劉長(zhǎng)利

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

高速鐵路接觸網(wǎng)低頻振動(dòng)及零部件防松技術(shù)分析

劉長(zhǎng)利

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

通過(guò)對(duì)我國(guó)高速鐵路接觸網(wǎng)以沖擊+合成衰減為特征的振動(dòng)波形分析，可以看出受電弓通過(guò)時(shí)定位點(diǎn)處接觸線的最大振幅接近100 mm。在受電弓沖擊后，接觸網(wǎng)處于振幅≤20 mm、振動(dòng)頻率1 Hz左右的低頻振動(dòng)狀態(tài)，且接觸網(wǎng)振動(dòng)衰減較慢。接觸網(wǎng)零部件宜模擬振動(dòng)波形進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)方法按接觸懸掛和支持結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，線夾類零部件參考航空業(yè)緊固件規(guī)定進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。為解決線夾類零部件在長(zhǎng)期振動(dòng)環(huán)境中松脫的問(wèn)題，建議采用扣緊螺母取代普通螺母+止動(dòng)墊片的防松措施，并建議進(jìn)一步開展防松對(duì)比試驗(yàn)。

高速鐵路；接觸網(wǎng)；低頻振動(dòng)；零部件；防松

1 概述

接觸網(wǎng)是具有多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，以受電弓-接觸線垂向耦合振動(dòng)為主。受電弓是振動(dòng)的激勵(lì)源，受電弓高速運(yùn)行時(shí)將引起接觸線抬升和振動(dòng)，振動(dòng)以橫波形式沿整個(gè)錨段的接觸懸掛內(nèi)快速傳播，并在各支柱懸掛點(diǎn)和吊弦處產(chǎn)生反射與透射。為了防止高速鐵路運(yùn)營(yíng)中的接觸網(wǎng)零部件松動(dòng)或螺母脫落現(xiàn)象，需要對(duì)接觸網(wǎng)振動(dòng)波形進(jìn)行分析，并進(jìn)一步討論零部件振動(dòng)試驗(yàn)方法及防松措施等問(wèn)題。

2 高速鐵路接觸網(wǎng)振動(dòng)波形分析

根據(jù)我國(guó)高速鐵路接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)抬升的計(jì)算機(jī)模擬及檢測(cè)數(shù)據(jù)[1，2]，動(dòng)車組運(yùn)行通過(guò)一個(gè)定位點(diǎn)時(shí)接觸線豎向振動(dòng)波形如圖1所示，在第7 s時(shí)受電弓到達(dá)該檢測(cè)點(diǎn)并沖擊接觸線，產(chǎn)生豎向峰值57 mm，隨后接觸線處于低頻振動(dòng)狀態(tài)，頻率在1.1 Hz左右，振幅≤20 mm。

圖1 高速鐵路接觸網(wǎng)定位點(diǎn)接觸線豎向振動(dòng)波形(CRH2C單列單弓取流，速度350 km/h)

在動(dòng)車組重聯(lián)運(yùn)行、雙弓取流時(shí)定位點(diǎn)接觸線豎向振動(dòng)波形如圖2所示，由于該點(diǎn)接觸線受到兩次受電弓沖擊，豎向峰值提高到92 mm，隨后接觸線振動(dòng)頻率在1.0 Hz左右，振幅≤20 mm。

從圖1、圖2可以看出，一個(gè)錨段內(nèi)的接觸網(wǎng)在受電弓高速運(yùn)行通過(guò)時(shí)一般呈現(xiàn)為沖擊+合成衰減的振動(dòng)特征。

圖2 高速鐵路接觸網(wǎng)定位點(diǎn)接觸線豎向振動(dòng)波形(CRH2C重聯(lián)雙弓取流，速度350 km/h)

2.1 接觸懸掛的波動(dòng)傳播速度和固有頻率

接觸懸掛是由接觸線、承力索及吊弦、中心錨結(jié)、終端下錨補(bǔ)償裝置等組成的大張力懸索系統(tǒng)。高速鐵路長(zhǎng)度不超過(guò)1 400 m整個(gè)錨段接觸懸掛如圖3所示。

