从弓网故障谈修订弓网关系相互作用准则的必要性

刘再民 赵朝蓬



从弓网故障谈修订弓网关系相互作用准则的必要性

刘再民 赵朝蓬

摘 要：通过剖析一典型连续性高速铁路弓网关系异常故障案例，分析受电弓、接触网在动态中的相互耦合关系，在错综复杂的弓网运行环境中挖掘出弓网故障形成的根本原因，结合运行经验，对修改铁标、建立我国特色弓网关系准则提出建议意见。

关键词：高铁；弓网关系；准则；修订；建议

刘再民：中国铁路总公司运输局，高级工程师，北京100844

0　引言

高铁弓网系统运行过程中，无论是接触网悬挂类型、接触线的平滑性，以及线路的平顺性和环境条件，还是动车组受电弓的动力学特性、滑板状态、滑板轮廓与接触网的匹配等，都会对弓网系统的正常运行产生影响，进而发生弓网故障。

针对京沪高铁动车组受电弓弓角异常磨损故障，通过弓网技术分析、统计归纳分析、逻辑推理分析、故障树演绎（FTA）分析以及现场试验验证等综合分析方法，在错综复杂的弓网运行环境中挖掘出了故障形成的原因并采取改进措施，避免了故障再发。

高速动车组运行对弓网系统耦合关系提出了更高要求，本文通过京沪高铁弓网关系异常故障案例，分析受电弓、接触网在动态中的相互关系与作用，对照《轨道交通受流系统 受电弓与接触网相互作用准则》（TB/T3271-2011），并结合运行经验，对修改该铁标的必要性及内容提出建议。

1　京沪高铁弓网异常故障案例介绍

自2013年以来，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弓角异常磨损且受电弓上臂偏斜故障11起。故障发生后，车辆部门对故障动车组进行了扣车处理并采取整组更换受电弓的措施。为确保动车组和接触网安全运行，防止恶性弓网事故发生，中国铁路总公司运输局组织全线弓网联控单位迅速联合展开了故障原因初步分析、跟踪、排查及扩大分析，直至最终解决问题。

图1　CRH380B L动车组故障图

2　弓网异常故障及原因分析

2.1故障现象

如图1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，受电弓上臂均偏离中心线向运行方向的左侧偏斜（图左），弓角异常磨损（图右），受电弓碳滑板和弓角右侧较左侧略有抬高。

2.2故障特征及技术分析

2.2.1故障特征

故障统计情况显示，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，多数发生在15车受电弓（下行运行时的后弓），且故障受电弓已积攒一定的运营里程，故障动车组受电弓更换后故障不重复出现。故障动车组运行路径涉及京沪高铁全线及相关枢纽。

2.2.2技术分析

（1）从故障受电弓特征分析，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后果并与接触网部件相磨形成异常磨痕。由于受电弓上臂偏斜与碳滑板磨痕故障同时发生，可判断应非单点击打所致。

（2）从受电弓与接触线作用效果分析，CRH380BL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（正常值为300±30 mm）以上才能与碳滑板端部接触，若接触线拉出值达到780 mm，运行时会立即发生钻弓、拉网现象，故排除运行中单支接触线与受电弓作用的情况。

（3）从接触网结构分析，受电弓碳滑板端头受到横向作用力的处所，可能发生在2支接触线共同作用的锚段关节、线岔等处。因接触网锚段关节处两接触线位于受电弓中部，无法与受电弓碳滑板端头接触，故无交叉线岔（京沪高铁大都采用无交叉线岔）是接触网排查的重点。

（4）从受电弓结构分析，受电弓动态包络线动态抬升量为150 mm，左右摆动量直线区段为250 mm、曲线区段为350 mm，正常情况下接触网在受电弓动态包络线范围内应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以便将接触线顺利过渡到碳滑板上完成弓网取流。因此，对于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。

2.3故障事件排查

建立故障树模型后，根据弓网异常故障树图可知，应从接触网和受电弓两方面分别对可能引起弓网故障的基本事件展开排查。

2.3.1接触网事件排查

（1）接触网故障区段分析。假设接触网存在固定打弓点，那么该点应位于故障动车组运行径路的交集处。所有故障动车组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站、南京南站和上海虹桥站停车。所以打弓点应存在于此3个车站中某车站的无交叉线岔处，动车组在该点所车站必然存在同股道运行径路。经排查，故障动车组在徐州东、南京南、上海虹桥出站处任一站均无交集，则固定打弓点不存在，上述假设不成立。

