeds 20 m/s,the deteriorationrate of the pantograph catenary relationship significantly accelerates.(3)The wind speed is greater than 20 m/s,andthe dynamic performance of the pantograph and catenary exceeds the standard requirements.The rear pantographproblem is particularly prominent,which cannot meet the operating requirements of the high-speed train unit at a speedof 300 km/h.(4)The research results can provide reference for the design,operation and maintenance of the rigidsuspension wire system contact network in strong wind areas,as well as for the organization of train operation duringstrong winds.Key words:rigid dropper;vibration of catenary;dropper force;offline rate;strong wind1概述列车高速通过时受电弓对接触网的抬升力会引起接触网的振动，随着列车速度的提升，接触网振动幅度也急剧加大，同时受风荷载作用，接触导线也会振动、晃动。吊弦是接触网系统中在承力索上悬吊接线的连接部件，导线的频繁振动易造成吊弦的连接处松动、断裂，危及行车安全。在沿海、新疆等强风地区常采用抗风能力较强的小结构高度整体腕臂、刚性吊弦系统1-3 。刚性吊弦与绝缘套简是可分离的组件，高速受电弓通过刚性吊弦接触网时，会引起刚性吊弦与绝缘套筒的分离。分离后的刚性吊弦会跌落至绝缘套筒上，产生冲击力，高速受电弓通过刚性吊弦时的刚性吊弦与绝缘套筒之间的接触力（本文以下简称为吊弦力）。吊弦力对吊弦本体和绝缘套筒带来的冲击会影响设备寿命 4，也会引起受电弓的振动和接触线的离线。因此，有必要对刚性吊弦系统吊弦力及其对接触网的影响进行研究。以设计速度3 50 km/h的广深港高铁为研究对象，研究大风条件下吊弦力作用下的弓网动态耦合振动规律。2仿真建模建立广深港高铁接触网采用全补偿弹性链型悬挂，主要设计参数如表1 所示。应用受电弓与刚性吊弦接触网有限元动力学方程组，建立两个半锚段的刚性吊弦接触网仿真模型表1 广深港高速铁路接触网设计参数项目数值标称跨距/m50承力索型号JTMH120接触线型号CTMH150承力索单位长度质量/（kgm-）1.065接触线单位长度质量/（kgm-）1.350续表1广深港高速铁路接触网设计参数项目数值承力索张力/kN23接触线张力/kN28.5结构高度/m0.95刚性吊弦截面/mm28吊弦间隔/m5吊弦数量9拉出值/m0.25跨距数量12 2锚段关节四跨非绝缘定位器弹簧刚度/（Nm-1）1 020定位器长度/m1.2分析区间/m95885广深港高铁运营使用的受电弓类型主要为CX-NG、SSS40 0+、D SA 3 8 0 型，本次研究采用SSS400+型受电弓作为分析对象。受电弓的仿真模型使用三归算质量一阻尼刚度模型，模型参数如表2 所示，静态接触力f为7 0 N，空气动力影响参照轨道交通受流系统受电弓与接触网相互作用准则（IEC62486）规定按0.0 0 0 9 7 计算，其中为受电弓运行速度，取300km/h，采用双弓运行，双弓间距按2 0 0 m计。按照欧洲高速铁路弓网系统标准体系（EN50318），受电弓弓头与接触线的接触刚度为50 0 0 0 N/m。考虑绝缘套筒与刚性吊弦的静态接触力（即吊弦内力）为0 1 0 0 N的范围，与碳滑板和接触线在同一数量级变化，且碳滑板与尼龙材料的弹性模量接近，绝缘套筒与刚性吊弦的接触刚度仍选取50 0 0 0 N/m。表2SSS400+型受电弓仿真模型参数符号数值符号数值m,/kg6.1Cs/(N s:m-)10m,/kg10.154C2/(N s:m=)0m,/kg10.3C/(N s:m)120kg/(Nm-)10400J/N0.5k2/(Nm)10600J./N3.5k,/(N.m)0.1Ji/N3.5余纲：强风区高铁刚性吊弦系统接触网振动研究第6 期953不考虑风荷载的吊弦力与接触网振动当动车组以3 0 0 km/h速度双弓通过刚性吊弦时，引起一跨内刚性吊弦的吊弦力变化。