高仕斌 劉志剛 楊 佳,2
(1.西南交通大學, 成都 610031; 2.中鐵二院工程集團有限責任公司, 成都 610031)
受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)特性決定了高速列車能否可靠運行。目前我國已在350 km/h速度級高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的設計、施工、運營維護上積累了許多經(jīng)驗,但限于理論規(guī)范、試驗數(shù)據(jù)的不足,弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)性能指標制定方面落后于歐洲國家。當列車速度提升至400 km/h時,接觸網(wǎng)系統(tǒng)不僅要面臨速度上50 km/h的提升,還要面臨空氣阻力造成的弓網(wǎng)穩(wěn)定受流指數(shù)的增長。因此,350 km/h速度級高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)驗能否直接適用仍是個未知數(shù)。
高速鐵路線路試驗成本高,難度大,仿真分析方法成為了接觸網(wǎng)系統(tǒng)研究的主要手段。為引領高速鐵路技術的發(fā)展,針對400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的研究,本文提出以下三個研究開展方向:(1)總結350 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)技術體系的研究成果與不足;(2)研究適用于400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的仿真分析手段;(3)結合現(xiàn)有高速鐵路檢測數(shù)據(jù)和沖高試驗數(shù)據(jù),確定相關弓網(wǎng)接觸力評價標準。
400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)研究的首要工作是理清現(xiàn)有350 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)技術體系,主要聚焦在接觸網(wǎng)振動和波動理論、弓網(wǎng)受流質量及評價體系、接觸網(wǎng)系統(tǒng)檢測監(jiān)測手段和高速接觸網(wǎng)零部件體系四個方面。
目前接觸網(wǎng)波動特性指標主要源于德國西門子公司[1]及歐標EN 50119-2020[2],是基于數(shù)學推導、現(xiàn)場試驗和工程經(jīng)驗總結的比較通用的接觸網(wǎng)設計指標,包括波動傳播速度、反射系數(shù)、多普勒系數(shù)、放大系數(shù)以及固有頻率等。該指標在世界范圍通用,也是我國接觸網(wǎng)設計標準[3-4]的主要參考源。
設定接觸網(wǎng)運行速度的主要指標為接觸網(wǎng)的波動傳播速度,根據(jù)運行經(jīng)驗,總結接觸網(wǎng)波動傳播速度與設計速度的關系如表1所示。
表1 接觸網(wǎng)波動傳播速度與設計速度的關系表
接觸網(wǎng)反射系數(shù)用來量化振動波在吊弦等處的反射,反射系數(shù)越小,反射波對弓網(wǎng)受流質量的影響越小,通常認為反射系數(shù)在0.4左右即可滿足要求。多普勒系數(shù)是衡量受電弓前方波動放大效應的重要指標,其值應大于0.15。放大系數(shù)反映了集中質量點(通常為吊弦點)對振動波的連續(xù)反射情況,放大系數(shù)應在0.4~2之間。
弓網(wǎng)受流質量的重要評價指標為弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力。合適的動態(tài)接觸壓力是確保高速列車平穩(wěn)運行的前提條件。列車運行速度的提高和環(huán)境風的影響會加劇受電弓和接觸網(wǎng)之間的振動,從而使接觸線和受電弓間的接觸壓力產(chǎn)生惡化。弓網(wǎng)接觸壓力可以反映在受電弓與接觸線的取流質量上,要使弓網(wǎng)系統(tǒng)保持良好受流,弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力需維持在合適的范圍內(nèi)。