（2）接触网设备技术参数测量。根据受电弓故障信息，上海局对所有运行径路的高铁车站接触网技术参数进行全面复测，均未发现接触网技术参数超标，全部符合设计要求。联合相邻铁路局对京沪高铁其他区段接触网进行全面测量，也未发现异常。

（3）接触网线岔检查。对京沪高铁车站接触网线岔进行排查，发现徐州东、南京南、常州北站的侧线进入正线的18号道岔配套的无交叉线岔处的正线接触导线侧面有刮擦痕迹，初步判断为受电弓弓角刮擦造成。

2.3.2动车组受电弓事件排查

根据故障动车组均为 CRH380BL 车型、受电弓均为法维莱厂家生产的 CX-PG 型受电弓的情况，以该车型受电弓与其他车型受电弓（如 DSA380受电弓）进行技术参数对比为思路开展排查。

（1）动车组受电弓设备检查。故障发生后，车辆部门对受电弓上臂、碳滑板抬升量检查均未发现异常。

（2）受电弓局部改造。经进一步了解，2012年上海局 CRH380BL 型动车组在沪杭高铁运行时多次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，且供电部门检查接触网无异常。为此，动车组厂家唐车公司制定了整改方案，把受电弓滑板垫高14.5 mm（弓角未同步垫高）。在装车试运行1个月后，对所有 CRH380BL 型动车组受电弓均进行了改造，改造后受电弓上臂连接点磨损现象消除。

（3）受电弓排查结论。CRH380BL 车型改造后，CX-PG 型受电弓碳滑板的高度有所抬高，弓角的高度并未同步抬升，碳滑板抬高14.5 mm 改变了受电弓轮廓线的尺寸，不满足铁标中关于受电弓轮廓线的要求，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（受电弓改造前从未发生类似问题）。

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，且不会发生弓网故障。 但受电弓运行一段时间后，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，正线接触线被卡在碳滑板右侧铝托板端部，造成受电弓受到异常刮擦、受电弓上臂侧向受力向左偏斜。 同时，造成正线接触网导线侧面出现异常刮擦痕迹。

2.4故障分析结果验证

为验证上述分析结果的正确性，中国铁路总公司运输局进一步对京沪高铁无交叉线岔、CX-PG 型受电弓技术参数进行了全面对比分析并组织开展了弓网关系匹配试验。

2.4.1CX型受电弓轮廓线对比分析

根据《轨道交通 受流系统 受电弓与接触网相互作用准则》（TB/T3271-2011）附录 A.2受电弓弓头的推荐轮廓，长度为为1950 mm 的受电弓弓头尺寸，与欧标UIC608附4a 规定的尺寸一致，国内各车型受电弓均按此设计、生产。

京沪高铁接触网设计时只针对DSA380受电弓进行了弓网仿真，原因是开通阶段只有 DSA380受电弓的相关参数，而后续上线的法维莱 CX-PG 型受电弓的相关参数一直未开放、未进行弓网动态仿真，法维莱 CX-PG 型受电弓与接触网匹配性需要进一步研究。

将CX-PG型受电弓中轴线与外侧轮廓线（图2）与欧标《BS EN50367-2006》受电弓轮廓线（图3）叠加对比分析（图4）可以看出CX-PG型受电弓碳滑板略高于欧标轮廓线。

图2　法维莱CX-PG型受电弓轮廓线（单位：mm）

图3　欧标《BS EN50367-2006》受电弓轮廓线（单位：mm）

图4　CX-PG型受电弓轮廓与《欧标》轮廓线对比图（单位：mm）

国内 CX-PG 型受电弓与欧洲原型法维莱 CX-NG 型受电弓受电弓碳滑板相比，CX-PG 型受电弓碳滑板铝托板部分被切除而变短，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。

经实测，法维莱1950 mm 型受电弓滑板长度比DSA380受电弓滑板两端各短50 mm（图5）。

图5　CX-PG 型受电弓与 DSA380受电弓滑板对比照片

综上所述，可以发现 DSA380受电弓、法维莱1950 mm 型受电弓在滑板端部与弓角的配合上不尽相同，其中法维莱1950 mm 型受电弓的配合尺寸最为紧张。

2.4.2京沪高铁接触网无交叉线岔结构分析

京沪高铁无交叉线岔平面布置结构如图6所示，接触网道岔定位柱距理论岔心5.8 m，相对于始触区更靠近道岔闭口侧，始触区1050 mm 处距定位柱约15～18 m，道岔定位柱处侧线拉出值为 +400 mm，正线拉出值为 +350 mm。

