高铁弓网异常故障综合分析方法的研究与实践

顾 涛 上海铁路局供电处

1 引言

弓网系统是高铁轮轨和弓网两大基础动态耦合系统之一，动车组的高速运行对弓网关系提出了更高的要求。当发生弓网故障时，在一定的专业技术知识和运行经验基础上，运用科学、缜密的推理分析方法，能够推断出弓网故障原因，及时找到故障点，避免衍生故障发生。

2 高铁弓网异常故障分析流程

2.1 概念引入

高铁弓网运行中，弓网设备质量及其匹配关系、线路的质量状态和环境条件等均会引发弓网故障。对于接触网未跳闸停电且弓网设备损坏不明显的弓网异常事件，根据已知信息难以迅速判断故障点并采取隔离措施，如受电弓异常磨痕、接触网异常刮擦、弓网拉弧等；此类事件具有较强的隐蔽性、断续性、离散性，尚未造成中断运输的影响，事件原因分析相对较难。本文将此类事件统称为弓网异常故障，针对其特点提出综合分析的思路和方法。

2.2 分析流程

弓网异常故障的分析既要采用受电弓和接触网技术原理分析的方法，还需引入统计归纳、逻辑推理、故障树演绎（FTA）法分析以及动静态试验验证分析的方法。分析流程如图1所示。

3 高铁弓网异常故障案例分析

2013年4月至7月，上海铁路局供电部门陆续接到车辆部门发现动车组受电弓异常故障11起。为防止恶性弓网事故发生，供电处迅速组织各弓网联控单位联合开展故障原因排查。笔者结合该案例的分析经过，详细介绍弓网异常故障综合分析方法在实际中的应用。

图1 故障分析流程图

3.1 现场勘查

如图2所示，受电弓异常刮擦位置均在动车组运行方向受电弓碳滑板右侧端头的部位、弓角均异常磨损、受电弓上臂均偏离中心线向运行方向的左侧偏斜，受电弓碳滑板和弓角右侧较左侧略有抬高。

图2 CRH380BL动车组故障受电弓图

3.2 故障特征及技术分析

从故障动车组统计分析：故障动车组均为CRH380BL车型、受电弓均为法维莱厂家生产的CX-PG型受电弓；异常磨损的受电弓均为7车或15车受电弓；故障动车组受电弓更换后故障未重复出现、运行路径涉及较广且在同一路径同一车次故障重复率低。

从受电弓故障现象分析：受电弓无明显击打痕迹，推断上臂偏斜为受电弓受到持续横向作用力的结果并与接触网部件相磨形成异常磨痕。受电弓上臂偏斜与碳滑板磨痕故障同时发生，可判断非接触网零部件单点击打所致。

从弓、网相对位置参数分析：受电弓碳滑板宽度1560 mm，若工作支接触线因拉出值过大，与动车组受电弓发生横向力作用，则接触线拉出值至少要达到780 mm以上才能与碳滑板端部接触，与接触网高速动检车检测结果相矛盾。

从接触网结构分析：碳滑板端头受到横向作用力可能发生在两支接触线共同作用的处所，如锚段关节、线岔处。因接触网锚段关节在转换柱、中心柱处两接触线水平距离正常值为200 mm，且高速动车检测数据表明正线接触网参数均正常，推断能够对受电弓施加横向作用力同时并与受电弓端头相磨的处所应为接触网线岔处。故接触网无交叉线岔是排查重点。

从受电弓结构分析：接触网在受电弓动态包络线范围内无任何障碍影响受电弓运行，且受电弓碳滑板端头处弓角高于滑板使得接触线顺利过渡到碳滑板，发生碳滑板端头与接触网的异常作用力情况，应对碳滑板高度及其在动态受力情况下的抬升量进行重点检查。

3.3 建立弓网异常故障树模型

由于故障树模型对导致故障的各种原因及逻辑关系能做出全面、简洁、形象地描述，引用故障树演绎分析法来推导故障原因。结合3.2中推论假设条件，确定省略事件后绘制故障树（如图 3）。

图3 受电弓故障树图

3.4 故障事件排查

根据故障树图可知，应从接触网和受电弓两个方面分别对可能引起弓网异常故障的基本事件展开排查。

3.4.1 接触网事件排查

假设管内接触网存在固定打弓点，该点应位于故障动车组运行径路的交集处。经统计知，所有运行径路的交集为京沪高铁崔马庄线路所至南京南站间下行线，且大部分故障动车组在徐州东、南京南和上海虹桥站停车。那么打弓点应存在于此三个车站中某车站的无交叉线岔处，动车组在该点所在车站必然存在同股道运行径路。经分析，故障动车组在此三个车站处任一站均无交集，推断打弓点不存在。

供电部门对各站接触网进行现场测量检查，接触网几何参数均满足设计要求且始触区无除吊弦线夹以外的任何线夹类金具，联合相邻铁路局对京沪高铁其他区段接触网进行测量检查均未发现异常。

分析得出若接触网设备存在打弓点，应存在固定的、连续性的打弓现象，与动车组停站股道的不确定性、受电弓故障的不重复性以及上线检查结果均相矛盾。

3.4.2 受电弓事件排查

车辆部门对受电弓上臂、碳滑板抬升量检查均未发现异常。经了解知，2012年CRH380BL型动车组运行时曾发生受电弓弓头和上臂连接点处与接触网之间存在间歇性摩擦现象。为此，动车组厂家对全路所有CRH380BL型动车组受电弓均进行了改造，将受电弓滑板垫高14.5 mm，改造后受电弓上臂连接点磨损现象消除。

