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        接觸網(wǎng)動態(tài)檢測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

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

        0 引言

        列車依靠頂部受電弓與接觸網(wǎng)線之間的滑動接觸,保證在行進過程中獲得持續(xù)不間斷的電能。在滑動接觸過程中,受電弓和接觸網(wǎng)線之間既要保證合適的接觸力,以確保不會對碳滑板與接觸線等直接進行機械接觸的構(gòu)件產(chǎn)生過大磨耗,同時還要保證弓和網(wǎng)之間不會發(fā)生脫離[1]。弓網(wǎng)之間動態(tài)作用的好壞,可以通過周期性的動態(tài)檢測來確認。隨著鐵路進入高質(zhì)量發(fā)展時代,對供電安全服務(wù)品質(zhì)的要求日益提高,同時供電修程修制改革的深入推進,也對接觸網(wǎng)的動態(tài)檢測提出了更高要求[2-3]。

        我國幅員遼闊,自然地理環(huán)境多樣,長期以來區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展進程也不一致,決定了高鐵路網(wǎng)的特點。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大繁忙通道。為適應(yīng)不同地理氣候特征,實現(xiàn)長期高可靠性運營環(huán)境,在不同地區(qū)采用了不同的接觸網(wǎng)設(shè)計來解決相關(guān)問題。例如,在西北大風(fēng)區(qū)段,會采取偏重防風(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有特殊考慮;而考慮不同區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展趨勢,會優(yōu)化選用速度等級,形成了同一條線路上多種接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點。同樣,運行在繁忙主干線上的動車組也有眾多車型,對應(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)動態(tài)檢測結(jié)果可以反映弓網(wǎng)匹配的優(yōu)劣,若要對不同弓網(wǎng)組合進行比較,對檢測結(jié)果進行更科學(xué)的評判,則需對引起檢測差異性的因素進行深入研究。由于實際運營場景較為龐雜,很難通過實驗手段復(fù)現(xiàn),因此現(xiàn)有弓網(wǎng)研究多通過仿真或半實物仿真技術(shù)進行機理性探索。目前我國高速受電弓型號主要有DSA250、DSA380、TSG19和CX系列,文獻[4]采用實驗手段對DSA380型受電弓弓頭模態(tài)振型進行研究,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)計水平;文獻[5]利用半實物半虛擬混合模擬方法,以DSA380型受電弓為對象,控制變量為簡單鏈型懸掛結(jié)構(gòu)下的不同接觸網(wǎng)參數(shù),研究其對弓網(wǎng)接觸力的影響。

        動態(tài)檢測數(shù)據(jù)體現(xiàn)弓網(wǎng)運行過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,基于實測數(shù)據(jù)就不同類型受電弓對接觸網(wǎng)動態(tài)檢測的影響進行研究。

        1 受電弓結(jié)構(gòu)特性與受力分析

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

        表1 常見車型與受電弓參數(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,該特性主要通過受電弓的框架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。表2所列3種受電弓均為單臂受電弓,這種設(shè)計可以減輕受電弓質(zhì)量且結(jié)構(gòu)簡單,但不同受電弓開口方向上的空氣動力學(xué)性能會受到影響。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,在受電弓運行過程中因振動而產(chǎn)生的慣性作用力也會減小。此外,CX系列受電弓有主動控制系統(tǒng),能夠隨著列車運行速度和接觸網(wǎng)參數(shù)的變化來調(diào)整受電弓的靜態(tài)接觸力,從而實現(xiàn)對弓網(wǎng)之間平穩(wěn)接觸壓力的控制。

        在弓網(wǎng)動態(tài)運行過程中,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,是阻止受電弓運動的力,因此方向總是與受電弓運動方向相反;Pa為動態(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程中產(chǎn)生,與跨距、運行速度以及弓頭視在質(zhì)量都有關(guān)系;Pk為空氣動力,理想情況下,其目標值應(yīng)與運行速度的平方有線性關(guān)系。在列車行進過程中,弓頭總是沿著一定高度做往復(fù)的上下運動,弓網(wǎng)接觸力也在此過程中時刻發(fā)生變化。不同的受電弓設(shè)計方案,呈現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)特性,如CX系列受電弓具有主動控制功能,受電弓靜態(tài)力可自動調(diào)節(jié),因而P0在動態(tài)運行過程中就成為1個變量,這種差異將會顯著影響動態(tài)檢測的結(jié)果。

        2 接觸網(wǎng)類型與特點

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

        (1)接觸線懸掛點高度不宜小于5 300 mm,最低點不宜小于5 150 mm,最高點不宜大于6 500 mm;我國300~350 km/h速度等級高鐵接觸線高度設(shè)計比較統(tǒng)一,均為5 300 mm;200~250 km/h速度等級高鐵接觸線高度設(shè)計值差異較大,尤其是200 km/h等級線路,設(shè)計值偏高,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;我國高鐵接觸網(wǎng)拉出值的布置在各速度等級都沒有太大差異,主要采取±200、±250、±300 mm幾個典型值。

        (3)對于跨距,設(shè)計速度為250~350 km/h線路,當采用簡單鏈型懸掛時,推薦標準設(shè)計跨距為50 m,最大跨距為55 m;當采用彈性鏈型懸掛時,設(shè)計速度為250 km/h線路,推薦標準設(shè)計跨距為60 m,最大跨距為65 m;對于設(shè)計速度為300~350 km/h線路,推薦標準跨距為55 m,最大跨距為60 m。實際情況中,對于300~350 km/h線路,主要采用50 m跨距,而速度等級更低的200~250 km/h線路也很少采用60~65 m的大跨距。

