張 昊，謝 強，2

(1.同濟大學建筑工程系，上海 200092；2.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092)

電氣化鐵路接觸網風致舞動研究現(xiàn)狀與進展

張 昊1，謝 強1，2

(1.同濟大學建筑工程系，上海 200092；2.同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092)

為了應對電氣化鐵路接觸網風致舞動災害對我國鐵路交通運輸造成的不利影響，總結一系列國內外接觸網舞動相關的文獻。舞動現(xiàn)象內在原因復雜，當前舞動機理性研究中的鄧哈托判定以及尼格爾判定都對實際情況作出較大簡化，現(xiàn)有的舞動理論并不能準確的定量分析接觸網舞動現(xiàn)象；通過研發(fā)防舞裝置來抑制接觸網舞動發(fā)生是一種可行的方法；有限元模擬分析可以為研究舞動開辟新的思路。最后對接觸網舞動研究中的有待解決的問題進行歸納，并提出需進一步研究的內容和方法。

電氣化鐵路；接觸網；舞動；風；試驗研究

電氣化鐵路是指依靠電能牽引的鐵路，世界上大多數(shù)國家的高速鐵路都是采用電氣化鐵路。高速鐵路就是我們常說的高鐵，高速鐵路的定義是指時速在200 km及其以上的鐵路[1]。我國當前的鐵路運輸主要以電氣化鐵路為主，高速電氣化鐵路和普速電氣化鐵路一起支撐起了我國鐵路運輸系統(tǒng)。接觸網在電氣化鐵路運行中扮演著重要的作用，擔負著把從牽引變電所獲得的電能直接傳送給列車使用的重要任務。接觸網由接觸線、吊弦、承力索、彈性吊索、支柱、回流線、正饋線組成。接觸線通過吊弦懸吊在承力索之上，接觸線直接與受電弓相接觸，傳送電能至列車，保證列車的高速、平穩(wěn)運營[2]。接觸網的大幅垂直振動會影響接觸線與受電弓之間電能的傳輸，導致列車無法正常運營，嚴重時甚至會導致接觸線偏離受電區(qū)域，產生刮弓乃至列車傾覆的重大安全事故，對乘客的人生財產安全構成嚴重威脅。

舞動是一種產生在露天導線等懸索結構中風致形成的豎向大振幅、低頻率的振動，其特點是觸發(fā)風速低，且持續(xù)時間長、振幅遠大于導線自身直徑(為導線的5～300倍)、振動頻率較低(頻率為0.1～3 Hz)[3]。電氣化鐵路接觸網舞動災害是我國近年來電氣化鐵路運營中觀測到的一種嚴重的風致災害。例如2011年洛襄線構林至鄧州段內接觸網覆冰后發(fā)生劇烈舞動，接觸網上下振幅約500 mm，水平振幅約200 mm，覆冰厚度為3～5 mm。災害導致該段接觸網損毀嚴重，兩輛列車被迫停運[4]。

雖然接觸網舞動問題已經引起了國內外不少學者的關注，但由于接觸網舞動問題自身的復雜性，當前仍有許多問題沒有得到解決。

1 接觸網舞動形成的因素

1.1 接觸線截面影響

為了懸掛方便，接觸線采用八字形的獨特截面形式，截面上的凹槽對其所受氣動力特性影響較大所表現(xiàn)出的氣動力失穩(wěn)現(xiàn)象也最為典型[5]；另外，長期與受電弓相接觸，會導致接觸線不同磨損[6]，由此產生的截面形狀改變都對接觸網舞動形成產生不同程度的影響。

1.2 覆冰影響

接觸網舞動記錄表明[4,7-8]：舞動易發(fā)生在覆冰后的線路上，接觸網產生舞動時，其覆冰厚度為3～5 mm。為了研究覆冰對舞動的影響，已經有許多學者模擬導線的凝冰機理，得到典型的覆冰截面形狀(新月形、扇形、D形、水滴形)[3]。

