關(guān)金發(fā)， 田志軍， 吳積欽

(1. 西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 四川 成都 610031； 2. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院 電化處， 陜西 西安 710075)

剛性接觸網(wǎng)在隧道內(nèi)相對(duì)柔性接觸網(wǎng)具有一定優(yōu)勢(shì)，其接觸線無(wú)張力，不用設(shè)置下錨裝置，不會(huì)發(fā)生斷線事故，零部件少，載流量大，安全可靠，維修工作量小等，被廣泛地應(yīng)用于地鐵隧道內(nèi)[1]。自2002年廣州地鐵2號(hào)線剛性接觸網(wǎng)試掛成功后，剛性接觸網(wǎng)逐步替代柔性接觸網(wǎng)，成為城市軌道交通隧道內(nèi)架空接觸網(wǎng)的主要形式。上海地鐵6、8、9、10、11號(hào)線；廣州地鐵2、3號(hào)線；南京地鐵1號(hào)線；成都地鐵1、2號(hào)線；北京地鐵14號(hào)線等工程均采用剛性接觸網(wǎng)[2]。在干線鐵路中，石懷線電氣化擴(kuò)能工程、新建蘭武二線烏鞘嶺隧道等剛性接觸網(wǎng)均得到良好的應(yīng)用[3]。

隧道內(nèi)外結(jié)合部存在剛性接觸網(wǎng)與柔性接觸網(wǎng)轉(zhuǎn)換的過(guò)渡段，稱為剛?cè)徇^(guò)渡。受電弓通過(guò)該區(qū)域的弓網(wǎng)動(dòng)力性能一般較差，屬于接觸網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)受電弓與剛性接觸網(wǎng)的研究主要集中在受電弓與剛性接觸網(wǎng)建模及弓網(wǎng)動(dòng)力響應(yīng)分析上，針對(duì)剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)的研究較少。梅桂明[4]通過(guò)對(duì)剛性-剛?cè)?柔性懸掛接觸網(wǎng)、受電弓動(dòng)力學(xué)仿真，發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)間接觸力在剛?cè)徇^(guò)渡段出現(xiàn)較大波動(dòng)。王世軒[5]建立了貫通式和錨段關(guān)節(jié)式2種剛?cè)徇^(guò)渡仿真模型，得出了不同速度等級(jí)下受電弓由柔性接觸網(wǎng)過(guò)渡至剛性接觸網(wǎng)在過(guò)渡區(qū)的接觸力均比反方向波動(dòng)大。趙正路[6]針對(duì)石懷擴(kuò)能工程中剛?cè)徇^(guò)渡弓網(wǎng)關(guān)系較差的問(wèn)題，利用施工誤差的大小及方向調(diào)整了剛?cè)徇^(guò)渡接觸線高度，該調(diào)整方案通過(guò)了冷滑試驗(yàn)。T.Kobayashi[7-8]通過(guò)研究原有錨段關(guān)節(jié)式剛?cè)徇^(guò)渡不能滿足更高速度的弓網(wǎng)動(dòng)力性能，設(shè)計(jì)一種新型錨段關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，在柔性接觸網(wǎng)處增加剛性匯流排或采用貫通式剛?cè)徇^(guò)渡方案，通過(guò)跑車試驗(yàn)，論證了新結(jié)構(gòu)的運(yùn)行性能可達(dá)130 km/h。Furrer[9]提出了一種貫通式剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)。部分學(xué)者建立了弓網(wǎng)有限元模型，研究剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)質(zhì)量、運(yùn)行速度、跨距、匯流排坡度、弓網(wǎng)接觸剛度、受電弓弓頭質(zhì)量等單因素變化的弓網(wǎng)動(dòng)力響應(yīng)[10-15]。綜上所述，尚未見(jiàn)有關(guān)160 km/h剛?cè)徇^(guò)渡系統(tǒng)方案的研究。

