400 km_h接触网系统导线工作张力选取研究.pdf

年 月第 期（总）铁 道 工 程 学 报 （）收稿日期：基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划系统性重大项目（）；四川省自然科学基金项目（，）；中国博士后科学基金（）作者简介：杨佳，年出生，男，正高级工程师。文章编号：（）接触网系统导线工作张力选取研究杨佳鲁小兵关金发丁润张家玮刘志刚（西南交通大学，成都；中铁二院工程集团有限责任公司，成都）摘要：研究目的：接触网系统尚无相关技术标准及工程应用，接触网导线及张力体系属于弓网系统核心关键技术。本文依托 科技创新工程，从 更高速度下接触网系统电气、机械及弓网受流等性能需求出发，剖析接触网导线张力选取的关键因素，提出科学合理的技术路线，通过弓网动态耦合仿真以及结构有限元分析等，优配出 接触网导线截面及张力组合，并开展工程适应性分析，完成接触网系统方案及参数校验，最终提出 接触网导线截面及张力组合，建立 接触网系统的关键技术参数。研究结论：（）增大接触线工作张力能有效提升弓网动态耦合性能，适当提升承力索工作张力能有效抑制定位点动态抬升、降低吊弦荷载；（）接触网系统导线工作张力优选截面 接触线（额定工作张力 ）和截面 承力索（工作张力 ）；（）形成的 接触网系统参数，在弓网受流、悬挂布置、装备性能以及施工、维修等方面，均具有很好的工程适应性和可实施性；（）本研究成果可为轨道交通领域高速铁路工程建设提供参考和借鉴。关键词：；接触网；工作张力；动态耦合；系统参数中图分类号：文献标识码：，（，；，）：，：（），（）（）（）（），（）：；弓网系统是列车的唯一动力来源，其动态受流稳定性及可靠性时刻影响着高速列车的运行质量。接触网系统导线组合及张力系统属于弓网系统的核心技术，影响着接触悬挂参数，决定着接触网的电气、机械及弓网受流性能。随着京沪、沪昆、成渝等 高铁线路的开通运营，我国已构建成套 高速铁路技术标准体系。在京沪、郑徐、郑万等高铁开展的 及以上更高速度的综合试验，探索了更高速度下的相关技术问题，为我国更高速度铁路建设积累了一定的工程试验经验。但目前世界高速铁路最高运营速度仍为 ，国内外尚无成熟可借鉴的 接触网系统参数、技术标准及工程案例。因此，本文依托我国“十四五”规划重点项目 科技创新工程，通过高速铁路接触网现状分析，剖析接触网导线张力选取的关键因素，基于其电气、机械及弓网受流等性能需求，通过弓网动态耦合仿真、结构有限元分析以及数理统计等手段，优配 接触网导线截面及张力组合；同时，通过接触网在工程中的设施布置、荷载特性、结构性能以及施工维修等各个方面的适应性研究，进一步开展参数选值的合理性校核，最终提出 接触网导线截面及张力组合，形成 接触网系统的关键技术参数。现状分析目前国外高速铁路的最高运营速度为 ，在俄罗斯莫斯科至喀山、英国 高速铁路，开展了 更高速度的相关研究，但目前均处于论证和前期设计阶段。德国、法国及韩国等开展过 及以上的更高速度工程试验。从高速铁路长期运行及线路试验来看，随着列车运行速度增加，弓网受流质量及状态将随之恶化。为了满足试验目标值下弓网受流稳定性，各国在接触网系统导线张力均表现出有不同程度的提高，其实际上是提高了接触悬挂的波动传播速度。因此，波动传播速度是影响 弓网稳定受流的关键因素 ，相应采取增大接触线工作张力，是提升列车高速运行时弓网受流质量的最有效手段之一。技术路线接触网导线截面及张力的选取，需要充分考虑接触网系统的电气、机械以及弓网性能。