与国内其他高铁接触网无交叉线岔结构相比，CRH380BL 动车组在京沪高铁下行线由侧线经过道岔到正线运行时，受电弓先通过始触区后再通过道岔定位点，在始触区处京沪高铁的侧线接触线位置与其他高铁线路相比更靠近受电弓端头，而动车组在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。

图6　京沪高铁无交叉线岔平面布置图（单位：mm）

可以看出，不同的无交叉线岔布置方式，因受电弓高速过渡的思路不同、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，能够解释 CRH380BL 动车组在其他高铁运行未发生类似故障的原因。

2.4.3CX-PG 型受电弓碳滑板静态抬升试验

2013年7月17日和20日，中国铁路总公司运输局组织在上海虹桥动车所和北京动车所先后对 CX-PG 型受电弓碳滑板垂向受力时的抬升量进行了仿真模拟试验。

试验结论：CX-PG 型受电弓碳滑板在一端受到足够大垂直向下的压力或向上的拉力时，碳滑板的另一端抬升量微弱（1～2 mm 左右），可以排除受电弓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。

2.4.4京沪高铁无交叉线岔弓网匹配试验

2013年7月19日，中国铁路总公司运输局组织在京沪高铁徐州东站无交叉线岔处对 CX-PG 型单滑板受电弓和 DSA-250双滑板受电弓的弓网匹配关系进行动静态试验。

试验结论：受电弓在经过无交叉线岔时，接触网各项技术参数均满足通过要求且始触区无线夹，通过时接触网和受电弓匹配关系良好。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关系裕度小。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。

2.5故障原因与整改措施

2.5.1原因分析

经上述分析可知，本次弓网故障的直接原因为CRH380BL 动车组 CX-PG 型受电弓与京沪高铁无交叉线岔弓网匹配裕量较小的情况下，受电弓碳滑板垫高14.5 mm（导角未同步垫高），改变了受电弓轮廓线的尺寸，不满足铁标 TB2011-3271的受电弓轮廓线要求。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，导致在无交叉线岔处受电弓与接触线产生非正常的刮擦生产横向力作用而挤坏受电弓。

2.5.2整改措施

中国铁路总公司车辆部和供电部共同组织分析后，采取整改措施如下。

（1）车辆部门迅速对 CRH380BL 动车组受电弓采取修正措施，以唐车公司为责任主体，在法方给出处置意见前（图7、图8），对出现问题的运行受电弓进行了过渡性改造，保证现实弓网匹配。

图7　法方提出和实施的近期改造方案

图8　法方提出和实施的永久改造方案

2013年8月28日，中国铁路总公司车辆部和供电部共同组织，对法维莱公司法方提出的受电弓结构改进优化方案进行了评审，对正在线上运行的受电弓逐批改造，新上线动车组按照改进方案加装。

（2）供电部门对全线接触网线岔的静态数据进行检查检测，提出检测数据报告，接触网设计部门根据检测数据报告，组织对比分析，总结接触网相关参数（尤其是无交叉线岔）设计和运行边界条件规律。

（3）由 CX-PG 型受电弓法国技术方提供目前使用受电弓的9项相关参数，接触网设计单位同时向对方提供相关参数，用于弓网匹配性仿真研究。

（4）京沪高铁沿线各铁路局弓网联控单位还进一步采取了严格控制弓网设计源头、加强高铁日常弓网联控以及强化弓网故障分析工作等预防措施。

（5）供电、车辆部门建立高铁弓网技术配合联络机制，受电弓改造或新型受电弓上线运行时，征求供电部门意见，供电部门应掌握相关情况，及时分析通报信息。同时，为建立高铁弓网配合技术标准开展相关工作，形成中国高铁弓网关系技术标准体系。

2.6修改铁标《受电弓与接触网相互作用准则》的必要性及相关建议

2.6.1必要性

我国高铁接触网经过这些年的实践探索，已形成了200-250、300-350技术条件体系，各设计院的设计理念及施工图也基本定型。原准则除了受电弓滑板宽度，其他技术指标基本借鉴欧洲标准。有必要总结经验教训，修订完善准则内容，形成我国特色的受电弓与接触网相互作用准则。

2.6.2建议修改内容

（1）弓网关系仿真及评估制度。弓网动态关系复杂，是高速铁路的两大主要关系之一，在准则中需明确弓网关系仿真的主要技术指标体系，对接触网、受电弓需要公布的具体技术参数进行明确。需要受电弓开放的主要基础数据有：受电弓弓头各部分的几何外形尺寸、受电弓的质量/弹簧/阻尼数学模型、受电弓静态接触力及其与速度的对应关系、与弓网接口相关的型式试验报告（如静态接触力、平均抬升力与列车速度关系的试验结果）以及开口方向、闭口方向受电弓平均抬升力（静态接触力与空气动力之和）与列车速度的关系曲线。