隨著城市軌道交通的發(fā)展，電氣化列車的運(yùn)行速度將增加，隨之產(chǎn)生的問(wèn)題是速度更快的受電弓是否適應(yīng)當(dāng)前的剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)。基于此，本文分析既有剛?cè)徇^(guò)渡的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行剛?cè)徇^(guò)渡仿真模型的建立，研究160 km/h及以上速度的受電弓與剛性接觸網(wǎng)、剛?cè)徇^(guò)渡區(qū)段、柔性接觸網(wǎng)動(dòng)力相互作用，為研制160 km/h受電弓與剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)方案提供前期研究基礎(chǔ)。

1 既有剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)分析

簡(jiǎn)單的把接觸網(wǎng)等效成連續(xù)垂向質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，柔性接觸網(wǎng)的剛度要比剛性接觸網(wǎng)的小，為使受電弓平穩(wěn)地通過(guò)過(guò)渡區(qū)段，過(guò)渡區(qū)的剛度應(yīng)是漸變的，工程中使用剛?cè)徇^(guò)渡匯流排使剛度漸變，見(jiàn)圖1，通過(guò)從剛性接觸網(wǎng)到柔性接觸網(wǎng)按照從密到疏依次在匯流排上開(kāi)槽實(shí)現(xiàn)。

既有剛?cè)徇^(guò)渡有2種實(shí)現(xiàn)方式(見(jiàn)圖2)：一種是錨段關(guān)節(jié)式過(guò)渡，即剛性接觸網(wǎng)與柔性接觸網(wǎng)是兩支懸掛過(guò)渡，其工作原理是柔性接觸網(wǎng)進(jìn)入隧道后承力索拉出下錨，接觸線上安裝剛?cè)徇^(guò)渡匯流排然后下錨，與剛性接觸網(wǎng)利用空間幾何關(guān)系使受電弓順利通過(guò)；另一種是貫通式過(guò)渡，即剛性接觸網(wǎng)與柔性接觸網(wǎng)合為一支接觸懸掛，其工作原理是柔性接觸網(wǎng)進(jìn)入隧道時(shí)承力索于隧道口或內(nèi)部下錨，接觸線上安裝剛?cè)徇^(guò)渡匯流排然后直接接入剛性接觸網(wǎng)。

剛?cè)徇^(guò)渡的剛性接觸網(wǎng)一般使用8 m Π型截面鋁合金匯流排，定位懸掛為門(mén)型結(jié)構(gòu)或腕臂式結(jié)構(gòu)，錨段中間設(shè)中心錨結(jié)，其中定位點(diǎn)的剛度均較大。

城市軌道交通柔性接觸網(wǎng)一般使用雙接觸線懸掛，而干線鐵路柔性接觸網(wǎng)使用單接觸線懸掛。柔性接觸網(wǎng)線索材料和張力組合與供電制式和速度等級(jí)相關(guān)。

2 剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)的弓網(wǎng)仿真模型

考慮弓網(wǎng)仿真模型與實(shí)際弓網(wǎng)系統(tǒng)存在誤差，為研究滿足160 km/h剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)，目標(biāo)速度應(yīng)適當(dāng)增加，留有余量，本文設(shè)定為180 km/h。

既有動(dòng)車組的設(shè)計(jì)最高運(yùn)行速度為250 km/h，實(shí)際最高運(yùn)行速度為200 km/h，與本文設(shè)定值接近，基于此，假設(shè)本研究的對(duì)象為動(dòng)車組。與之配合使用的受電弓型號(hào)為DSA250。故以下以DSA250型受電弓為例，設(shè)計(jì)與之匹配的剛?cè)徇^(guò)渡。

DSA250型受電弓的動(dòng)力仿真模型為圖3所示的三質(zhì)量-剛度-阻尼集中質(zhì)點(diǎn)模型，其中m1～m3、k1～k3、c1～c3分別為下臂桿、上框架和弓頭的質(zhì)點(diǎn)歸算質(zhì)量、剛度和阻尼；fc、f0分別為弓網(wǎng)接觸力和靜態(tài)抬升力；y1～y3分別為下臂桿、上框架和弓頭的質(zhì)點(diǎn)位移。具體模型參數(shù)見(jiàn)表1。三質(zhì)點(diǎn)受電弓的動(dòng)力學(xué)方程為二階微分方程組