导线截面及张力的选取，应以机械性能的安全性为基础，同时满足电气性能需求的功能性，最大程度地提升弓网间受流的稳定性、可靠性 。在工程设计中，一般接触网导线张力体系选取的技术路线如图 所示，主要步骤如下：第一，基于电气性能需求，初步确定接触线及承力索组合的导线截面。第二，结合接触线产品性能，根据其机械性能需求，确定接触线工作张力允许范围；基于接触网波动传播速度及其振动特性 ，优选接触线工作张力。第三，基于电气、机械及弓网受流性能需求，综合确定承力索工作张力范围。第四，在不同承力索工作张力时接触悬挂参数、设施布置、装备荷载等适应性分析，优选出承力索工作张力，得出接触网导线组合、张力配置，以及主要技术参数。第五，结合土建预留条件、施工安装、工程验收等完成工程适应性分析及校验。第六，开展线路试验及验证，形成高速铁路接触网导线截面及张力配置，以及关键悬挂参数。导线截面我国高速铁路接触网导线均采用铜合金材质，组合截面一般为：面接触线 截面承力索；截面接触线 截面承力索。根据开行 动车组及牵引负荷特性，结合牵引供电能力需求以及我国高速铁路接触网导线运行现状，铁 道 工 程 学 报 年 月*!6?33CAOLNI?4243EJ J3L456CCE,24566*0*22/%/*EF8D?424/E2=6-4AOOLNI?243P8D图 接触网导线截面及张力选取技术路线考虑尽量减少或避免设置加强线的原则，接触线截面优选前者；同时进一步比选不同承力索截面 和 时的弓网受流性能，经仿真评估可知其前弓接触力标准差基本无变化，后弓虽略有减小，但总体变化趋势不大。基于接触网载流能力，综合考虑现有装备性能、弓网受流质量以及工程运营现状，高速接触网系统导线截面组合优选：接触线截面 ，承力索截面 。接触线工作张力 弓网动态耦合性能结合国内外工程经验，设计最高行车速度一般不应大于接触线波动传播速度的 倍。根据 设计速度目标值需求，接触线工作张力不应小于 ；分别选取接触线 、时，开展接触网系统的弓网动态耦合仿真分析，如图 和图 所示。可知，当接触线工作张力 时，弓网动态耦合特性可满足标准要求；随着接触线工作张力增大，前后弓接触力标准差减小，统计最小值增大，弓网受流性能随之提升。机械性能根据铁路电力牵引供电设计规范（?4/U3L/U图 承力索 、不同接触线张力时接触力统计最小值?4/3L/UU图 承力索 、不同接触线张力时接触力统计最小值第 期杨 佳 鲁小兵 关金发等：接触网系统导线工作张力选取研究）等相关要求，在考虑环境影响、装备性能等因素的折减系数后，接触线允许工作应力不应大于其抗拉强度或拉断力的 。同时，高速铁路接触线、承力索的张力差一般不宜大于其额定工作张力的。因此，结合接触线张力差要求，考虑其最大磨耗，以及相关折减系数后，在最小工作张力 时，时相应的接触线额定工作张力应至少选取 。同时，从图 和图 可知，、时弓网动态耦合性能差别不大，考虑尽量降低工作张力增大对装备、设施的不利影响，接触线优选截面、铜合金材质，相应额定工作张力推荐 、张力差按。承力索工作张力 弓网动态耦合性能不同承力索张力时接触力统计最小值如图 所示。在接触线额定工作张力 的基础上，分析承力索张力对弓网系统的影响，选取承力索 至 等多种张力组合进行仿真分析。UU?4/2L/图 不同承力索张力时接触力统计最小值从图 可知，承力索工作张力对后弓弓网受流性能影响较大；自 始，后弓接触力标准差逐渐减小，在 后变化更加明显，在大于 后，趋于稳定；在 、等承力索张力较小时弓网动态特性明显较差；在 时后弓接触力标准差最小。