圖3 1 400 m整個(gè)錨段接觸懸掛示意

接觸懸掛的波動(dòng)傳播速度為列車最高運(yùn)行速度的1.4倍以上，并且有反對(duì)稱和對(duì)稱兩種振動(dòng)方式[3，4]，對(duì)于整個(gè)錨段內(nèi)跨距相同的接觸懸掛簡(jiǎn)化模型，反對(duì)稱、對(duì)稱振動(dòng)方程的固有頻率f1、f2分別為

表1 國(guó)內(nèi)外高速鐵路典型接觸懸掛的固有頻率

2.2 高速鐵路接觸網(wǎng)低頻振動(dòng)狀態(tài)分析

通過(guò)振動(dòng)波形與接觸懸掛的固有頻率進(jìn)行對(duì)比，可以看出我國(guó)高速鐵路接觸網(wǎng)振動(dòng)具有低頻、衰減慢的特點(diǎn)。

(1)受電弓通過(guò)時(shí)定位點(diǎn)處接觸線的最大振幅接近100 mm。在受電弓沖擊后，接觸網(wǎng)處于振幅≤20 mm、振動(dòng)頻率1 Hz左右的低頻振動(dòng)狀態(tài)。接觸網(wǎng)振動(dòng)幅度滿足受電弓運(yùn)行安全評(píng)價(jià)指標(biāo)[5]。

(3)接觸網(wǎng)振動(dòng)頻率與表1中接觸懸掛固有頻率接近，且定位器對(duì)接觸線的豎向阻尼作用較小，因此接觸線振動(dòng)衰減較慢。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)目測(cè)，動(dòng)車組通過(guò)后接觸線持續(xù)振動(dòng)時(shí)間30～60 s才衰減至平衡狀態(tài)，即一次受電弓沖擊將引起接觸網(wǎng)持續(xù)振動(dòng)30次以上。

3 零部件防松技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前我國(guó)高速鐵路接觸網(wǎng)零部件普遍采用了M8～M20規(guī)格的螺栓進(jìn)行聯(lián)接和緊固。據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均每千米高速鐵路(雙線)接觸網(wǎng)零部件采用螺栓連接的數(shù)量合計(jì)達(dá)3 286套，詳見表2。

表2 接觸網(wǎng)零部件用螺栓統(tǒng)計(jì)

我國(guó)高速鐵路接觸網(wǎng)已經(jīng)采用的緊固件防松技術(shù)有：(1)摩擦防松類的雙螺母、單螺母、非金屬嵌件鎖緊螺母等；(2)機(jī)械防松類的止動(dòng)墊片和螺栓銷等。接觸網(wǎng)零部件防松技術(shù)應(yīng)用匯總?cè)绫?所示。

表3我國(guó)高鐵接觸網(wǎng)防松技術(shù)應(yīng)用匯總

4 零部件防松技術(shù)分析

4.1 零部件防松技術(shù)分類

根據(jù)高速鐵路接觸網(wǎng)振動(dòng)狀態(tài)分析，接觸網(wǎng)防松技術(shù)可劃分為接觸懸掛和支持結(jié)構(gòu)2類，如表4所示。

表4 接觸網(wǎng)防松技術(shù)分類

對(duì)于接觸懸掛類，零部件螺紋副的振動(dòng)頻率、振幅與接觸懸掛一致，由于關(guān)系到弓網(wǎng)受流性能及受電弓運(yùn)行安全，要求螺母輕薄、防松性能好。對(duì)于支持結(jié)構(gòu)類，零部件螺紋副的振幅較小、應(yīng)力較大，要求兼顧螺母緊固力矩和防松性能。

4.2 振動(dòng)試驗(yàn)方法

目前接觸網(wǎng)零部件振動(dòng)試驗(yàn)執(zhí)行《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》(TB/T2073—2010)和《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗(yàn)方法》(TB/T2074—2010)[6，7]。鑒于高速鐵路接觸網(wǎng)呈現(xiàn)沖擊+合成衰減的振動(dòng)特征，且雙弓運(yùn)行沖擊引起的接觸線抬升幅值遠(yuǎn)高于普速鐵路，動(dòng)車組通過(guò)后接觸網(wǎng)衰減較慢(持續(xù)低頻振動(dòng)30次以上)，建議調(diào)整零部件的振動(dòng)試驗(yàn)方法。