( 1 )

式中：Mpa、Cpa、Kpa為受電弓的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣；ypa為受電弓的位移矩陣；Fcpa為外力矩陣，包括靜態(tài)升弓力和接觸力。

動(dòng)車組上的受電弓數(shù)量視用電量而定，8節(jié)車使用1架受電弓，16節(jié)車使用2架受電弓。本文針對(duì)雙弓進(jìn)行研究，若雙弓滿足弓網(wǎng)動(dòng)力性能要求，則單弓也滿足。動(dòng)車組雙弓間距取200 m。

使用剛性接觸網(wǎng)的線路中，廣州地鐵3號(hào)線北延段的運(yùn)行速度較高，為120 km/h，實(shí)際弓網(wǎng)運(yùn)行受流良好。以此剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)與參數(shù)為參考，見(jiàn)表2，建立剛性接觸網(wǎng)動(dòng)力仿真模型。剛性接觸網(wǎng)的定位點(diǎn)懸掛剛度設(shè)定為一個(gè)較大的值。

表1 DSA250型受電弓質(zhì)點(diǎn)系模型參數(shù)

表2 剛性接觸網(wǎng)參數(shù)

接觸網(wǎng)作為牽引供電系統(tǒng)的載體與電流制式密切相關(guān)。由于運(yùn)行速度為160 km/h，其相應(yīng)鐵路線路較長(zhǎng)，宜采用交流供電方式。此時(shí)，柔性接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)可參照干線鐵路。

參照德國(guó)聯(lián)邦鐵路，與DSA250型受電弓匹配的接觸網(wǎng)型號(hào)為Re250，以該接觸網(wǎng)型號(hào)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)(見(jiàn)表3)，建立柔性接觸網(wǎng)動(dòng)力仿真模型。

表3 Re250柔性接觸網(wǎng)參數(shù)

不同剛?cè)徇^(guò)渡方式，均需利用剛?cè)徇^(guò)渡匯流排，剛?cè)徇^(guò)渡動(dòng)力仿真模型的重點(diǎn)是處理剛?cè)徇^(guò)渡匯流排。觀察圖1剛?cè)徇^(guò)渡匯流排按一定距離開(kāi)切槽，且切槽深度逐漸變大，每個(gè)槽的高度、截面和慣性矩都在變化，其高度變化規(guī)律見(jiàn)圖4，一共有6個(gè)槽，槽1最淺，槽6最深，不同高度的截面積和慣性矩見(jiàn)表4。

表4 不同截面高度匯流排參數(shù)

利用有限元法，將剛性接觸網(wǎng)、柔性接觸網(wǎng)和剛?cè)徇^(guò)渡匯流排等各結(jié)構(gòu)離散成有限單元，建立統(tǒng)一的動(dòng)力學(xué)仿真模型。

由于接觸網(wǎng)沿線路布設(shè)，其長(zhǎng)度相對(duì)截面大得多，故將剛性接觸網(wǎng)的匯流排和接觸線共同等效成空間梁?jiǎn)卧?，柔性接觸網(wǎng)的接觸線、承力索、彈性吊索和定位器分別等效成空間梁?jiǎn)卧傂越佑|網(wǎng)的定位懸掛結(jié)構(gòu)等效成彈簧單元。柔性接觸網(wǎng)的吊弦等效成僅受拉不受壓的索單元。