跨内9 根吊弦均出现了刚性吊弦本体与绝缘套筒离线的现象，其中第1、2、8 和9 吊弦的离线情况较严重。统计各吊弦力的数字特征及离线率，如表3 所示。吊弦力标准差和离线率最大的是第1 吊弦；最大吊弦力出现在第2 吊弦，为1 6 1.7 N；靠近定位点的吊弦力波动较大，跨距中部的吊弦力波动较小。表3各吊弦力及离线率数据表吊弦吊弦力吊弦力吊弦力吊弦力离线率序号平均值/N标准差/N最小值/N最大值/N/%148.2519.430.00139.654.53262.6616.150.00161.702.30365.8711.310.00141.880.30466.0610.160.00122.190.33565.939.690.00119.040.30666.0611.450.00115.300.45765.6211.350.00139.500.59863.9614.980.00153.722.07945.6218.980.00154.615.51从上述数据可知，在不考虑风荷载条件下，受电弓从承导固定更稳定的定位点，移动至相邻的第1 和第9吊弦时，导线振动对吊弦冲击最大。长期的弓网振动容易引起吊弦本体和绝缘套筒出现疲劳、破损等问题，实际工程中可考虑相应的加强措施。4风荷载作用下的接触网吊弦力参照风区2 0 0 2 50 km/h电气化铁路接触网主要装备技术条件（暂行）（TJ/GD0022013），风区接触网基本运行风速按3 0 m/s。该风速为平均风速，利用结构建筑风载荷计算中常用的Davenport顺向谱和Panofsky竖向谱构造脉动风速，Davenport顺向谱模拟出水平脉动风速，风向为接触网模型的正z轴方向；Panofsky竖向谱模拟出垂向脉动风速，风向为接触网模型的正轴方向 5-7 由于在一定范围内风向及风速相差不大，不同特征点风速有一定的相关性。利用MATALB软件，根据多点相关风速谐波叠加模拟方法，编写多点风速生成代码，生成接触网不同空间点的模拟风速 8 。按1 0 0 m取一个模拟风速特征点，分别选取在三个定位点之间，每个特征点的风载荷沿接触线和承力索均匀施加。横向风向为接触网线路中心线垂直水平方向，垂向风向为接触网线路中心线垂直竖直方向。广深港高铁市郊区段较多，其地貌属于B类地区，地面粗糙度系数取0.1 6,接触线和承力索处风速按高度修正，地面阻力系数取0.0 0 2 1 6，假设时间步长为0.1 s，模拟时程总长为1 0 0 s，计算得到不同平均风速的40 个特征点随机脉动风速时程（每个风速范围包含接触线和承力索的横向和垂向脉动风速时程四个）。按照铁路电力牵引供电设计规范（TB10009一2016)风速与接触网单位风载荷计算公式，计算承力索与接触线的单位长度风载荷，施加在广深港高铁的弓网动态仿真模型上，进行风弓网动态耦合仿真计算。为不失一般性，风弓网动态耦合前,风与接触网动态相互作用应该有一段持续时间，此处设定风网动态耦合作用的时间为6 0 s，从6 0 s以后受电弓进人到接触网，得到风载荷作用下3 0 0 km/h双弓的弓网动态性能参数。分别加载1 0 m/s、2 0 m/s、3 0 m/s 脉动风，在同一跨距内不同吊弦的吊弦力及离线率及与无风状态下的数据如表4 表6 所示表41 0 m/s风速吊弦力数字统计10 m/s无风吊10 m/s吊弦风速吊最大值无风离离线率弦力最风速离序号弦力最比值线率/%比值大值/N线率/%大值/N1187.2139.651.345.084.531.122185.56161.701.152.502.301.093137.32141.880.970.510.301.704125.22122.191.020.300.330.915125.14119.041.050.450.301.506132.82115.301.150.430.450.967143.89139.501.030.550.590.938129.89153.720.841.792.070.869125.87154.610.816.815.511.24表52 0 m/s风速吊弦力数字统计20m/s无风吊20m/s吊弦风速吊最大值无风离 离线率弦力最风速离序号弦力最比值线率/%比值大值/N线率/%大值/N1161.34139.651.1618.474.534.082169.06161.701.052.742.301.193137.87 141.880.970.410.301.354161.13122.191.320.180.330.555145.65119.041.220.220.300.756129.32115.301.120.370.450.812023年6 