弹性吊索、定位点动态位移在接触线额定工作张力 的基础上，承力索工作张力分别选取 至 时，进行弹性吊索、定位点静动态耦合仿真分析，其动态抬升情况如图 所示。可以看出，随着承力索工作张力增大，各点抬升逐渐减小，与 时相比，定位点动态抬升降低约，弹性吊索动态抬升降低约。跨距选取选取工程中常用的典型跨距 、，在接触线额定工作张力 的基础上，U N N%U2L/图 不同承力索张力时弹性吊索、定位点动态抬升分析不同承力索工作张力在不同跨距时的弓网动态耦合的适应性，如图 和图 所示。U?4/L/U L/U L/U L/U L/?4CCN图 不同承力索张力在不同跨距时后弓接触力最小统计值U L/U L/U L/U L/U L/?4CCN%NN图 不同承力索张力在不同跨距时定位点动态抬升从承力索工作张力在不同跨距下的弓网动态耦合特性来看，在承力索张力小于 时，一旦跨距大于 后，后弓最大接触力、最小接触力均超过预期值，定位点抬升加剧；总体看来，在承力索张力 、时，能够满足多种跨距下弓网动态耦合性能要求，且各项指标均优于其他工作张力，对于跨距的适应铁 道 工 程 学 报 年 月性更强。受电弓适配国内现有高速铁路受电弓型号主要有、和 型，在接触线额定工作张力 的基础上，分析不同承力索工作张力下通过现有不同高速受电弓时的弓网动态耦合匹配性能，如图 所示。U%44UUL/%4UUL/444UUL/444UUL/$9U UUL/$9U UUL/?4/U*3图 不同承力索张力下通过不同受电弓时的接触力最小统计值从接触力统计最小值以及定位点、弹性吊索等关键点抬升看，承力索张力在 时与三种现有不同高速受电弓间的弓网匹配性更佳。吊弦荷载吊弦荷载特性直接影响吊弦疲劳寿命，在承力索工作张力选取时应结合系统性能开展吊弦受力分析，进而确定接触网系统工作张力。其中承力索工作张力在 与 时吊弦最大受力及分布如图 所示。U_ _ _ _!L/UL/图 承力索张力 和 时吊弦荷载及分布比例从图 可看出，随着承力索工作张力的增加，吊弦内力呈逐渐减小趋势，有利于提升吊弦服役寿命 。定位器荷载定位器的受力及位置状态与接触线张力及拉出值等密切相关，直接影响弓网动态耦合性能及安全性，在不同承力索张力时其受力及分布比例如图 所示，可知在不同承力索工作张力下，定位器均能满足受力要求，且定位器受力变化不大。U_ _ _ _ _!L/UL/图 承力索张力 和 时定位器受力及分布比例综上，基于双弓运行工况，通过不同承力索工作张力下对弓网间动态特性、不同跨距、不同受电弓、吊弦与定位器受力特性等的影响研究，接触网系统的导线截面及额定工作张力优配：接触线截面（）承力索截面 （）。工程适应性在理论分析及仿真模拟研究的基础上，还应结合工程应用条件，进一步开展接触网系统导线的工程适应性分析及校验，以最终形成科学合理、工程可实施的接触悬挂系统。锚段长度基于 接触网系统的导线材质及工作张力，在考虑张力增量时，通过计算，在最大温差 时，接触网锚段长度可选用 。同时结合环境温度、悬挂参数等，通过校核可知此系统下的锚段长度可满足 隧道断面下的安装空间需求。结构高度此 接触网系统在结构高度分别为 与 时，均能满足弓网受流性能需求，且两者间变化不大。因此，结合隧道断面尺寸，充分考虑经济性，其结构高度选取 。弹性吊索结合典型跨距布置，分析弹性吊索在 、，工作张力 时，此接触网系统能满足弓网动态耦合性能评估指标。在跨距较大，弹性吊索 时，其线索与腕臂管、线索间具有更大的静、动态安装空间，。