剛?cè)徇^(guò)渡模型的邊界條件為：(1)剛性接觸網(wǎng)的定位點(diǎn)彈簧懸空節(jié)點(diǎn)全自由度約束，中心錨結(jié)定位點(diǎn)全自由度約束，所有定位點(diǎn)約束線路方向和垂直線路方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；(2)柔性接觸網(wǎng)的定位器一端連接接觸線，一端約束除線路方向和垂直線路方向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度外的自由度；(3)柔性接觸網(wǎng)的承力索支持點(diǎn)約束除線路方向平動(dòng)自由度外的自由度；(4)柔性接觸網(wǎng)的接觸線和承力索在剛?cè)徇^(guò)渡一側(cè)的下錨節(jié)點(diǎn)約束所有自由度，在另一側(cè)的下錨節(jié)點(diǎn)約束除線路方向平動(dòng)自由度外的自由度。

剛?cè)徇^(guò)渡模型的初始條件：(1)柔性接觸網(wǎng)線索張力引起的幾何剛度；(2)柔性接觸網(wǎng)接觸線和承力索補(bǔ)償張力；(3)所有單元的重力。

將所有梁?jiǎn)卧?、索單元和彈簧單元進(jìn)行整體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及組裝，得到剛?cè)徇^(guò)渡接觸網(wǎng)的動(dòng)力學(xué)方程式

Gf+Fcf+FTf

( 2 )

式中：Mf為接觸網(wǎng)的質(zhì)量矩陣；uf為接觸網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)位移坐標(biāo)；K為接觸網(wǎng)的彈性剛度矩陣；Kct為柔性接觸網(wǎng)接觸線、承力索和彈性吊索的幾何剛度矩陣；Kd為吊弦的變剛度矩陣，當(dāng)?shù)跸沂芾瓡r(shí)，剛度為軸向拉伸剛度EA/l，受壓時(shí)，剛度變?yōu)?0-6N/m；Gf為接觸網(wǎng)的重力矩陣；Fcf為接觸力矩陣；FTf為柔性接觸網(wǎng)節(jié)點(diǎn)張力矩陣；Cf為瑞利阻尼矩陣，由質(zhì)量矩陣和剛度矩陣按比例組合構(gòu)造而成。

( 3 )

根據(jù)以上分析，建立2種結(jié)構(gòu)的剛?cè)徇^(guò)渡接觸網(wǎng)仿真模型，見(jiàn)圖5。

圖5(a)利用錨段關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)剛?cè)徇^(guò)渡，柔性接觸網(wǎng)接觸線首先連接剛?cè)徇^(guò)渡匯流排，然后連接匯流排終端，與剛性接觸網(wǎng)的匯流排終端形成錨段關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。圖5(b)利用剛?cè)徇^(guò)渡匯流排直接將柔性接觸網(wǎng)與剛性接觸網(wǎng)連接起來(lái)，在剛?cè)徇^(guò)渡匯流排后第2或第3個(gè)定位點(diǎn)約束所有自由度。

對(duì)2種剛?cè)徇^(guò)渡接觸網(wǎng)仿真模型進(jìn)行靜平衡狀態(tài)，得出接觸網(wǎng)僅受自重和張力下的節(jié)點(diǎn)位移，見(jiàn)圖6。圖6(a)中在接觸網(wǎng)里程250 m左右有2處接觸線位移變大，為2個(gè)匯流排終端。圖6(b)中在接觸網(wǎng)里程250 m左右接觸線位移較平穩(wěn)過(guò)渡。2種剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)的剛性接觸網(wǎng)和柔性接觸網(wǎng)區(qū)段的接觸線位移基本重合。柔性接觸網(wǎng)接觸線位移范圍比剛性接觸網(wǎng)大。

受電弓與接觸網(wǎng)動(dòng)力耦合的主要行為是滑動(dòng)接觸。一般解決接觸問(wèn)題的方法是利用罰函數(shù)。令接觸線單元i-j與質(zhì)量點(diǎn)m3的垂直方向滲透位移為Δξ，假設(shè)質(zhì)量點(diǎn)m3在單元i-j上方位移Δξ為正值，此時(shí)為接觸滲透狀態(tài)，反之質(zhì)量點(diǎn)m3在單元i-j下方位移Δξ為負(fù)值，見(jiàn)圖7。

