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        接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)中受電弓影響因素研究

        2021-03-01 15:48:06汪海瑛楊志鵬王偉凡王婧
        鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2021年6期
        關(guān)鍵詞:跨距弓網(wǎng)峰度

        汪海瑛,楊志鵬,王偉凡,王婧

        (中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所,北京 100081)

        0 引言

        列車依靠頂部受電弓與接觸網(wǎng)線之間的滑動(dòng)接觸,保證在行進(jìn)過(guò)程中獲得持續(xù)不間斷的電能。在滑動(dòng)接觸過(guò)程中,受電弓和接觸網(wǎng)線之間既要保證合適的接觸力,以確保不會(huì)對(duì)碳滑板與接觸線等直接進(jìn)行機(jī)械接觸的構(gòu)件產(chǎn)生過(guò)大磨耗,同時(shí)還要保證弓和網(wǎng)之間不會(huì)發(fā)生脫離[1]。弓網(wǎng)之間動(dòng)態(tài)作用的好壞,可以通過(guò)周期性的動(dòng)態(tài)檢測(cè)來(lái)確認(rèn)。隨著鐵路進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展時(shí)代,對(duì)供電安全服務(wù)品質(zhì)的要求日益提高,同時(shí)供電修程修制改革的深入推進(jìn),也對(duì)接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)提出了更高要求[2-3]。

        我國(guó)幅員遼闊,自然地理環(huán)境多樣,長(zhǎng)期以來(lái)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)程也不一致,決定了高鐵路網(wǎng)的特點(diǎn)。從早期的“四縱四橫”到如今的“八縱八橫”,除了形成1、2、3 h高鐵出行圈外,也形成了跨越氣候帶的長(zhǎng)大繁忙通道。為適應(yīng)不同地理氣候特征,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期高可靠性運(yùn)營(yíng)環(huán)境,在不同地區(qū)采用了不同的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)來(lái)解決相關(guān)問(wèn)題。例如,在西北大風(fēng)區(qū)段,會(huì)采取偏重防風(fēng)性能的接觸網(wǎng);在沿海環(huán)境,考慮大風(fēng)和高鹽的自然環(huán)境侵蝕,在零部件材料選擇方面會(huì)有特殊考慮;而考慮不同區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì),會(huì)優(yōu)化選用速度等級(jí),形成了同一條線路上多種接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。同樣,運(yùn)行在繁忙主干線上的動(dòng)車組也有眾多車型,對(duì)應(yīng)配備不同形制的受電弓,因此形成了繁復(fù)的弓網(wǎng)匹配關(guān)系。

        接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果可以反映弓網(wǎng)匹配的優(yōu)劣,若要對(duì)不同弓網(wǎng)組合進(jìn)行比較,對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行更科學(xué)的評(píng)判,則需對(duì)引起檢測(cè)差異性的因素進(jìn)行深入研究。由于實(shí)際運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景較為龐雜,很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段復(fù)現(xiàn),因此現(xiàn)有弓網(wǎng)研究多通過(guò)仿真或半實(shí)物仿真技術(shù)進(jìn)行機(jī)理性探索。目前我國(guó)高速受電弓型號(hào)主要有DSA250、DSA380、TSG19和CX系列,文獻(xiàn)[4]采用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)DSA380型受電弓弓頭模態(tài)振型進(jìn)行研究,掌握該參數(shù)可以有效規(guī)避弓網(wǎng)共振,提升弓網(wǎng)設(shè)計(jì)水平;文獻(xiàn)[5]利用半實(shí)物半虛擬混合模擬方法,以DSA380型受電弓為對(duì)象,控制變量為簡(jiǎn)單鏈型懸掛結(jié)構(gòu)下的不同接觸網(wǎng)參數(shù),研究其對(duì)弓網(wǎng)接觸力的影響。

        動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)體現(xiàn)弓網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中各種因素的共同作用,數(shù)據(jù)間的差異性反映不同受電弓/接觸網(wǎng)配置間的區(qū)別,在此,基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)就不同類型受電弓對(duì)接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的影響進(jìn)行研究。

        1 受電弓結(jié)構(gòu)特性與受力分析

        在我國(guó)高速鐵路技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中,常見(jiàn)車型與受電弓參數(shù)見(jiàn)表1[6]。由表1可知,300~350 km/h速度等級(jí)的高速受電弓有DSA380、TSG19和CX系列;200~250 km/h速度等級(jí)受電弓主要是DSA250。3種高速受電弓主要技術(shù)參數(shù)比較見(jiàn)表2[7]。