1.3 線路結構與參數(shù)的影響

接觸網有簡單鏈型、彈性鏈型、復鏈型三種懸掛方式。復鏈型懸掛結構形式較為復雜，我國現(xiàn)有電氣化鐵路未采用該種懸掛類型[2]。

接觸網懸掛類型、接觸線預加張力、柱距、吊弦間距等參數(shù)對接觸網舞動是否會產生影響以及影響程度都有待進一步研究。

2 舞動的機理研究

在舞動機理研究中主要考慮的幾個重要問題：計算模型的建立；計算模型的簡化以及自由度的選擇；阻尼模型的選??；對所建立方程的求解。舞動機理研究是一個不斷發(fā)展的進程，從一開始的單自由度模型到后來的多自由度模型，目前舞動研究中比較常用的還是使用集中質量法將細長導線簡化為單質點計算模型的鄧哈托垂直激發(fā)理論和尼格爾扭轉振動理論。

2.1 鄧哈托垂直激發(fā)理論[9]

美國的鄧哈托在1932年首先在理論上闡述了導線舞動發(fā)生的內在機理。他提出，覆冰輸電線在強風中會發(fā)生低頻率、大振幅的舞動現(xiàn)象，這種現(xiàn)象與高頻率小振幅的微風振動現(xiàn)象有著本質上的不同。并且證明了舞動是由氣動力不穩(wěn)定性所引起，當升力曲線的負斜率比阻力曲線的幅值大時出現(xiàn)不穩(wěn)定性。鄧哈托通過集中質量法將大跨度單導線簡化為單自由度集中質量模型。建立了氣動力方程[9]

(1)

其中系統(tǒng)的總阻尼由機械阻尼項和氣動阻尼項所組成

(2)

根據鄧哈托理論，當

(3)

結構總阻尼有小于0的可能，即結構有產生舞動的可能，因此鄧哈托判定可作為舞動的必要條件。

在鄧哈托理論的構架下，式(3)只是舞動產生的必要條件，并不能作為充分條件，其原因是因為總阻尼項中機械阻尼項的不明，因而無法確定總阻尼是否小于0。并且，由于鄧哈托理論完全是建立在單自由度運動方程的基礎之上，對實際情況做了較大的簡化，會產生與實際不符的計算結果。因此，嚴格意義上講鄧哈托垂直激發(fā)理論只能對舞動現(xiàn)象做出定性的描述，不能做定量的分析。

2.2 尼格爾扭轉振動理論[10-11]

1979年，加拿大的尼格爾在進行了大量風洞試驗的基礎上，推出了覆冰導線舞動扭轉激勵理論，對鄧哈托判定作出了有效補充。通過理論推導結合試驗分析得出結論：導線扭轉方程中扭轉方向的氣動阻尼小于0且絕對值大于扭轉方向的機械阻尼時，系統(tǒng)在扭轉向不穩(wěn)定，導致扭轉方向的扭轉持振，且當導線的扭轉自振頻率與垂直方向自振頻率近似吻合時，會導致舞動現(xiàn)象。

同鄧哈托一樣，尼格爾仍然采用集中質量法建立單根導線的氣動力方程[11]

(4)

不同的是，尼格爾將鄧哈托方程中的未知量補充加入了沿導線徑向的扭轉角。尼格爾扭轉振動理論是對鄧哈托垂直激發(fā)理論很好的補充，但其局限是其計算模型仍然對實際情況做了很大的簡化處理。

3 電氣化鐵路接觸網舞動的研究

3.1 國外接觸網舞動研究

2003年，英國的M.T.Stickland等從鄧哈托理論中的氣動阻尼和機械阻尼分別入手研究發(fā)生在蘇格蘭的接觸網舞動現(xiàn)象[6,12]。在氣動阻尼研究中，他們利用高頻測力天平對一系列的接觸線截面形狀(包括接觸線頂部有凹槽沒有凹槽、接觸線底部有無磨損等)的導線模型進行風洞剛體測力試驗，測量計算出了一系列對應的鄧哈托系數(shù)，并且假設了接觸網系統(tǒng)的阻尼比為0.1，變換了鄧哈托方程中的阻尼項，得出了臨界風速計算公式[6]

(5)

在設定式(5)中系統(tǒng)總阻尼d為0(d<0時系統(tǒng)會發(fā)生不收斂的簡諧振動，即舞動)作為臨界值后，計算出了系統(tǒng)的舞動臨界風速。