(1)由正弦波改為模擬接觸網(wǎng)振動(dòng)波形，采用振動(dòng)次數(shù)2×106進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)；如模擬振動(dòng)波形存在困難，按照高速鐵路雙弓運(yùn)行及接觸網(wǎng)200萬(wàn)弓架次的技術(shù)條件，建議以正弦波、振動(dòng)次數(shù)至少3×107進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。

(2)緊固件振動(dòng)試驗(yàn)方法建議按接觸懸掛和支持結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，與支柱連接的支持結(jié)構(gòu)類零部件(如腕臂底座、下錨底座及鋼結(jié)構(gòu)連接件等)螺紋副采用GB/T10431—2008規(guī)定進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)；其余線夾類零部件建議采用GJB715.3A—2002航空業(yè)緊固件規(guī)定進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。

4.3 線夾類零部件的防松措施

我國(guó)高速鐵路接觸網(wǎng)線夾主要采用止動(dòng)墊片進(jìn)行防松。單螺栓單止動(dòng)墊片的構(gòu)造如圖4(a)所示，使用時(shí)將翼片分別彎折至零部件、六角螺母的側(cè)邊上，目前存在以下技術(shù)問(wèn)題。

(1)由于零部件的外部輪廓普遍呈不規(guī)則形狀，當(dāng)翼片處于零部件圓弧外形側(cè)邊，且止動(dòng)方向與螺母松動(dòng)回旋不匹配時(shí)，如圖4(b)、圖4(c)中套管單耳、定位線夾等處[8，9]，則很難起到止動(dòng)防松作用。

(2)在接觸網(wǎng)高空作業(yè)條件下，兼顧止動(dòng)墊片對(duì)位和螺母緊固力矩有一定難度，圖4(d)、圖4(e)為安裝不當(dāng)導(dǎo)致止動(dòng)墊片失效的實(shí)例。

圖4 單螺栓單止動(dòng)墊片的構(gòu)造及應(yīng)用

針對(duì)止動(dòng)墊片使用中存在的問(wèn)題，現(xiàn)有的改進(jìn)辦法是通過(guò)改變翼片形狀與零部件側(cè)邊輪廓吻合，或采取翼片事先成形與零部件或六角螺母吻合的方式，降低施工難度。這種改進(jìn)方法僅解決了螺母松動(dòng)的問(wèn)題，但仍存在定位線夾、吊弦線夾處螺栓從線夾本體中松動(dòng)退出的問(wèn)題。

采用扣緊螺母可以很好解決線夾類零部件的防松問(wèn)題?？劬o螺母是一種機(jī)械防松類的鎖緊螺母，如圖5所示，一般在雙螺母緊固結(jié)構(gòu)中作為副螺母使用，多應(yīng)用于輕型的機(jī)械結(jié)構(gòu)。我國(guó)扣緊螺母執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB805—88，采用材料為65Mn彈簧鋼[10]。

圖5 我國(guó)扣緊螺母的構(gòu)造及應(yīng)用(單位：mm)

扣緊螺母在新干線接觸網(wǎng)普遍使用，如圖6所示，由于螺栓與線夾本體已構(gòu)成一對(duì)螺紋副，因此扣緊螺母在線夾上是獨(dú)立使用的[11]。扣緊螺母的質(zhì)量只有普通螺母的30%，在線夾上使用不僅減輕了接觸懸掛的自重荷載，而且有助于避免極端天氣情況下(如大風(fēng)、地震等)線夾激振引起的螺母偏斜打弓事故。

