高可靠性超高速接触网装备研究的关键技术

2018-01-29张琳

中国设备工程 2018年20期

张琳

（中铁建电气化局集团轨道交通器材有限公司，江苏常州 213100）

目前，我国对于高铁接触网在大风、严寒等复杂气象条件下服役状态的研究，多针对于300km/h以下的中低速状态。值得注意的是，随着中国轨道交通事业的发展，超高速列车的研制和应用已提上日程，如在2016年已完成的世界首次超高速列车会车试验，其相对速度达到840 km/h。列车运行速度的提高则对接触网的服役状态提出了更高的要求，特别是在大风、严寒、雨雪、强酸、强碱等恶劣天气的环境中，外界因素对接触网运营安全性的影响将会更加突出。因此，通过对超高速状态下高铁接触网系统的可靠性进行研究，对于提高弓-网系统的受流特性及服役性能具有重要意义。

1 研究难点的分析

高铁接触网系统具有跨度大、露天、无冗余等特点，在动车组运行过程中，接触网的服役状态会受到多种因素的影响，如外界环境风对接触网系统的影响、承力索和接触线受温度影响出现驰度张力变化、接触网系统本身的几何形变、接触线本身的磨耗等。上述复杂因素会直接影响接触线的平顺性，造成弓网受流质量变差，甚至引起刮弓事故。综合以上因素，主要技术难点分析如下。

1.1 弓-网动力学模型的建立

弓网系统动力学特性十分复杂，且运行条件恶劣，如何将传统弓网建模同接触网的气动特性、流固耦合理论结合，并考虑零部件故障、接触线不平顺等因素的影响，建立不良状态和复杂条件下的弓-网系统动力学模型。

1.2 超高速列车弓网多尺度复杂体系下风场耦合机理

列车高速运行时近地风和列车风耦合在一起，受电弓及接触网表面流动为多尺度非定常分离及涡流流动。目前国内外对接触网和受电弓处的涡流结构及流动特点尚未展开系统的研究，特别是考虑到弓网结构本身的多体特性和流场环境的复杂性，如何建立弓网多尺度耦合模型将是本课题的研究重点和难点。

1.3 接触网零部件寿命预测

超高速条件下接触网系统的振动明显加剧，直接导致各零部件的工作强度增大，特别在恶劣气象条件下各零部件的性能明显下降。由于接触网零部件多不与振源直接接触，在超高速运行时，弓网接触压力在接触网各零部件中如何传递，考虑大风、覆冰、极寒等不同环境接触网系统参数下零部件应力分布将是本课题研究的重点。

1.4 特殊环境下接触网零部件的可靠性

高速铁路接触网行业对强腐蚀地区的铝合金零部件防腐具有一定的研究基础，但是对于强腐蚀地区铜合金零部件的防腐一直没有较好的解决方案。接触网是带电的高速载流通道，不仅受结构的静力作用，还受不规则的动态载荷作用，当受电弓与接触网接触并高速运行时，受电弓弹簧系统的振动、列车车体的振动以及风力等因素均参与作用，受电弓弓头会在上下、左右、前后的6个方向产生运动，受电弓的不规则运动会导致接触网受力复杂，因此对接触网的结构强度及零部件性能具有较高的要求，严寒环境下接触网零部件材料选择及制造工艺是行业亟需解决的问题之一。

2 技术研究趋势

2.1 运行速度400km/h及以上超高速接触网装备技术的研究

（1）超高速下弓网的精确建模。目前，弓网模型主要包括线性模型、非线性模型、考虑前后弓弓头影响的六元受电弓模型和有限元模型等，在超高速运行条件下，现有模型的弓网耦合动力学研究同实际情况存在较大差距。因此，本课题在现有弓网仿真模型的基础上，考虑复杂条件（风速、车速、温度、受电弓参数、直线与弯道等）和不良状态（拉出值变化、接触线磨损、极端天气等）模拟，建立复杂条件下和不良状态下的接触网有限元模型和受电弓动力学模型以及仿真耦合模型。

（2）超高速下弓网振动关系研究。超高速条件下，接触网硬点、接触网弹性不均匀、波动传播速度等因素对弓网振动的影响将更加明显，从而造成弓网的不良接触，引起断流、刮弓等事故。需基于弓网动力学耦合模型，研究在超高速运行条件下，受电弓所引起接触线振动在接触网中的衍射、反射规律，并以车速、波速、波长为变量推导接触网的波动方程，并接触网张力、阻尼、刚度等参数对超高速下弓网振动的影响。