在機械阻尼的研究中，他們對接觸網進行了縮尺模型試驗，成功通過設置在接觸網模型上的電壓裝置測量出接觸線模型自由振動后的豎向位移的變化，進而利用結構動力學中自由衰減振動阻尼比計算的公式算出了接觸線上5個測試點的平均阻尼比為0.05。在接觸網模型上設置了人造阻尼器后，運用同樣的試驗方法測出了接觸網模型的平均阻尼比接近0.1。根據鄧哈托判定臨界風速計算式，加設阻尼器裝置后的接觸網模型的起舞臨界風速為自然狀況下的2倍。并且將此阻尼器加設到一組現(xiàn)場測試的接觸網上，通過1年的觀測，未觀測到任何舞動現(xiàn)象。

M.T.Stickland的研究著重對電氣化鐵路接觸網這一特殊索網結構的舞動現(xiàn)象進行了深入的研究。其成功之處在于，首先通過變換了鄧哈托動力方程結合試驗測量出系統(tǒng)阻尼比的方法，成功計算出系統(tǒng)的舞動臨界風速，在鄧哈托判定的框架下將其從舞動的必要條件轉變?yōu)槲鑴拥某湟獥l件；其次從調整系統(tǒng)機械阻尼入手，增大了接觸網舞動的臨界風速，大大提高了系統(tǒng)氣動力穩(wěn)定性，減少了舞動現(xiàn)象的發(fā)生，為接觸網舞動災害防治提供了很好的解決辦法。但他們的風洞測力試驗中沒有考慮到雷諾數(shù)的相似原理，且沒有對覆冰條件下接觸網舞動展開研究。并且他們的研究仍然是建立在傳統(tǒng)舞動理論即鄧哈托判定之上的，對實際接觸網舞動現(xiàn)象發(fā)生時復雜的力學狀況沒有給出更進一步的解釋。

3.2 國內接觸網舞動研究

班瑞平[8]記載了我國電氣化鐵路京廣線上發(fā)生的兩次接觸網舞動現(xiàn)象，并且結合工程實踐，提出了鐵路沿線種植防護林防治接觸網舞動的措施。曹樹森、孫立金等[13-14]通過數(shù)值模擬的方法，利用通用有限元軟件ANSYS對我國電氣化鐵路接觸網的風振響應進行了數(shù)值模擬分析。李榮帥等[15]對電氣化鐵路接觸網自振特性及橫向風振動力在通用有限元ABAQUS軟件中進行了有限元計算分析。

2012年，謝強等[5,16]結合我國電氣化鐵路接觸網實際情況，開展了一系列的舞動研究。他們利用高頻測力天平對無覆冰與覆冰情況下接觸線截面按2∶1的縮尺模型進行剛體測力風洞試驗，完整地測出了-90°～90°風攻角下的氣動力三分量系數(shù)；并利用鄧哈托判定分析了接觸線模型的舞動穩(wěn)定性，得出了八字形接觸線截面上部的凹槽對氣動力系數(shù)影響明顯，易導致氣動力失穩(wěn)，產生舞動的結論。

3.3 接觸網防舞措施的研究進展

前已述及，M.T.Stickland等[12]結合蘇格蘭鐵路接觸網系統(tǒng)開發(fā)出了一種以加大接觸網體系機械阻尼為原理來防治接觸網舞動的裝置。該裝置附加在接觸網的支架腕臂上，以增加接觸網機械阻尼為原理，提高舞動發(fā)生的臨界風速，試驗表明，該阻尼器可以有效地增加接觸網的機械阻尼(增幅近2倍)，并通過加設在試驗接觸網線路上進行一年的測試，未發(fā)現(xiàn)舞動現(xiàn)象，取得了成功，值得國內廣大致力于接觸網舞動的研究人員借鑒。