根據(jù)每個(gè)時(shí)間步Δξ的符號(hào)判斷受電弓與接觸線的接觸狀態(tài)，再根據(jù)接觸剛度與Δξ的乘積作為分別作用于接觸線和受電弓弓頭質(zhì)點(diǎn)的接觸力，作為下一時(shí)間步接觸網(wǎng)和受電弓的外部載荷重新計(jì)算節(jié)點(diǎn)位移，如此反復(fù)，即可計(jì)算弓網(wǎng)相互作用。接觸力的大小為

( 4 )

聯(lián)立受電弓動(dòng)力方程式( 1 )、接觸網(wǎng)動(dòng)力方程式( 2 )、接觸網(wǎng)單元接觸力分配方程式( 3 )和接觸力大小計(jì)算方程式( 4 )，組成統(tǒng)一的弓網(wǎng)動(dòng)力仿真方程組。利用Newmark-β隱式積分算法，迭代求解弓網(wǎng)動(dòng)力仿真組，得到弓網(wǎng)節(jié)點(diǎn)位移和接觸力，進(jìn)行弓網(wǎng)動(dòng)力性能評(píng)估。

3 錨段關(guān)節(jié)式剛?cè)徇^(guò)渡仿真結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3271[16]中規(guī)定,交流系統(tǒng)小于200 km/h，接觸力范圍為0～300 N。接觸力標(biāo)準(zhǔn)差的最大值不應(yīng)超過(guò)0.3倍的平均接觸力目標(biāo)值。接觸力標(biāo)準(zhǔn)差越小表示接觸力的集中程度越高，弓網(wǎng)接觸質(zhì)量越好。

由于柔性接觸網(wǎng)和剛性接觸網(wǎng)的接觸線靜態(tài)位移不一樣以及兩者的剛度不一樣，受電弓通過(guò)剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)的2個(gè)方向的動(dòng)力響應(yīng)不一樣。故每種剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)分2個(gè)方向進(jìn)行分析。

3.1 柔性接觸網(wǎng)過(guò)渡到剛性接觸網(wǎng)

受電弓以180 km/h速度等級(jí)從柔性接觸網(wǎng)運(yùn)行至剛性接觸網(wǎng)，分析0～500 m區(qū)間的接觸力。錨段關(guān)節(jié)處的雙弓接觸力出現(xiàn)了0值，雙弓運(yùn)行在柔性接觸網(wǎng)的接觸力波動(dòng)均比剛性接觸網(wǎng)大，錨段關(guān)節(jié)處的接觸力在整個(gè)分析區(qū)間內(nèi)的波動(dòng)最大，出現(xiàn)最值。為受電弓能平穩(wěn)通過(guò)剛?cè)徇^(guò)渡段，采用降低受電弓運(yùn)行速度的方法，不同速度等級(jí)的弓網(wǎng)接觸力見(jiàn)圖8，當(dāng)運(yùn)行速度為100 km/h時(shí)，相對(duì)運(yùn)行速度180 km/h弓網(wǎng)接觸力波動(dòng)小許多，且錨段關(guān)節(jié)處的接觸力范圍符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

當(dāng)受電弓從柔性接觸網(wǎng)經(jīng)錨段關(guān)節(jié)式過(guò)渡至剛性接觸網(wǎng)時(shí)，受電弓的運(yùn)行速度需要減速至100 km/h，才滿足接觸力標(biāo)準(zhǔn)要求。

將100 km/h速度等級(jí)下受電弓通過(guò)不同區(qū)段的接觸力分別進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表5。雙弓的剛性接觸網(wǎng)的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差明顯比柔性接觸網(wǎng)的小。從接觸力的數(shù)理統(tǒng)計(jì)特征值上看，柔性接觸網(wǎng)的接觸力波動(dòng)較剛性大，剛?cè)徇^(guò)渡區(qū)段的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差最大，剛?cè)徇^(guò)渡區(qū)段是制約受電弓是否能順利過(guò)渡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