在工程设计及运行管理上，需建立受电弓准入评估审查制度，对受电弓滑板的准入审查应实行接触网、受电弓两专业会审制度，重点审查内容包括受电弓包络线、静态压力等。

（2）目前接触网分相的配合关系。针对我国多车型、多分相结构、分相区弓网关系配合复杂的现状，有必要在接触网分相无电区、中性区、双弓间距的配合关系在附录A的A1示意图的基础上，进一步明确长度数据，以规范分相、双弓、多弓的配合关系，在运行中避免双弓、多弓短接分相。

（3）研究确定受电弓滑板面平整性的技术标准。异常受电弓滑板对弓网关系影响的严重性应引起足够重视，如高铁接触网拉出值小，在1950 mm 的受电弓碳滑板顶面中部常常形成宽度约600 mm 的凹形，现场检查中发现凹形底面距滑板平面高差达10 mm。这种受电弓上线运行，动态中接触线对受电弓的侧向压力会损坏受电弓，对接触网而言，通过线岔时可能引起线岔剧烈振动从而引发弓网故障，通过分段绝缘器时可能打坏分段绝缘器导流滑板。现行弓网关系准则描述了受电弓理想状态下的滑板面，未研究动态下的恶劣情况，而受电弓维修管理技术标准仅规定了滑板磨耗面对底部托架的高度，没有规定滑板顶面的平整性，应研究明确在对最低磨耗面控制的同时，对滑板面的平整性进行控制，避免滑板面凹凸不平，让接触线在滑板面平滑地左右滑动。

（4）研究确定高铁接触网拉出值的最佳值。针对前述受电弓碳滑板顶面中部形成宽度约600 mm 的凹形及我国接触网的小跨距、大张力以及1950 mm 受电弓的有效工作面，考虑动态量等因素，因拉出值太大而跑弓已不是问题，重点是考虑定位器的长度、受力、抬升等因数，从而推荐最佳值，提高受电弓滑板寿命。同时，应研究在碳滑板中部采取耐磨的特殊材料，提高受电弓滑板的寿命，既节约成本又提高安全可靠性。

（5）研究制定无交叉线岔的弓网安全性原则。如规定无交叉线岔处，弓角切入接触网的区域、侧线在正线上方顺利通过的原则、定位柱区域、交叉吊弦设置原则等。

（6）鉴于城市轨道交通受电弓与接触网相互作用有其自身特点，建议相关内容完善后独立成册。

（7）成立专家组。弓网关系涉及面广，动态过程十分复杂。建议成立准则修编的专家组，专家组涵盖接触网、机车、车辆设计、施工、运行管理等专业人员，在全面分析我国弓网现状的基础上修订完善准则，建立具有我国电气化铁路特色的弓网关系准则。

3　结束语

综上所述，弓网关系是一个复杂的动态耦合系统，特别是高速铁路的弓网关系有更多需要深入研究的问题，有必要修订完善《轨道交通 受流系统 受电弓与接触网相互作用准则》（TB/T3271-2011），通过规范受电弓、接触网及其相互关系，实现我国电气化铁路弓网关系的标准化、简统化和安全运行。

参考文献

［1］ TB10621-2009J971-2009高速铁路设计规范（试行）［S］.

［2］ 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］.

［3］ EN50367-2006Railway applications-Current collection systems-Technical criteria for the interaction between pantograph and overhead line（to achieve free access）［s］.

［4］ 吴积钦. 受电弓与接触网系统［M］. 四川成都：西南交通大学出版社，2010.

［5］ 金柏泉，吴积钦，李岚. 我国高速铁路弓网相互作用特点［J］. 中国铁路，2011（1）.

责任编辑 凌晨

Necessity of Reviewing Rules for Interface between Pantograph and Catenary Based on Their Failures

Liu Zaimin, Zhao Zhaopeng

Abstract:Through the in-depth study on the typical continuous interaction of pantograph and catenary in an abnormal fault case on high speed railway, the paper analyzes the dynamic coupling interaction between pantograph and catenary, fi nding the essential causes of pantograph and catenary faults developed in the complicated operational environment, taking into consideration of the operation based upon the experiences, the paper modifies the TB norms, puts forward opinions and suggestions on the establishment of criteria and standards for interaction between pantograph and catenary with China’s characteristics.

Keywords:high speed railway, pantograph and catenary, criteria, revision, suggestion

中图分类号：U223.8

收稿日期2015-12-19