刚性接触网相邻跨距比速度适应性仿真分析

代洪宇，陈乙棋，申正超

0 引言

断口式锚段关节是刚性接触网相邻锚段的衔接部分，是刚性接触网的重要组成部分。断口式锚段关节（下文称关节）结构复杂，其状态和质量的优劣直接影响接触网的供电质量和电力机车的取流质量，是整个锚段的薄弱环节。关节处转换悬挂点的抬升量对受电弓在该处的取流质量有重要影响，但目前国内各地铁运营单位对关节处转换悬挂点抬升量未形成统一的规定。

刚性接触网相邻跨距较大会导致汇流排出现负弛度。受电弓高速运行时，若滑板不能适应相邻跨汇流排的挠度变化，会导致滑板和接触线间产生拉弧及滑板撞击汇流排等现象，将会给弓网受流及滑板磨耗带来不良影响。在刚性接触网平面布置设计中，车站风孔、人防防淹门等结构不利于悬挂点的布置，影响相邻跨距比取值。因此，有必要对受电弓通过站端关节继而通过关节相邻跨距比较大区段时的弓网受流性能进行分析。目前，《地铁设计规范》[1]尚未对刚性接触网相邻跨距比取值做出规定，《城际铁路设计规范》[2]、《市域铁路设计规范》[3]要求刚性接触网连续中间跨相邻跨距比不宜大于1∶1.25。

1 牵引网仿真平台简介

系统仿真是伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科，通过建立实际系统的数字模型，对所建模型系统进行实验研究。

笔者公司联合西南交通大学共同研发牵引网仿真平台，该平台将设计、试验、仿真、运营相结合，可对牵引网设计、生产、制造、运营、维护全生命周期进行信息化管理。通过试验、仿真数据与运营检测数据的研究分析，不断训练完善牵引网模型；再通过经训练的牵引网模型的仿真结果进行验证、优化新线设计，为牵引网运维提供指导，形成良性循环。

本文运用该平台建立刚性接触网-受电弓仿真模型，相关模型见图1。汇流排及悬挂装置均采用梁等效模型，各部件之间通过耦合节点间自由度实现连接；受电弓选用TSG18F型，采用三质量块模型进行等效，三质量块参数[4]见表1。

表1 TSG18F型受电弓三质量块参数

图1 刚性接触网模型

在接触网设计流程中，应首先确定弓网结合部参数，如弓网动力相互作用指标、静态接触力等；然后进行受电弓选型；最后调整接触网设计参数，使弓网动力相互作用性能满足弓网结合部相关参数要求。弓网动力相互作用指标参见UIC 799[5]、EN 50367[6]，本文中的静态接触力取120 N，受电弓选用TSG18F型。

2 锚段关节转换悬挂点抬升量分析

锚段关节是整个锚段弓网受流的薄弱环节，受电弓快速通过时接触力波动剧烈。为保证受电弓能快速平稳通过断口式锚段关节，两支接触线在关节中间悬挂点处应等高，转换悬挂点处非工作支不得低于工作支。转换悬挂点抬升量决定受电弓由一个锚段过渡到另一个锚段的位置，是控制锚段关节处弓网受流质量的关键因素。

受电弓以时速120 km通过转换悬挂点抬升量为0～8 mm的锚段关节，接触力曲线如图2所示。经综合分析，接触力各项特征值均满足标准要求，转换悬挂点抬升量取5 mm时，锚段关节处接触力波动最为平稳。

图2 转换悬挂点不同抬升量接触力曲线

转换悬挂点抬升量为0 mm时，关节处接触力波动最为剧烈。未对接触力进行20 Hz低通滤波处理的情况下，对比观察转换悬挂点抬升量取0、5 mm时关节附近接触力曲线，如图3、图4所示。抬升量取0 mm时，受电弓在悬臂跨即与锚段2汇流排接触，受冲击回落后与锚段2完全接触，在锚段1悬臂跨脱离与锚段1的接触。若弓头质量较大，受冲击后弓头可能与汇流排脱离接触，出现离线现象。转换悬挂点抬升量取5 mm时，受电弓在锚段1的第2个悬挂点附近与锚段2汇流排开始接触，在锚段2的第2个悬挂点与锚段1脱离接触，接触力波动幅度几乎与中间跨持平。