表5 100 km/h速度等級(jí)下柔性接觸網(wǎng)經(jīng)錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡至剛性接觸網(wǎng)接觸力統(tǒng)計(jì)特征值

3.2 剛性接觸網(wǎng)過(guò)渡到柔性接觸網(wǎng)

受電弓以180 km/h速度等級(jí)從剛性接觸網(wǎng)過(guò)渡至柔性接觸網(wǎng)，雙弓接觸力波形見(jiàn)圖9，錨段關(guān)節(jié)處的接觸力波動(dòng)最大，最小值大于0，柔性接觸網(wǎng)接觸力波動(dòng)比剛性接觸網(wǎng)大。

分區(qū)段統(tǒng)計(jì)的接觸力數(shù)據(jù)見(jiàn)表6，雙弓接觸力的統(tǒng)計(jì)值均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。柔性接觸網(wǎng)后弓的接觸力比前弓的波動(dòng)大，后弓的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差為前弓的2倍，說(shuō)明柔性接觸網(wǎng)后弓的弓網(wǎng)動(dòng)力性能較差。剛性接觸網(wǎng)雙弓的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差、接觸力最值比較接近，說(shuō)明雙弓對(duì)剛性接觸網(wǎng)的影響較小，而對(duì)柔性接觸網(wǎng)的影響較大。

表6 180 km/h速度等級(jí)剛性接觸網(wǎng)經(jīng)錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡至柔性接觸網(wǎng)接觸力統(tǒng)計(jì)特征值

4 貫通式剛?cè)徇^(guò)渡仿真結(jié)果

4.1 柔性接觸網(wǎng)過(guò)渡到剛性接觸網(wǎng)

圖10為柔性接觸網(wǎng)貫通過(guò)渡至剛性接觸網(wǎng)不同速度等級(jí)雙弓接觸力曲線。受電弓以180 km/h速度等級(jí)勻速?gòu)娜嵝越佑|網(wǎng)經(jīng)貫通式剛?cè)徇^(guò)渡至剛性接觸網(wǎng)，雙弓在剛?cè)徇^(guò)渡處的接觸力波動(dòng)較大，并出現(xiàn)0值，不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

與錨段關(guān)節(jié)式剛?cè)徇^(guò)渡一樣，降低受電弓運(yùn)行速度至160 km/h，通過(guò)相同結(jié)構(gòu)的接觸網(wǎng)，對(duì)比180 km/h速度等級(jí)，接觸力整體波動(dòng)減小，尤其在剛?cè)徇^(guò)渡區(qū)段。

分區(qū)段統(tǒng)計(jì)160 km/h速度等級(jí)下受電弓從柔性接觸網(wǎng)過(guò)渡至剛性接觸網(wǎng)的接觸力特征值，見(jiàn)表7，剛?cè)徇^(guò)渡區(qū)段的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差明顯比剛性接觸網(wǎng)、柔性接觸網(wǎng)大。所有接觸力統(tǒng)計(jì)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表7 160 km/h速度等級(jí)下柔性接觸網(wǎng)貫通過(guò)渡至剛性接觸網(wǎng)接觸力統(tǒng)計(jì)特征

4.2 剛性接觸網(wǎng)過(guò)渡到柔性接觸網(wǎng)

同樣的接觸網(wǎng)模型，受電弓以180 km/h速度等級(jí)從剛性接觸網(wǎng)貫通過(guò)渡至柔性接觸網(wǎng)，經(jīng)弓網(wǎng)仿真，得到雙弓的接觸力曲線，見(jiàn)圖11。相比圖9，剛?cè)徇^(guò)渡處的接觸力波動(dòng)并不是最大的，柔性接觸網(wǎng)的接觸力波動(dòng)最大，從接觸網(wǎng)分析區(qū)段看，接觸力范圍均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