（3）空气动力对弓网耦合的影响。随着动车组车速的提高，在大风作用下，列车的空气阻力、升力、横向力等均迅速增加，造成弓-网受流质量的恶化，严重时可导致接触网舞动、刮弓等事故。第一，随机风场模拟。采用谐波合成法，编制脉动风速模拟相应程序，以准确描述随机风场的主要特性，包括脉动风速、平均风速、湍流强度等。第二，基于涡流模拟技术，研究受电弓-接触网多尺度复杂体系下的空气流动，分析在脉动、突变、瞬态风载荷作用下超高速铁路的弓-网受流特性。第三，研究不同车速、风速及风攻角下流场气流的流动状况、受电弓及接触网处的流场及涡流结构，及其形成和发展的机理。第四，研究弓网结构风致振动的空气的动力学和气动弹性力学特性，并建立激发失稳振动的气流形态模型，通过改变车速、风速及风攻角等参数，分析不同参数下接触网结构的振动特性变化规律。

（4）在线检测技术及智能接触网故障诊断系统的研究。车速的提高及恶劣的气象环境会不可避免的使设备的疲劳寿命受到影响，同时车速的提高会直接造成弓网的接触压力增大，引起接触线表面不平顺的磨耗问题，造成接触网的安全性下降。在发生故障时，应能够快速、准确的对接触网的故障位置和类型进行判断，从而为接触网的维护提供可靠帮助。第一，建立接触网各零部件力学模型，分析接触网各部件动态应力的分布情况及疲劳情况，定位超高速条件下可能对系统安全产生威胁的部件或部件的脆弱部位；第二，基于接触网各零部件的特性，建立弓网系统耦合模型，分析超高速下弓网系统振动加强对接触网系统疲劳及寿命的影响；第三，接触线表面不平顺的产生及其发展机理，分析各类接触线不平顺对弓网振动的影响。第四，通过对设计接触网零部件的智能检测系统，获得接触网零部件的在线监测技术，并设定安全阈值，实现报警功能。

2.2 高速铁路接触网零部件耐腐蚀性能的研究

（1）新型耐腐蚀材料在高速铁路接触网上的应用。研制出一种安全可靠、结构简单、稳定性好、实用性强、便于加工和安装的碳纤维复合材料接触网装备，借此来提高公司的综合实力，增强市场竞争力。主要研究内容有：第一，适用于高速铁路接触网零部件碳纤维复合材料的制备；第二，碳纤维复合材料接触网关键零部件的结构设计；第三，碳纤维复合材料接触网零部件的工艺设计；第四，试验验证碳纤维复合材料接触网零部件的试验方法及试验设备研究。

（2）铜合金表面镀石墨烯防腐处理技术的研究。主要研究内容：第一，石墨烯防腐涂料的制备；第二，铜合金接触网零部件石墨烯镀层工艺；第三，表面镀石墨烯防腐处理铜合金零部件的试验方法研究。

2.3 严寒地区接触网装备技术的研究

（1）材料的选择。在选择材料时，需要考虑材料在低温下应具有足够的强度和充分的韧性、具有良好的工艺性能、加工性能和耐腐蚀性等，其中低温韧性，即在低温下防止脆性破坏发生和扩展的能力是最重要的因素。

（2）工艺的研究。根据所选材料和零部件的实际使用情况，合理选择锻造、焊接、铸造等工艺，并对加工工艺进行相关研究，优化模具及加工过程的工艺参数；结合所选材料和加工工艺，对相关接触网零部件进行热处理工艺研究。通过对加工工艺和热处理工艺的研究，使所生产的零部件性能优、质量稳定、工序简单、能耗低、加工成本低，满足在低温环境下的工作需求。

（3）试验方法的研究。设计严寒条件下接触网零部件试验，包括低温破坏、低温疲劳、低温冲击试验。

3 研究对相关产业的推动作用

针对超高速条件下弓网系统在环境风等复杂条件和接触网零部件故障等不良状态下的受流特性进行分析，通过构建弓-网动力学模型，研究超高速条件下弓网系统的空气动力学特性；建立接触网零部件的应力分布模型，分析在复杂条件下接触网零部件的应力分布及其故障监测，从而科学的指导超高速电气化铁路弓网的优化设计及运行维护。通过研究将碳纤维材料应用在高速铁路接触网上，可扩大碳纤维材料的应用领域，一方面能实现接触网零部件的轻量化，有效解决接触网硬点、接触网弹性不均匀的问题；另一方面，能解决强腐蚀地区部分零件的腐蚀问题。