        表1 常見(jiàn)車型與受電弓參數(shù)

        表2 3種高速受電弓主要技術(shù)參數(shù)比較

        除傳遞電能外,受電弓應(yīng)具有的最基本性能是跟隨性,該特性主要通過(guò)受電弓的框架結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。表2所列3種受電弓均為單臂受電弓,這種設(shè)計(jì)可以減輕受電弓質(zhì)量且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但不同受電弓開(kāi)口方向上的空氣動(dòng)力學(xué)性能會(huì)受到影響。CX系列受電弓是單滑板,DSA380與TSG19都是雙滑板,單滑板意味著更輕的弓頭質(zhì)量,在受電弓運(yùn)行過(guò)程中因振動(dòng)而產(chǎn)生的慣性作用力也會(huì)減小。此外,CX系列受電弓有主動(dòng)控制系統(tǒng),能夠隨著列車運(yùn)行速度和接觸網(wǎng)參數(shù)的變化來(lái)調(diào)整受電弓的靜態(tài)接觸力,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)弓網(wǎng)之間平穩(wěn)接觸壓力的控制。

        在弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中,受電弓與接觸線間的接觸力P可由式(1)表示[8]:

        式中:P0為受電弓的靜態(tài)接觸力,N;Pm為受電弓框架鉸接處的摩擦阻力,是阻止受電弓運(yùn)動(dòng)的力,因此方向總是與受電弓運(yùn)動(dòng)方向相反;Pa為動(dòng)態(tài)接觸力分力,由受電弓框架和弓頭2部分在跟隨接觸線高度與彈性變化過(guò)程中產(chǎn)生,與跨距、運(yùn)行速度以及弓頭視在質(zhì)量都有關(guān)系;Pk為空氣動(dòng)力,理想情況下,其目標(biāo)值應(yīng)與運(yùn)行速度的平方有線性關(guān)系。在列車行進(jìn)過(guò)程中,弓頭總是沿著一定高度做往復(fù)的上下運(yùn)動(dòng),弓網(wǎng)接觸力也在此過(guò)程中時(shí)刻發(fā)生變化。不同的受電弓設(shè)計(jì)方案,呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)特性,如CX系列受電弓具有主動(dòng)控制功能,受電弓靜態(tài)力可自動(dòng)調(diào)節(jié),因而P0在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中就成為1個(gè)變量,這種差異將會(huì)顯著影響動(dòng)態(tài)檢測(cè)的結(jié)果。

        2 接觸網(wǎng)類型與特點(diǎn)

        依據(jù)TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》和TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定:

        (1)接觸線懸掛點(diǎn)高度不宜小于5 300 mm,最低點(diǎn)不宜小于5 150 mm,最高點(diǎn)不宜大于6 500 mm;我國(guó)300~350 km/h速度等級(jí)高鐵接觸線高度設(shè)計(jì)比較統(tǒng)一,均為5 300 mm;200~250 km/h速度等級(jí)高鐵接觸線高度設(shè)計(jì)值差異較大,尤其是200 km/h等級(jí)線路,設(shè)計(jì)值偏高,有大量6 000 mm和6 400 mm情況存在。

        (2)接觸線在直線區(qū)段應(yīng)按“之”字布置,拉出值宜采用200~300 mm;我國(guó)高鐵接觸網(wǎng)拉出值的布置在各速度等級(jí)都沒(méi)有太大差異,主要采取±200、±250、±300 mm幾個(gè)典型值。

        (3)對(duì)于跨距,設(shè)計(jì)速度為250~350 km/h線路,當(dāng)采用簡(jiǎn)單鏈型懸掛時(shí),推薦標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)跨距為50 m,最大跨距為55 m;當(dāng)采用彈性鏈型懸掛時(shí),設(shè)計(jì)速度為250 km/h線路,推薦標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)跨距為60 m,最大跨距為65 m;對(duì)于設(shè)計(jì)速度為300~350 km/h線路,推薦標(biāo)準(zhǔn)跨距為55 m,最大跨距為60 m。實(shí)際情況中,對(duì)于300~350 km/h線路,主要采用50 m跨距,而速度等級(jí)更低的200~250 km/h線路也很少采用60~65 m的大跨距。