通常用接觸壓力的統(tǒng)計值做指標來評價弓網(wǎng)受流質量,接觸力的常用統(tǒng)計值包括最大值、最小值、平均值以及標準差。國內(nèi)外主要標準對弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計值的相關規(guī)定如表2所示。
表2 國內(nèi)外主要標準中對弓網(wǎng)接觸力的規(guī)定值表
由表2可知:
(1)國內(nèi)外標準均規(guī)定平均接觸力的最大值為 0.000 97v2+70 N。
(2)國內(nèi)規(guī)范對最小平均接觸力均無規(guī)定,歐標EN 50367-2012[5]規(guī)定平均接觸力最小值為0.000 47v2+60 N。
(3)國內(nèi)規(guī)范規(guī)定接觸力最大值為350 N,歐標EN 50119-2020規(guī)定接觸力最大值為400 N。
(4)國內(nèi)外規(guī)范均規(guī)定接觸力最小值應大于0,且接觸壓力統(tǒng)計最小值應滿足式(1)的要求:
Fmin=Fm-3σ>0
(1)
式中:Fmin——接觸壓力統(tǒng)計最小值;
Fm——接觸壓力平均值;
σ——接觸壓力標準差。
從統(tǒng)計學角度講,當接觸壓力統(tǒng)計最小值為正時,弓網(wǎng)離線的概率將不會超過1%。
我國采用高速鐵路供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)(6C系統(tǒng))作為弓網(wǎng)系統(tǒng)檢測的監(jiān)測手段,其中動態(tài)檢測主要是檢測弓網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)性能,包括拉出值、接觸線高度、接觸壓力和燃弧時間等。靜態(tài)檢測主要是檢測高速鐵路接觸網(wǎng)支持裝置零部件的狀態(tài)。
對于評判弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)性能的拉出值、接觸線高度、弓網(wǎng)接觸力和燃弧時間4個檢測量,鐵路部門采用層次分析法確定各項檢測評價量的權重系數(shù),計算關于接觸網(wǎng)動態(tài)性能的綜合指標值(Catenary Dynamic Index)[6-7],用于綜合反映和定量評價接觸網(wǎng)的動態(tài)性能。
目前,基于成像技術的專用接觸網(wǎng)檢測車(以下統(tǒng)稱4C檢測系統(tǒng))已初步應用于高速鐵路接觸網(wǎng)支持裝置零部件的狀態(tài)檢測,但接觸網(wǎng)支持裝置零部件的復雜性和多樣性,給4C檢測系統(tǒng)的應用帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。
我國350 km/h高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)多采用鋁合金制腕臂。其具有重量輕、美觀、防腐性能好等優(yōu)點且方便精確預配和安裝,同時還具有良好的韌性及延展性,抗疲勞、抗振性能也較優(yōu)異。
為方便設計、制造、施工和運維,降低系統(tǒng)壽命周期成本,提高系統(tǒng)的安全性、可靠性、可用性和可維護性,我國對接觸網(wǎng)系統(tǒng)和裝備進行了簡統(tǒng)化設計[8]。簡統(tǒng)化腕臂結構更加簡潔、合理:(1)減少了螺栓數(shù)量,方便安裝,采用輕型鉸接非限位弓形結構定位器,弓網(wǎng)匹配好,提升了安全裕度;(2)采用銷軸鉸接式與定位底座連接,腕臂支撐、定位管支撐采用實心型材,簡化了結構和工藝,提升了可靠性;(3)對整體吊弦、中心錨結、終端錨固線夾、下錨、彈性吊索線夾、電連接裝置及線岔的技術條件進行了體系化確立。簡統(tǒng)化腕臂結構示意如圖1、圖2所示。
圖1 簡統(tǒng)化腕臂結構和定位裝置正定位示意圖
圖2 簡統(tǒng)化腕臂結構和定位裝置反定位示意圖