拉出值及定位器坡度结合跨距、吊弦以及拉出值的布置，校核定位器的安装角度，经模拟仿真计算，在跨距 、第 期杨 佳 鲁小兵 关金发等：接触网系统导线工作张力选取研究，拉出值采用 ，第一吊弦距离定位点 或 时，定位器角度一般可保证在左右，结合本文 节分析结论，此系统下定位器具有良好的静态力学特性及运行安全性。装备性能 接触网系统张力较现有运行高速铁路接触网系统有较大提升，对相关的接触网装备荷载增加约。通过对接触网关键装备在 接触网系统张力下强度、挠度、稳定性以及振动疲劳特性的分析，开展现行线材、零部件等产品性能以及新产品加工制造方面的广泛调研，现有以及拟新开发产品在 更高速度、更大张力下运行均具备工程可行性。支柱与基础同接触网装备类似，接触网系统张力体系对支柱及基础的结构性能影响较大，需要校核其结构性能。通过有限元分析计算，基于支柱挠度不大于 需求，选取或设计更高容量的接触网支柱及相应基础，可以满足 更大的接触网张力体系。施工及维修结合工程验收、维修维护要求，充分考虑施工误差及状态变化后对 更高速度弓网受流性能的影响。通过对相邻吊弦、定位点高差 时的弓网动态耦合仿真分析，优选的接触网系统张力仍能满足评估指标要求，如图 所示。U?4/UPANN图 接触网系统在有无施工维修误差时的接触力统计最小值 试验与验收 接触网系统应校核在验收速度（设计速度的）时的状态及安全性，即在 单弓运行时应满足弓网间的基本受流，不得出现钻弓、侵限等安全问题。通过分析优配的接触网张力系统在 （双弓运行）、（单弓运行）下的弓网动态耦合特性，均能满足动态耦合性能评估要求。综上，基于优配的 接触网导线截面及张力，形成 接触悬挂系统，通过系统可行性、适应性分析及校验，最终得出 接触网导线截面及张力组合：接触线截面 （）承力索截面 （）。此系统在 设计速度目标值下弓网间相互作用的动态性能指标可满足表 的评估指标要求。表 接触网系统参数及弓网耦合性能评估项目评估指标平均接触力 最大接触力 最小接触力 标准偏差 统计最小值 定位点抬升量 弹性不均匀度 结论本文结合现有高速接触网工程设计与应用经验，通过弓网动态耦合仿真以及工程适应性分析，得到以下结论：（）增大接触线工作张力能有效提升弓网动态耦合性能，适当提升承力索工作张力可进一步优化弓网动态耦合性能，有效抑制定位点动态抬升、降低吊弦荷载幅值。（）基于速度目标值需求，综合考虑波动传播速度、弓网受流性能、线材特性以及工作张力偏差等因素，接触网系统导线工作张力选取为：接触线（截面 、额定工作张力 ）承力索（截面 、工作张力 ）。（）优配的 接触系统张力体系，在锚段长度、跨距、结构高度等布置，吊弦、定位器等受力状态，装备、支柱及基础等结构性能，以及施工维修、试验验收等方面，具有良好的适应性，同时具备工程可实施性。参考文献：罗群，梅桂明，赵晨，等 基于非线性理论的接触网找形方法研究 铁道学报，（）：，（）：杨佳，林宗良，邓云川，等 接触网技术标准体系探讨 高速铁路技术，（）：，铁 道 工 程 学 报 年 月 ，（）：刘洋 接触网工程计算系统的适应性研究 铁道工程学报，（）：，（）：，铁路电力牵引供电设计规范，吴文江，李响，高占凤，等 基于有限元法的高速铁路接触网吊弦动态特性研究 铁道学报，（）：，（）：关金发，田志军，张学武 接触网弹性吊索参数对弓网动态性能影响 西南交通大学学报，（）：，（）：，（编辑 刘会娟）（上接第 页 ），（）：聂晋涛 客运专线桥梁中减隔震技术应用研究 铁道工程学报，（）：，（）：罗登发，郭占元，戴胜勇，等 双曲面球型减隔震支座在铁路桥梁上的应用 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