        (4)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)每種接觸網(wǎng)-受電弓之間相互作用進(jìn)行仿真評(píng)估,針對(duì)弓網(wǎng)接觸力,要求接觸力的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差不得超過(guò)0.3Fm。Fm代表平均接觸力,是一個(gè)與速度相關(guān)的變量。

        (5)波動(dòng)傳播速度與最高設(shè)計(jì)速度之比不應(yīng)小于1.4。

        接觸線的波動(dòng)傳播速度c是對(duì)接觸性能影響較大的重要指標(biāo),計(jì)算公式如式(2):

        式中:T為張力;ρ為線密度。

        目前我國(guó)300 km/h速度等級(jí)及以上線路,絕大多數(shù)都采用截面積為150mm2的銅合金接觸線;200~250 km/h速度等級(jí)線路中預(yù)留更高速度等級(jí)情況的,也采用150mm2的銅合金接觸線,還有部分采用120mm2的銅合金接觸線。各種接觸線及張力配置下的波動(dòng)傳播速度見(jiàn)表3。

        表3 各種接觸線及張力配置下的波動(dòng)傳播速度

        鏈型懸掛的固有頻率f反映以承力索和接觸線為整體的接觸懸掛在受到擾動(dòng)后,表現(xiàn)出來(lái)的振動(dòng)形式特征,計(jì)算公式如式(3):

        圖1 某200 km/h速度等級(jí)線路跨距統(tǒng)計(jì)

        表4 接觸懸掛固有頻率[9]

        3 受電弓影響因素分析

        3.1 受電弓開(kāi)口方向

        受電弓在不同的開(kāi)口方向運(yùn)行時(shí),框架的上、下臂桿會(huì)受到不同的風(fēng)力作用。文獻(xiàn)[10]利用仿真方法對(duì)高速受電弓的開(kāi)閉口運(yùn)行特性進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)受電弓開(kāi)口運(yùn)行時(shí)整弓氣動(dòng)阻力比閉口運(yùn)行時(shí)大。在此,基于檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)開(kāi)閉口特性進(jìn)行分析。3條300~350 km/h速度等級(jí)全補(bǔ)償彈性鏈型懸掛線路在270~350 km/h速度時(shí),基于某型受電弓測(cè)得的弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)分布見(jiàn)圖2,其標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)單元為跨。

        圖2 不同開(kāi)口方向的弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)

        由圖2可知,不論是開(kāi)口還是閉口方向運(yùn)行的弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差,其統(tǒng)計(jì)分布基本符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,二者略呈右偏態(tài),開(kāi)口方向偏度為0.69,閉口方向偏度為0.91;二者的峰度也較為接近,開(kāi)口方向峰度2.30,閉口方向峰度2.56。由于二者均呈右偏態(tài),因此算術(shù)平均值都大于中位數(shù),其中開(kāi)口方向均值為21.91,中值為21.38;閉口方向均值為19.06,中值為18.34。不同開(kāi)口方向的弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5,其中統(tǒng)計(jì)單元為跨,表5中列出的區(qū)間為每個(gè)統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目的四分位距??傮w而言,開(kāi)口方向弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差相較閉口方向要大,即開(kāi)口方向的力的波動(dòng)變化要更劇烈一些。

        表5 不同開(kāi)閉口弓網(wǎng)接觸力數(shù)據(jù)

        3.2 受電弓型號(hào)

        我國(guó)高鐵使用的受電弓主要為DSA380和TSG19等幾種,弓頭的不同滑板列數(shù)、是否采用氣流調(diào)節(jié)翼片,以及是否采用主動(dòng)控制系統(tǒng)都對(duì)受電弓的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生不同影響。在300~350 km/h速度等級(jí)全補(bǔ)償彈性鏈型懸掛結(jié)構(gòu)下,2種不同型號(hào)受電弓在同一開(kāi)口方向的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知,2種型號(hào)受電弓在300 km/h速度等級(jí)情況下,測(cè)得的弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)分布基本符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。二者均呈右偏態(tài),其中受電弓A偏度為0.57,受電弓B偏度為0.50;二者的峰度差異相對(duì)較大,受電弓A的峰度為3.64,受電弓B的峰度為1.20。由于二者呈右偏態(tài),因此算術(shù)平均值都大于中位數(shù),但由于此例中偏度較小,因而二者差別不是很明顯。其中,受電弓A均值為24.53,中值為23.96;受電弓B均值為22.06,中值為21.37。不同受電弓型號(hào)下的弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6,其統(tǒng)計(jì)單元為跨??傮w而言,受電弓A在300 km/h速度等級(jí)弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差與受電弓B相比略大,即不同受電弓之間弓網(wǎng)接觸力存在差異。與前面不同開(kāi)口方向的結(jié)果相比,不同型號(hào)受電弓之間接觸力極差變大,在該測(cè)試條件下,不同受電弓間的差異要大于同一受電弓不同使用方向的差別。