推断在动车组改造后，受电弓碳滑板高度被抬高，弓角高度并未同步抬升，初步分析碳滑板抬高14.5 mm改变了受电弓轮廓线的尺寸，不满足《TB/T 3271-2011》要求，而接触网的技术参数并未改变，导致了近期弓网关系的不匹配。

改造后的受电弓在前期运行时，由于新弓弓角的高度略高于碳滑板的高度，在经过无交叉线岔侧线进正线时弓角尚能够将正线接触线抬高并顺利过渡到受电弓碳滑板上，不会发生弓网异常故障。但运行一段时间后，随着弓角的磨耗，弓角相对于碳滑板的高度逐渐持平。当受电弓从侧线进正线时，受电弓中心与侧线中心线对应、与正线线路中心线斜交，正线接触线在接触到弓角后被卡在碳滑板右侧铝托板端部，动车组继续前行，造成受电弓受到异常刮擦、受电弓上臂侧向受力向左偏斜。

由于弓角的磨损情况不同、弓网动态关系每次均不相同，导致同一车型同一径路的动车组受电弓异常磨损无规律性，能够解释同型号受电弓同一交路情况下受电弓故障偶发的现象。

3.5 故障分析结果验证

为验证分析结果的正确性，进一步对受电弓、接触网进行对比分析并开展弓网关系匹配试验。

3.5.1 受电弓轮廓线对比分析

如图 4右侧所示，《TB/T 3271-2011》附录 A.2和《EN 50367:2006》附录B.2中1 950 mm弓头轮廓线一致。将EN50367中弓头基准轮廓线（图4右下侧图）中左侧弓头外轮廓线、左侧碳滑板轮廓线与弓头横向中心线叠加在CX-PG型受电弓轮廓线（图4左侧）上部，从重叠情况可以看出，受电弓碳滑板左侧靠近端头处与基准轮廓线未重合且略高于基准轮廓线。另由于CX-PG型受电弓与原型法维莱CX-NG型受电弓相比，CX-PG型碳滑板端头铝托板导角被切除而变短，弓角处接触线平滑过渡的重叠区域变小，导致弓网匹配关系裕度减小。

图4 CX-PG型受电弓弓头轮廓线与基准轮廓线对比图

3.5.2 接触网无交叉线岔结构分析

京沪高铁接触网无交叉线岔处道岔定位柱相对于始触区更靠近道岔闭口侧，动车组在下行线由侧线经过道岔向正线运行时，受电弓先通过始触区后再通过道岔定位点，在始触区处正线接触线比其它高铁更靠近碳滑板端头；而动车组在管内其他高铁区段运行时受电弓先通过接触网道岔定位点后再通过始触区，且始触区更靠近道岔定位柱。故不同的无交叉线岔布置方式，因弓网匹配的裕量不同，对受电弓动态包络线的要求各不相同，能够合理解释动车组在管内其它高铁运行未发生类似故障的原因。

3.5.3 受电弓碳滑板静态抬升试验

对CX-PG型受电弓碳滑板垂向受力时的抬升量进行仿真模拟试验表明：在碳滑板一端施加大于300 N（正常弓网动态接触压力0 N-300 N）的垂直向下的压力时，碳滑板的另一端抬升量微弱（约1 mm-2 mm），可以排除碳滑板因一端垂向受力，导致另一端抬高与接触线相磨的情况。

3.5.4 弓网匹配试验

在徐州东站无交叉线岔处对CX-PG型受电弓和DSA-250双滑板受电弓的弓网匹配关系进行动静态试验表明：受电弓在通过无交叉线岔时，接触网各项技术参均满足通过要求，弓网动态匹配关系良好。CX-PG型受电弓与DSA-250型受电弓相比，碳滑板一端明显缩短50 mm，与京沪高铁无交叉线岔弓网匹配裕量小。CX-PG型受电弓在无交叉线岔第2吊弦处动态运行时，受电弓碳滑板右部端头铝托板与正线接触线存在相磨、卡滞风险。

3.6 故障原因与整改措施

经分析，故障的直接原因为CRH380BL动车组受电弓与京沪高铁无交叉线岔在弓网匹配裕量较小的情况下，车辆部门单方面对动车组受电弓进行了改造，致使弓网匹配裕量更小，随着受电弓弓角动态磨耗的增加，弓网系统匹配关系达到临界点，使得通过无交叉线岔时受电弓在动态情况下正好卡住正线接触线，导致与接触线侧磨并被接触线向左侧挤压，造成受电弓上臂偏斜、碳滑板右侧端头部位和弓角异常磨损。为此，车辆部门迅速在全路范围对CRH380BL/B动车组受电弓采取了修正措施。

4 结束语

虽然从故障现象出发，通过对弓网结构的技术原理分析能判断故障可能发生的地点，并结合动车组运行交路、经停车站及股道交集的分析，综合考虑弓网设计、施工、设备因素，能建立弓网异常故障的故障树模型后对基本事件进行逐项排查，找到故障原因，但是，鉴于故障的偶发性强，只有继续对弓网匹配关系进行源头设计对比和试验验证，通过弓网关系动态演绎过程分析，才能为前期分析提供理论与实践支持，最终确定故障原因。

[1]TB/T3271-2011.轨道交通.受流系统.受电弓与接触网相互作用准则[s].

[2]EN 50367:2006.Rai1wayapp1ications-Currentco11ection systems-Technica1 criteria for the interaction between pantograph and overhead 1ine(to achieve free access)[s].

[3]吴积钦.受电弓与接触网系统.西南交通大学出版社[M].2010年12月.