10余年來,我國高速鐵路建設成果斐然,但仍存在理論體系落后于工程經(jīng)驗的問題,尤其是在標準制定方面,仍以歐標作為參考模板。現(xiàn)有高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的短板主要有以下幾方面:
(1)雙弓-網(wǎng)系統(tǒng)的振動和波動理論尚不成熟。
(2)弓-網(wǎng)系統(tǒng)離線行為及其對受流質量的影響不明晰。
(3)缺乏弓網(wǎng)系統(tǒng)高頻參數(shù)檢測體系化手段。
(4)接觸網(wǎng)零部件損傷機理不明確。
(5)現(xiàn)有標準基于歐標,缺乏高速弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)評估標準。
因此,我國亟需補足350 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)體系的技術短板,建立400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)理論體系,形成400 m/h高速鐵路的中國標準。
既有弓網(wǎng)數(shù)學模型主要針對350 km/h及以下速度,當列車速度超過350 km/h時,需著重考慮以下因素對弓網(wǎng)動態(tài)性能的影響:
(1)受電弓超高速運行時,接觸網(wǎng)的振動更加劇烈,接觸線、承力索和彈性吊索的幾何非線性影響更加顯著,數(shù)學模型需精確描述其大變形的幾何非線性。
(2)傳統(tǒng)索單元無法考慮線索的彎曲剛度,超高速運行時,線索的色散效應更加明顯,數(shù)學模型需精確描述接觸網(wǎng)線索的彎曲剛度。
采用ANCF梁單元模擬接觸線和承力索發(fā)生大變形時的幾何非線性和彎曲剛度[9-10],采用非線性桿單元模擬吊弦工作在不同伸縮狀態(tài)表現(xiàn)出的不光滑非線性。借鑒土木工程中的結構找形方法計算接觸網(wǎng)的初始形態(tài),基于非線性有限元過程求解弓網(wǎng)的動態(tài)行為,建立的接觸網(wǎng)模型如圖3所示。所采用的受電弓模型為常用的三自由度歸算參數(shù)模型,弓網(wǎng)之間的交互作用采用罰函數(shù)方法進行描述,如圖4所示。
圖3 接觸網(wǎng)非線性有限元模型土圖
圖4 受電弓三自由度歸算參數(shù)模型圖
為驗證弓網(wǎng)仿真模型的準確性,基于Bruni等人[11]總結的弓網(wǎng)仿真軟件計算結果及歐標EN 50318-2018[12],通過多個仿真算例驗證靜態(tài)找形結果和動態(tài)結果的正確性。模型驗證結果如表3、表4所示。
表3 靜態(tài)結果驗證表
從表3、表4可以看出,各項靜、動態(tài)結果均符合標準規(guī)定。
表4 動態(tài)結果驗證表
基于400 km/h接觸網(wǎng)系統(tǒng)初步設計結果,建立弓網(wǎng)模型仿真驗證速度 400 km/h及速度 440 km/h時的弓網(wǎng)動態(tài)特性。接觸網(wǎng)參數(shù)如表5所示,受電弓選用SSS400+型受電弓。按照EN 50318-2018與TB 10009-2016要求進行數(shù)據(jù)處理(20 Hz低通濾波)。
表5 接觸網(wǎng)參考模型基本參數(shù)表
仿真結果全局接觸壓力統(tǒng)計值如表6所示,錨段關節(jié)接觸壓力統(tǒng)計值如表7所示。
表6 全局接觸壓力統(tǒng)計值表
表7 錨段關節(jié)接觸壓力統(tǒng)計值表
由表6、表7中可知,在現(xiàn)行數(shù)據(jù)處理標準下,接觸網(wǎng)優(yōu)化設計方案可滿足SSS400+型受電弓400 km/h和440 km/h的單弓運行要求,可滿足SSS400+型受電弓400 km/h下的雙弓運行要求,表現(xiàn)在:
(1)400 km/h和440 km/h時,全局接觸網(wǎng)、錨段關節(jié)位置的前弓接觸力統(tǒng)計指標值均符合相關要求,但隨著運行速度的增加,最大接觸力、平均接觸力、最小接觸力、接觸力標準差、定位器最大抬升量均出現(xiàn)顯著升高趨勢,可能會導致受電弓磨損加劇、拉弧頻繁,引發(fā)電氣安全事故,因此對于400 km/h以上接觸網(wǎng),應考慮納入輔助評估指標,避免將接觸力作為唯一評估標準。