張寶奇[17]結合實際舞動現(xiàn)場防治經驗，提出了一種以限制接觸網扭轉為目的的附加懸掛加裝防振錘的防舞方法，但該方法還需要進一步在實際接觸網舞動現(xiàn)場中驗證。謝強等[18-19]結合我國電氣化鐵路接觸網設計施工條件，開發(fā)出彈性吊弦阻尼器和接觸網自張力抗風裝置的兩種防治接觸網舞動的設備。彈性阻尼吊弦阻尼器的原理是增加吊弦阻尼，而吊弦連接著接觸線和承力索，從而增加了整個接觸網系統(tǒng)的機械阻尼，起到抑制接觸網舞動發(fā)生的作用；接觸網自張力抗風裝置以斜向交叉張拉的形式加設在上下行接觸網之間，通過交叉中心點處的自張力阻尼器限制上下行接觸網的相對位移，從而達到抑制接觸網舞動產生的目的。但由于種種原因，目前這兩項專利都未能在實際電氣化鐵路工程中推廣。

4 存在的問題及研究方向

當前電氣化鐵路接觸網舞動研究方面主要存在以下問題有待研究解決。

第一，現(xiàn)有的舞動理論大多對實際情況作了不可忽視的簡化，其計算結果尚且不能滿足工程精度的需要，對舞動機理性的研究有待進一步深入。

第二，接觸網作為一種特殊的索網結構，其舞動與一般單根導線有所不同?，F(xiàn)有國內外的接觸網舞動研究大多研究對象只針對單根接觸線，而忽視了接觸網結構中吊弦、承力索等對舞動的影響。

第三，考慮到當前接觸網舞動記錄的局限以及現(xiàn)場舞動試驗數(shù)據的匱乏，通過風洞氣彈性試驗對接觸網縮尺模型進行舞動研究較為可行。

第四，當前接觸網防舞裝置的研究還不能滿足工程需要，亟待研究人員結合我國電氣化鐵路接觸網實際情況進行研究，針對性地開發(fā)防舞裝置并進行測試以最終投入使用。

第五，隨著計算機技術的日益強大和大型通用有限元軟件的不斷發(fā)展，利用有限元計算模擬接觸網舞動及防治措施的研究工作已經全面深入展開，考慮到現(xiàn)有舞動理論的缺陷，數(shù)值計算的結果值得期待。

5 結論

當前國內外對鐵路接觸網舞動的研究尚不成熟，舞動機理的研究工作雖已經形成了一些有著實際意義的理論，但這些理論大多對實際情況作出了不可忽視的簡化，并不能準確的預測舞動的發(fā)生。然而，這些理論對舞動現(xiàn)象的定性意義重大，在這些理論的基礎上，大量防舞措施有待在鐵路接觸網運行中付諸實際，在鐵路接觸網舞動災害的防治中擔當重任。此外，目前已經對接觸網舞動的數(shù)值計算模擬展開了廣泛的研究，相較于已經形成的作出較大簡化的舞動理論，數(shù)值計算技術的發(fā)展值得期待。

隨著我國當前電氣化鐵路建設的蓬勃發(fā)展以及電氣化鐵路技術走出國門、走向世界的巨大成就，近年來電氣化鐵路接觸網舞動出現(xiàn)的頻率越來越高，需要引起社會各方各面大力關注，共同防治接觸網舞動災害，為電氣化鐵路安全、穩(wěn)定運營提供保障。鑒于當前電氣化鐵路接觸網舞動理論和防舞設備都還不夠成熟，因此，還需要研究人員進一步深入的探討和研究，以確保電氣化鐵路運營的安全穩(wěn)定。

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Researches on Wind-induced Galloping of Electric Railway Catenary

ZHANG Hao1， XIE Qiang2

(1.Department of Structural Engineering， Tongji University， Shanghai 20092， China;2.State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 20092， China)

In order to deal with the disaster-prone wind-induced electric railways catenary galloping， a series of domestic and international literature about catenary galloping are summarized. Some results are as follows. The underlying causes of galloping are so complicated that the existing galloping theories can not be used to for accurate and quantitative analysis of catenary galloping. The development of anti-galloping devices to suppress catenary galloping is a feasible way. Finite element simulation analysis may provide a new approach for the study of catenary galloping. Finally， the remaining problems about catenary galloping are addressed and further research details and methods are proposed.

Electric railway; Catenary; Galloping; Wind; Experimental investigation

2014-11-17；

2014-12-21

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(J2011J006)； 中央高?；A研究資助項目(2011TJ11021)

張 昊(1987—)，男，碩士研究生，E-mail：dj0520@yeah.net。

1004-2954(2015)09-0145-04

U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.09.032