分區(qū)段統(tǒng)計(jì)受電弓從剛性接觸網(wǎng)貫通過(guò)渡至柔性接觸網(wǎng)的雙弓接觸力特征值，見(jiàn)表8。剛性接觸網(wǎng)區(qū)段與剛?cè)徇^(guò)渡區(qū)段的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差相當(dāng)，而柔性接觸網(wǎng)的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差較大，后弓接觸力標(biāo)準(zhǔn)差是前弓的2倍，與表6中柔性接觸網(wǎng)雙弓結(jié)果相似，說(shuō)明后弓從剛性接觸網(wǎng)過(guò)渡至柔性接觸網(wǎng)受到前弓的影響，后弓的接觸力波動(dòng)較大。

表8 180 km/h速度等級(jí)剛性接觸網(wǎng)貫通過(guò)渡至柔性接觸網(wǎng)接觸力統(tǒng)計(jì)特征值

4.3 定位點(diǎn)增加彈性后柔性接觸網(wǎng)過(guò)渡到剛性接觸網(wǎng)

2種剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)從柔性接觸網(wǎng)到剛性接觸網(wǎng)均不滿足180 km/h的速度要求，但貫通式剛?cè)徇^(guò)渡弓網(wǎng)動(dòng)力性能較優(yōu)。文獻(xiàn)[17]研究表明定位點(diǎn)使用彈性線夾減小剛度能提高弓網(wǎng)接觸質(zhì)量，定位點(diǎn)剛度宜取7.6104N/m。結(jié)合圖10中接觸力在剛?cè)徇^(guò)渡處波動(dòng)較大，研究減小該處定位點(diǎn)剛度對(duì)貫通式剛?cè)徇^(guò)渡的弓網(wǎng)動(dòng)力性能的影響,見(jiàn)圖12。

與圖5(b)的貫通式剛?cè)徇^(guò)渡接觸網(wǎng)模型相同，僅將圖12中3個(gè)定位點(diǎn)剛度減小至7.6104N/m。DSA250受電弓以180 km/h速度等級(jí)從柔性接觸網(wǎng)過(guò)渡至剛性接觸網(wǎng)，得到雙弓接觸力曲線，見(jiàn)圖13，雙弓接觸力范圍均沒(méi)超標(biāo)。

表9中雙弓各分析區(qū)段的接觸力最值在標(biāo)準(zhǔn)范圍，0.3倍平均接觸力減標(biāo)準(zhǔn)差大于0，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明定位點(diǎn)剛度減小能提高弓網(wǎng)接觸質(zhì)量，滿足運(yùn)行速度180 km/h。

表9 180 km/h速度等級(jí)柔性接觸網(wǎng)貫通過(guò)渡至彈性定位的剛性接觸網(wǎng)接觸力統(tǒng)計(jì)特征值

5 剛性接觸網(wǎng)不平順對(duì)剛?cè)徇^(guò)渡的影響

通過(guò)第4節(jié)研究得到了不考慮剛性接觸網(wǎng)不平順時(shí)的160 km/h剛?cè)徇^(guò)渡系統(tǒng)方案，宜采用貫通式剛?cè)徇^(guò)渡。以下研究在剛性接觸網(wǎng)在施工過(guò)程中定位點(diǎn)安裝誤差帶來(lái)的接觸線高度不平順對(duì)剛?cè)徇^(guò)渡系統(tǒng)方案的影響，以校驗(yàn)本方案的工程實(shí)施性。

剛性接觸網(wǎng)定位點(diǎn)安裝誤差控制在±10 mm范圍內(nèi)，本文假設(shè)安裝誤差服從正態(tài)分布規(guī)律，考慮正態(tài)分布規(guī)律中99.7%的數(shù)值落在3倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)，選擇均值為0 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為3 mm的正態(tài)分布隨機(jī)數(shù)來(lái)模擬實(shí)際的定位點(diǎn)安裝誤差(此時(shí)，99.7%的定位點(diǎn)安裝誤差在±9 mm范圍內(nèi))。根據(jù)正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)，建立剛性接觸網(wǎng)的仿真模型，見(jiàn)圖14?？梢钥闯觯?dāng)剛性接觸網(wǎng)存在不平順時(shí)，剛性接觸網(wǎng)接觸線靜態(tài)位移的變化較大。