(2)28 kN/36 kN張力方案的理論最大運行速度為411 km/h,與440 km/h的運行速度之間存在矛盾。現(xiàn)行標準規(guī)定20 Hz低通濾波僅限定于350 km/h以下的運行狀態(tài),對于400 km/h及以上的弓網(wǎng)系統(tǒng),現(xiàn)行標準所得評估結果的可靠性無法驗證。
由上述400 km/h級接觸網(wǎng)分析結果可知,采用國內(nèi)外現(xiàn)行弓網(wǎng)系統(tǒng)評價標準(20 Hz低通濾波)對400 km/h及以上的弓網(wǎng)系統(tǒng)進行評價時,評估結果與經(jīng)驗標準均存在較大差異(極限運行速度>接觸網(wǎng)波動速度×0.7)。因此需提出適用于400 km/h的接觸力評價標準。
以歐標EN 50318-2018為例,該標準提出的20 Hz濾波閾值特別指出:“濾波范圍應包含吊弦間距相關頻率和跨距相關頻率”。對于350 km/h及以上弓網(wǎng)系統(tǒng),吊弦相關頻率已上升至20 Hz以上范圍(如圖5所示)。因此,現(xiàn)行數(shù)據(jù)處理標準不僅無法滿足400 km/h及以上弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)性能評價的需求,還會造成評價結果可靠性的下降。
圖5 弓網(wǎng)系統(tǒng)運行速度與截止頻率關系圖
基于現(xiàn)有標準及相關研究,本文提出3種新型弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)性能評價標準(如表8所示),分析不同標準下所得接觸力是否滿足400 km/h及以上運行要求,探索匹配于400 km/h及以上弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸力評價標準。其中,截止間距為標準中20 Hz采樣頻率下運行速度對應的采用間距。
表8 3種400 km/h弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸力評價標準方案表
分別采用上述3種方案對仿真結果重新評價,結果如表9所示。
表9 接觸壓力統(tǒng)計值表
由表9可知:
(1)在方案Ⅰ、方案Ⅱ兩種新型評價標準下,接觸網(wǎng)設計方案仍可滿足400 km/h下的雙弓運行要求,表現(xiàn)為前、后弓接觸力統(tǒng)計指標均在許可范圍內(nèi)。
(2)在3種新型評價標準下,接觸網(wǎng)設計方案可滿足440 km/h下的單弓運行要求,表現(xiàn)為前弓接觸力統(tǒng)計指標均在許可范圍內(nèi),但后弓統(tǒng)計值存在負值。
(3)在3種新型評價標準下,接觸網(wǎng)設計方案無法滿足440 km/h及以上雙弓運行要求,表現(xiàn)為前、后弓統(tǒng)計指標存在負值。
(4)采用新型接觸力評價標準對弓網(wǎng)系統(tǒng)的極限運行速度進行評估,所得結果與經(jīng)驗標準(接觸網(wǎng)波動速度×0.7)接近,具有一定可靠性。
400 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)代表全球高速鐵路接觸網(wǎng)研究的最高水準,是建立成套400 km/h高速鐵路理論體系的重要一環(huán),需要把能代表中國最高水平的新材料、新技術、新工藝、新工法、新體系等最新成果展現(xiàn)出來。本文總結了350 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)技術的成果及短板,探討了仿真手段對400 km/h的適應性并對其評價標準提出了建議。對于400 km/h高速接觸網(wǎng)系統(tǒng),今后還需進一步健全其理論體系,形成400 m/h高速鐵路的中國標準,進一步探討現(xiàn)有弓網(wǎng)仿真方法對400 km/h的適應性,并結合400 km/h運行速度的高速高頻特點,進一步研究新的接觸力評價標準。