月报程学道铁96续表520m/s风速吊弦力数字统计20 m/s无风吊20 m/s吊弦风速吊最大值无风离离线率弦力最风速离序号弦力最比值线率/%比值大值/N线率/%大值/N7177.84139.501.270.650.591.108151.81153.720.992.462.071.199137.89154.610.8928.535.515.18表6 3 0 m/s风速吊弦力数字统计30 m/s无风吊30m/s吊弦风速吊最大值无风离离线率弦力最风速离序号弦力最比值线率/%比值大值/N线率/%大值/N1324.11139.652.3250.584.5311.172404.44 161.702.5010.532.304.583356.16141.882.512.070.306.914200.03122.191.640.610.331.855161.35119.041.360.240.300.816214.20115.301.860.650.451.457210.43139.501.511.380.592.348234.70153.721.5310.572.075.109237.08154.611.5369.405.5112.59从表4表6 中数据可见，随着风速增加，吊弦本体与绝缘套筒的吊弦力相应增大，第1 和第9 吊弦尤为显著；3 0 m/s风速时的吊弦力最大值较2 0 m/s和10 m/s 有显著增加。随着横向风速增加，受电弓与风荷载共同作用会引起刚性吊弦的振动加剧，吊弦本体与绝缘套筒之间分离概率增加、冲击力增加，尤其在离定位点最近的吊弦上吊弦力和离线率均较高。因此，强风地区接触网零部件设计时应考虑进一步加强离定位点最近吊弦的性能，并在接触网运营维护过程中加强对其的检查。脉动风作用下吊弦力对接触网的影响脉动风作用下吊弦力对接触网的影响主要体现在接触网的振动和双弓弓网接触力，5.1接触网振动图1、图2 为某一时间段的不同脉动风速引起接触线及承力索在跨中的垂向和横向位移轨迹图。风速小于2 0 m/s时，承力索和接触线位移特征较接近；风速达3 0 m/s时承力索与接触线的位移急剧增大，相互之间的位移特征对比也更趋于无规律。300300注：无风注：1 0 m/s 风速20020010010000-100-100-200-200-1000100200300-1000100200300接触线横向位移/mm接触线横向位移/mm300300注：2 0 m/s风速注：3 0 m/s 风速20020010010000-100-100-200-200-1000100200300-1000100200300接触线横向位移/mm接触线横向位移/mm图1不同风速接触线跨中运行轨迹统计接触线及承力索移动数字特征，如表7 所示。随着风速的增加，接触线和承力索垂向和横向位移均增加;在2 0 m/s及以下风速,接触网振动较小；风速为30m/s的接触线跨中位移面积是无风时的8 6 倍，承力索跨中位移面积是无风时的1 6 2 倍，较风速为20m/s及以下的位移有显著增大,接触网垂向和横向余纲：强风区高铁刚性吊弦系统接触网振动研究第6 期97300300注：无风注：1 0 m/s风速20020010010000-100-100-200-200-1000100200300-1000100200300承力索横向位移/mm承力索横向位移/mm300300注：注：20m/s风速30m/s风速20020010010000-100-100-200-200-1000100200300-1000100200300承力索横向位移/mm承力索横向位移/mm图2不同风速承力索跨中运行轨迹振动剧烈。表7不同脉动风作用下接触网跨中位移接触线接触线接触线承力索承力索承力索风速垂向位横向位平面位垂向位横向位面位移移极差移极差移面积移极差移极差面积(msl)/mm/mm/mm/mm/mm/mm064.332.22.1E+0364.216.21.0E+031071.476.25.4E+0371.372.65.2E+0320124.4174.42.2E+04125.1166.982.1E+0430425.1421.31.8E+05424.5399.01.7E+055.2双弓弓网接触力根据高速铁路设计规范（TB106212014）及IEC62486规定的弓网关系评判标准，时速3 50 km铁路动态最大接触力Fm350N;最小动态接触力Fmin0N;接触力最大标准差max不大于0.3 Fm（Fm 为平均接触力），离线率不大于0.2%（取样间隔0.2 m）。进一步统计不同风速的双弓接触力数字特征如表8所示。