        (4)設(shè)計時應(yīng)對每種接觸網(wǎng)-受電弓之間相互作用進行仿真評估,針對弓網(wǎng)接觸力,要求接觸力的最大標準偏差不得超過0.3Fm。Fm代表平均接觸力,是一個與速度相關(guān)的變量。

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

        接觸線的波動傳播速度c是對接觸性能影響較大的重要指標,計算公式如式(2):

        式中:T為張力;ρ為線密度。

        目前我國300 km/h速度等級及以上線路,絕大多數(shù)都采用截面積為150mm2的銅合金接觸線;200~250 km/h速度等級線路中預(yù)留更高速度等級情況的,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傳播速度見表3。

        表3 各種接觸線及張力配置下的波動傳播速度

        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后,表現(xiàn)出來的振動形式特征,計算公式如式(3):

        圖1 某200 km/h速度等級線路跨距統(tǒng)計

        表4 接觸懸掛固有頻率[9]

        3 受電弓影響因素分析

        3.1 受電弓開口方向

        受電弓在不同的開口方向運行時,框架的上、下臂桿會受到不同的風(fēng)力作用。文獻[10]利用仿真方法對高速受電弓的開閉口運行特性進行分析,發(fā)現(xiàn)受電弓開口運行時整弓氣動阻力比閉口運行時大。在此,基于檢測數(shù)據(jù)對開閉口特性進行分析。3條300~350 km/h速度等級全補償彈性鏈型懸掛線路在270~350 km/h速度時,基于某型受電弓測得的弓網(wǎng)接觸力標準偏差統(tǒng)計分布見圖2,其標準偏差統(tǒng)計單元為跨。

        圖2 不同開口方向的弓網(wǎng)接觸力標準偏差統(tǒng)計

        由圖2可知,不論是開口還是閉口方向運行的弓網(wǎng)接觸力標準偏差,其統(tǒng)計分布基本符合標準正態(tài)分布,二者略呈右偏態(tài),開口方向偏度為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。不同開口方向的弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表5,其中統(tǒng)計單元為跨,表5中列出的區(qū)間為每個統(tǒng)計項目的四分位距??傮w而言,開口方向弓網(wǎng)接觸力標準偏差相較閉口方向要大,即開口方向的力的波動變化要更劇烈一些。

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

        3.2 受電弓型號

        我國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,以及是否采用主動控制系統(tǒng)都對受電弓的動態(tài)性能產(chǎn)生不同影響。在300~350 km/h速度等級全補償彈性鏈型懸掛結(jié)構(gòu)下,2種不同型號受電弓在同一開口方向的檢測結(jié)果見圖3。由圖3可知,2種型號受電弓在300 km/h速度等級情況下,測得的弓網(wǎng)接觸力標準偏差統(tǒng)計分布基本符合標準正態(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。不同受電弓型號下的弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表6,其統(tǒng)計單元為跨??傮w而言,受電弓A在300 km/h速度等級弓網(wǎng)接觸力標準偏差與受電弓B相比略大,即不同受電弓之間弓網(wǎng)接觸力存在差異。與前面不同開口方向的結(jié)果相比,不同型號受電弓之間接觸力極差變大,在該測試條件下,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 不同型號受電弓弓網(wǎng)接觸力標準偏差統(tǒng)計

        表6 不同受電弓型號弓網(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行過程中與接觸線的穩(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,對不同工作高度下的檢測結(jié)果進行比較。對于接觸線高度分別為6 000 mm和6 450 mm兩種情況下的簡單鏈型懸掛(速度為180~220 km/h),開口方向均一致的弓網(wǎng)接觸力檢測統(tǒng)計結(jié)果見圖4。減去動車組車體高度和受電弓支撐絕緣子高度后,對應(yīng)的升弓高度分別為1 600 mm與2 050 mm。

        由圖4可知,同種型號受電弓在2種工作高度下、運行速度在200 km/h時的弓網(wǎng)接觸力標準偏差統(tǒng)計分布,基本符合標準正態(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)計數(shù)據(jù)見表7。由表7數(shù)據(jù)可知,在簡單鏈型懸掛情況下,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:機車車輛受電弓特性和試驗:第1部分:干線機車車輛受電弓》中的要求,在2 050 mm的工作高度下基本超過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,因而會對動態(tài)運行時的性能產(chǎn)生不同程度影響。

        圖4 不同工作高度弓網(wǎng)接觸力標準偏差統(tǒng)計

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

        4 結(jié)束語

        我國高鐵已進入高質(zhì)量發(fā)展階段,在提質(zhì)增效的背景下,對鐵路供電品質(zhì)與養(yǎng)護維修效率等都提出了更高要求。對牽引供電設(shè)備進行定期檢測以確保良好的服役狀態(tài),是實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵一環(huán)。通過對我國動車組受電弓的類型與特性進行分析,以接觸懸掛固有頻率和波動傳播系數(shù)等特征研究接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點,并基于檢測數(shù)據(jù)得到受電弓對動態(tài)檢測的影響分析。通過對影響檢測結(jié)果因素的分析,有助于提升檢測品質(zhì),同時便于進一步形成更為細致的分級評價標準和相應(yīng)的精準維修策略,以實現(xiàn)更高品質(zhì)、更高可靠性的鐵路供電系統(tǒng)。

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