        圖3 不同型號(hào)受電弓弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)

        表6 不同受電弓型號(hào)弓網(wǎng)接觸力數(shù)據(jù)

        3.3 受電弓工作高度

        受電弓需要具有良好的跟隨性,才能保證列車高速運(yùn)行過(guò)程中與接觸線的穩(wěn)定接觸。受電弓不同結(jié)構(gòu)位置的支持與摩擦阻力作用,可以保證其能適應(yīng)不同的接觸線高度。在此,對(duì)不同工作高度下的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。對(duì)于接觸線高度分別為6 000 mm和6 450 mm兩種情況下的簡(jiǎn)單鏈型懸掛(速度為180~220 km/h),開(kāi)口方向均一致的弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖4。減去動(dòng)車組車體高度和受電弓支撐絕緣子高度后,對(duì)應(yīng)的升弓高度分別為1 600 mm與2 050 mm。

        由圖4可知,同種型號(hào)受電弓在2種工作高度下、運(yùn)行速度在200 km/h時(shí)的弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)分布,基本符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果顯示,二者均呈右偏態(tài),其中升弓高度1 600 mm情況下偏度為0.91,升弓高度2 050 mm情況下偏度為0.84;二者的峰度差異相對(duì)較大,前者峰度為2.78,后者峰度為1.80。由于二者呈右偏態(tài),因此算術(shù)平均值都大于中位數(shù)。升弓高度1 600 mm情況下,均值為20.26,中值為19.32;升弓高度2 050 mm情況下,均值為23.21,中值為22.48。受電弓在不同工作高度情況下的弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。由表7數(shù)據(jù)可知,在簡(jiǎn)單鏈型懸掛情況下,受電弓在較低的工作高度比工作高度較高的情況下,弓網(wǎng)接觸力的穩(wěn)定性要好,波動(dòng)較為平緩。不同類型的受電弓工作范圍略有不同,但上部工作位置高度基本為2 400~2 500 mm,依照GB/T 21561.1—2018《軌道交通:機(jī)車車輛受電弓特性和試驗(yàn):第1部分:干線機(jī)車車輛受電弓》中的要求,在2 050 mm的工作高度下基本超過(guò)受電弓最大工作高度的80%,而在此區(qū)間內(nèi),通常靜態(tài)接觸力的允差也開(kāi)始變大;此外,不同批次受電弓還擁有不同的靜態(tài)接觸力曲線,因而會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的性能產(chǎn)生不同程度影響。

        圖4 不同工作高度弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差統(tǒng)計(jì)

        表7 不同工作高度弓網(wǎng)接觸力數(shù)據(jù)

        4 結(jié)束語(yǔ)

        我國(guó)高鐵已進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展階段,在提質(zhì)增效的背景下,對(duì)鐵路供電品質(zhì)與養(yǎng)護(hù)維修效率等都提出了更高要求。對(duì)牽引供電設(shè)備進(jìn)行定期檢測(cè)以確保良好的服役狀態(tài),是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵一環(huán)。通過(guò)對(duì)我國(guó)動(dòng)車組受電弓的類型與特性進(jìn)行分析,以接觸懸掛固有頻率和波動(dòng)傳播系數(shù)等特征研究接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),并基于檢測(cè)數(shù)據(jù)得到受電弓對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的影響分析。通過(guò)對(duì)影響檢測(cè)結(jié)果因素的分析,有助于提升檢測(cè)品質(zhì),同時(shí)便于進(jìn)一步形成更為細(xì)致的分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的精準(zhǔn)維修策略,以實(shí)現(xiàn)更高品質(zhì)、更高可靠性的鐵路供電系統(tǒng)。

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