由表8 可知，随着风速的增加，双弓接触力的波动增加,3 0 m/s时前后弓接触力均多次出现0 N和大于3 50 N的情况；前弓接触力在通过锚段关节时的接触力波动明显，锚段中部的接触力波动较小，而后弓接触力在锚段中部和关节的波动均较大；相同风速下，后弓接触力的波动较前弓大。接触力的标准差随风速的加大而增加，并出现弓网离线，前弓在3 0 m/s风速下的接触力标准差比后弓大；当风速为2 0 m/s及以上，单弓运行在锚段中部的接触力指标满足标准要求，双弓接触力最大标准差、离线率均不满足标准要求；但当风速为1 0 m/s及以下,双弓接触力指标均满足标准要求。表8不同脉动风作用下双弓接触力统计0.3倍前后弓离线率接触力接触力接触力接触力风速/平均力平均值标准差最小值最大值(m s)减标准/N/N/N/N差/N/%0155.9925.89 87.53289.3020.910前10156.0535.9629.80274.4610.850弓20155.2651.580.00323.07-5.000.430156.12130.170.00557.8583.33110155.8542.9814.45294.783.780后10155.9246.773.93289.350.010弓20156.7557.950.00306.2110.920.330155.3594.900.00462.36-48.304.5综上所述，如列车以3 0 0 km/h速度运行，在平均风速1 0 m/s及以下的脉动风作用下，双弓弓网动态性能均可满足标准要求；在平均风速1 0 m/s至2 0 m/s的脉动风作用下，双弓弓网动态性能稍超出标准要求，但从吊弦力和跨中位移数据分析，弓网振动较小；在平均风速2 0 m/s至3 0 m/s脉动风作用下，双弓弓网动吕洁）（编辑2023年6 月程报道学铁98态性能超出标准要求，弓网振动较大。因此，建议广深港高铁接触网可在平均风速为10m/s及以下时动车组可按3 0 0 km/h速度双弓运行；如局部平均风速在1 0 m/s至2 0 m/s时，可按3 0 0 km/h双弓运行通过大风区；不建议在平均风速达2 0 m/s及以上时列车以3 0 0 km/h速度双弓运行。6结论本文以广深港高铁为例，通过建模对刚性吊弦本体与绝缘套筒之间的位移进行仿真计算，研究无风及不同风速下接触网振动规律，主要结论如下：（1)受电弓高速通过时，离定位点最近吊弦振动大，吊弦设计强度及性能应进一步加强，运营维护过程也应重点关注其工作状态。（2）风速越大，吊弦力、接触网振动越大，振动增大趋势也越显著（3）当风速达2 0 m/s,列车双弓运行时，弓网关系较差，后弓问题更突出；当风速达3 0 m/s时,3 0 0 km/h双弓弓网动态性能均超出标准要求；建议风速大于20m/s时降速运行。参考文献：1刘杰，许建国，高春丽.基于机器视觉的接触网吊弦缺陷检测研究 J.铁道工程学报，2 0 2 2（5）：9 1-9 7.Liu Jie,Xu Jianguo,Gao Chunli.Machine Vision-based Research on the Inspection of Dropper Defects ofOverhead Contact Line J.Journal of RailwayEngineering Society,2022(5):91-97.2王玉环，郭凤平，周少喻，等.强风地区高速铁路接触网锚固系统简约化研究 J.铁道标准设计，2 0 2 1（2）：1 3 3-137Wang Yuhuan,Guo Fengping,Zhou Shaoyu,etc.Studyon Simplification of Catenary Anchorage System of HighSpeed Railway in Strong Wind Area J.RailwayStandard Design,2021(2):133-137.3彭立群，林达文，陈增红，等.接触网整体成型绝缘腕臂试验设计与研究 J.铁道机车车辆，2 0 0 7（2）：9 0-9 4.Peng Liqun,Lin Dawen,Chen Zenghong,etc.TestDesign and Research on the Comprehensive MoldedInsulated Arm of the Catenary J.Railway Locomotive&Car,2007(2):90-94.4应伟.架空接触网刚性吊弦故障模式分析及寿命预估D成都：西南交通大学,2 0 2 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