图3 转换悬挂点抬升量为0 mm时接触力曲线

图4 转换悬挂点抬升量为5 mm时接触力曲线

3 相邻跨距比分析

3.1 中间跨相邻跨距比分析

中间跨相邻跨距比较大时，突变跨容易形成负弛度。受电弓滑板若不能跟随汇流排挠度的变化，则容易受到冲击或与汇流排脱离接触，不利于弓网受流。

中间跨标准跨距取8 m，相邻跨距比值分别取2.0、1.75、1.5、1.25、1.0，即跨距突变跨对应跨距分别为4、4.6、5.3、6.4、8 m，对应汇流排挠度曲线如图5所示。当相邻跨距比较大时，受左右两标准跨汇流排的自重影响，突变跨汇流排出现负弛度，相邻两跨汇流排弛度增大。跨距突变跨持续影响左右相邻两跨汇流排挠度。

图5 不同相邻跨距比对应汇流排挠度曲线

受电弓以时速120 km运行，得到不同相邻跨距比下接触力曲线，仅分析跨距比变化点前两跨与后三跨接触力曲线，如图6所示，对应接触力标准差见表2。可以看出，接触力最值均满足标准要求，接触力波动幅度并没有随相邻跨距比值的不同出现明显的变化，接触力标准差差别不大。

表2 不同相邻跨距比接触力标准差

图6 各相邻跨距比对应接触力曲线

不同相邻跨距比下，受电弓滑板位移见图7。当相邻跨距比值不为1时，滑板在跨距比变化悬挂点左右相邻跨位移均突然变大，跨距比取1.25时滑板位移变化幅度较另外3种取值小。

图7 不同跨距比滑板位移

考虑跨距变化跨左右悬挂点相对高差取值为跨距的0.5‰，经仿真分析，接触力各项特征值均满足标准要求，滑板位移最值见表3。相邻悬挂点相对高差引入后，滑板位移最值较无高差时明显增大。滑板位移值的突然变化会给受电弓结构带来突然变化的应力，不利于受电弓长期安全稳定服役。

表3 滑板位移最值 mm

3.2 锚段关节处跨距比分析

为了便于锚段关节及隔离开关检修，牵引所通常在列车进站端设置绝缘锚段关节。车站站端人防/防淹门、活塞/机械风孔等的存在不利于接触网悬挂点的布置，悬挂点为了避开孔洞，会出现关节附近相邻跨距比较大的情况。

为分析受电弓经过锚段关节后，关节相邻跨跨距突变时弓网受流性能，关节转换悬挂点抬升量取5 mm，关节跨距取2 m，第2跨距取4 m，第3跨距与第2跨距比值分别取2.0、1.75、1.5、1.25、1.125，即第3跨跨距分别为8、7、6、5、4.5 m，分析不同速度下弓网受流性能。

受电弓分别以时速80、100、120 km运行，以跨距比取值2.0与1.125为例，接触力曲线如图 8所示。可以看出，不同速度等级下，不同跨距比对应的接触力波动幅度差别不大。

图8 跨距比取2.0与1.125时不同速度下接触力曲线

统计分析前1/4锚段接触力特征值，各工况下接触力特征值均满足标准要求。接触力标准差反映了接触力波动偏离平均值的程度，不同工况下接触力标准差见图9。

图9 不同工况接触力标准差

当关节转换悬挂点抬升量取5 mm时，受电弓以时速80 km通过站端锚段关节继而通过关节相邻跨距比较大的区段时，接触力波动与相邻跨距比成正相关，但是差别极小，可以忽略跨距比的不同对弓网受流带来的影响。

以跨距比取2.0为例，分析转换悬挂点抬升量分别取0、1、5 mm时弓网受流性能，前1/4锚段接触力曲线见图10。关节处转换悬挂点抬升量的取值对关节处弓网取流性能影响较大。时速为120及100 km时，转换悬挂点抬升量的取值对关节以及关节相邻跨距突变跨影响较大，该影响持续到前1/4锚段；时速为80 km时，转换悬挂点抬升量的取值仅对关节处弓网受流性能影响较大，该影响并未持续到关节相邻跨距突变跨。

图10 转换悬挂点不同抬升量接触力曲线

4 结语

基于牵引网仿真平台，在受电弓选用TSG18F型，刚性接触网标准跨取8 m，静态接触力取120 N前提下，经过大量弓网仿真分析，得到以下结论：关节处转换悬挂点抬升量宜取值为5 mm；中间跨相邻跨距比的不同取值对接触力波动没有明显的影响，但对滑板位移影响较大，不利于受电弓长期安全稳定服役；关节转换悬挂点抬升量对关节及关节相邻跨距突变跨弓网性能影响较大，抬升量取5 mm时，受电弓以时速80 km通过站端关节及关节相邻突变跨时，弓网取流性能不受影响。