圖6 新干線接觸網(wǎng)采用的扣緊螺母

扣緊螺母的使用方法是：在擰緊螺栓后用手旋上一個(gè)扣緊螺母，再用扳手旋緊60°～90°即可。松開扣緊螺母時(shí)，應(yīng)先再擰緊螺栓，使扣緊螺母與線夾本體之間產(chǎn)生間隙，才能退出扣緊螺母，以免劃傷螺紋。建議針對(duì)線夾類零部件的防松問(wèn)題，開展扣緊螺母在線夾上安裝的防松試驗(yàn)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)我國(guó)高速鐵路接觸網(wǎng)以沖擊+合成衰減為特征的振動(dòng)波形分析，可以看出受電弓通過(guò)時(shí)定位點(diǎn)處接觸線的最大振幅接近100 mm。在受電弓沖擊后，接觸網(wǎng)處于振幅≤20 mm、振動(dòng)頻率1 Hz左右的低頻振動(dòng)狀態(tài)。由于振動(dòng)頻率與接觸懸掛固有頻率接近，接觸網(wǎng)振動(dòng)衰減較慢，持續(xù)振動(dòng)30次以上才衰減至平衡狀態(tài)。

接觸網(wǎng)零部件振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)反映沖擊+合成衰減的振動(dòng)特征，試驗(yàn)方法按接觸懸掛和支持結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，線夾類零部件參考航空業(yè)緊固件規(guī)定進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。為解決線夾類零部件的振動(dòng)松脫問(wèn)題，宜考慮扣緊螺母取代普通螺母+止動(dòng)墊片的防松措施，并進(jìn)一步開展防松對(duì)比試驗(yàn)。

[1] 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院高速鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室.鄭西客運(yùn)專線聯(lián)調(diào)聯(lián)試及運(yùn)行試驗(yàn)報(bào)告[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2010．

[2] 劉家美，何正友.鄭西客運(yùn)專線四電系統(tǒng)集成的安全性分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(12):122-126．

[3] Kiessling， Puschmann， Schmieder. Contact Lines for Electric Railways: Planning， Design， Implementation， Maintenance[M]. Siemens Aktiengsellschaft.2ndrevised and enlarged edition.Erlangen: Publicis Publishing，2009.

[4] 吳積欽.受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，2010．

[5] 劉長(zhǎng)利.強(qiáng)側(cè)風(fēng)下接觸網(wǎng)響應(yīng)特性及弓網(wǎng)運(yùn)行安全分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2013(2):105-109．

[6] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T2073—2010 電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2010:7-8．

[7] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T2074—2010 電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗(yàn)方法[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2010:6-13．

[8] 中華人民共和國(guó)鐵道部.TB/T2075—2010 電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2010．

[9] 蔣先國(guó).電氣化鐵道接觸網(wǎng)零部件設(shè)計(jì)與制造[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2009：171-186.

[10] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局.GB805—1988 扣緊螺母[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988．

[11] 日本鐵道綜合技術(shù)研究所.接觸網(wǎng)與受電弓特性[M].中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，譯.北京:中國(guó)鐵道出版社，2010.

Analysis of High-speed Railway OCS Low Frequency Vibration and Parts Locking Technology

Liu Changli

(China Railway First Survey& Design Institute Group Ltd.， Xi’an 710043， China )

With the analysis of vibration wave form characterized by impact+synthetic attenuation of OCS on China High-speed railway， it is observed that the maximum amplitude of contact wires approximated100mm at locating point where pantograph passes. Impacted by the pantograph， the OCS is under the condition with amplitude≤20mm and frequency about 1Hz， and OCS vibration attenuation is slower. This paper suggests that vibration test of OCS parts should simulate vibration waveform， and test methods should be classified according to contact suspension and supporting structure， and wire clamps should be tested according to the provision of aircraft industry fasteners. To solve the problem of wire clamp loose in long-term vibration environment， it is suggested that locking measures should be taken to replace common nuts with locking nuts and stop washers， and further locking comparison test conducted．

High-speed railway; OCS; Low frequency vibration; Parts; Locking

2013-12-26；

：2014-01-24

劉長(zhǎng)利(1972—)，男，高級(jí)工程師，1993年畢業(yè)于西南交通

大學(xué)鐵道電氣化專業(yè)，工程碩士，E-mail：tyy_dhc@163.com。

1004-2954(2014)10-0113-04

U238; U225.4

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.027