由于受電弓從柔性接觸網(wǎng)過(guò)渡至剛性接觸網(wǎng)的剛?cè)徇^(guò)渡區(qū)段接觸力標(biāo)準(zhǔn)差比另一運(yùn)行方向大，僅比較柔性接觸網(wǎng)過(guò)渡至剛性接觸網(wǎng)的接觸力。當(dāng)受電弓以160 km/h速度從柔性接觸網(wǎng)過(guò)渡至存在不平順的剛性接觸網(wǎng)，經(jīng)弓網(wǎng)仿真，得到弓網(wǎng)接觸力波形見(jiàn)圖15。剛性接觸網(wǎng)存在不平順對(duì)接觸力的影響顯著，此時(shí)，柔性接觸網(wǎng)與剛性接觸網(wǎng)的接觸力波動(dòng)幅值接近。

統(tǒng)計(jì)剛性接觸網(wǎng)不平順的接觸力數(shù)理統(tǒng)計(jì)值，見(jiàn)表10。表10中發(fā)現(xiàn)柔性接觸網(wǎng)和剛性接觸網(wǎng)的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差接近。雙弓各分析區(qū)段的接觸力最值在標(biāo)準(zhǔn)范圍，0.3倍平均接觸力減標(biāo)準(zhǔn)差大于0，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明考慮剛性接觸網(wǎng)不平順的剛?cè)徇^(guò)渡系統(tǒng)方案仍滿足160 km/h的運(yùn)行速度要求。

表10 剛性接觸網(wǎng)不平順的接觸力統(tǒng)計(jì)特征值

對(duì)比表7和表10后弓的接觸力統(tǒng)計(jì)值，發(fā)現(xiàn)剛性接觸網(wǎng)存在不平順的后弓接觸力標(biāo)準(zhǔn)差變大，最小接觸力接近0，不平順對(duì)后弓接觸力的影響顯著。若雙弓通過(guò)剛?cè)徇^(guò)渡結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量減小剛?cè)徇^(guò)渡段的剛性接觸網(wǎng)不平順。

6 結(jié)論

(1) 建立錨段關(guān)節(jié)式和貫通式2種結(jié)構(gòu)的剛?cè)徇^(guò)渡接觸網(wǎng)仿真模型，剛性接觸網(wǎng)采用跨距為6 m，定位點(diǎn)剛性懸掛，柔性接觸網(wǎng)采用德國(guó)Re250型。受電弓使用DSA250型，雙弓間距200 m。比較2種剛?cè)徇^(guò)渡的弓網(wǎng)動(dòng)力性能，得出了貫通式剛?cè)徇^(guò)渡能滿足速度160 km/h的要求。

(2) 比較不同工況下雙弓接觸力，得出剛?cè)徇^(guò)渡區(qū)段的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差是最大的，說(shuō)明剛?cè)徇^(guò)渡區(qū)段是制約受電弓是否能順利過(guò)渡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

(3) 比較不同工況下雙弓接觸力，發(fā)現(xiàn)后弓各區(qū)段的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差比前弓大，說(shuō)明后弓是制約剛?cè)徇^(guò)渡動(dòng)力響應(yīng)的主要參數(shù)。

(4) 剛?cè)徇^(guò)渡處定位點(diǎn)的剛度減小能在一定程度上提高弓網(wǎng)動(dòng)力性能，將運(yùn)行速度提升至180 km/h。

(5) 考慮了剛性接觸網(wǎng)存在定位點(diǎn)均值為0 mm、標(biāo)準(zhǔn)差為3 mm的正態(tài)分布安裝誤差工況下的不平順，當(dāng)受電弓以160 km/h速度等級(jí)通過(guò)剛?cè)徇^(guò)渡系統(tǒng)方案時(shí)，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能仍能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，校驗(yàn)了本方案的工程實(shí)施性。