基于不同速度等级的铁路接触网链形悬挂仿真研究

张珹 李亮

摘 要：【目的】研究不同速度等级下铁路接触网链形悬挂类型和参数对弓网运行状态的影响。【方法】采用有限元仿真法来建立不同速度等级下铁路接触网链形悬挂弓网动态仿真模型。选取不同速度等级与不同接触悬挂类型的弹性链悬挂和简单链形悬挂接触网系统，建立基于有限元的弓网动态仿真模型，对弓网动态性能进行比较分析。【结果】仿真性能研究结果表明：简单链形悬挂适用于速度为200 km/h的电气化铁路。当速度为300 km/h时，弹性链形悬挂接触力的变化更加平顺，且波动幅度更小，综合性能要优于简单链形悬挂。【结论】不同速度等级下，接触网链形悬挂类型和参数对弓网运行状态有较大影响。

关键词：接触网悬挂；简单链悬挂；弹性链悬挂；弓网动态仿真

中图分类号：U225.2                 文献标志码：A                 文章编号：1003-5168（2023）14-0004-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.001

Simulation Research on Chain Suspension of Railway Catenary Based on Different Speed Grades

ZHANG Cheng1 LI Liang2

（1.China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi'an 710043， China;

2.China Railway Qinghai-Tibet Group Co.， Ltd.， Xining 810006， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the influence of catenary suspension type and parameters on the operation status of pantograph and catenary under different speed levels. [Methods] The finite element simulation method was used to establish the dynamic simulation model of catenary suspension under different speed levels， and this paper selects the flexible catenary suspension and simple catenary suspension catenary system with different speed levels and different contact suspension types， and establishes the dynamic simulation model of pantograph and catenary based on finite element to compared and analyzed the dynamic performance of pantograph-catenary system. [Findings] The simulation performance parameter results show that the simple chain suspension is applicable to the electrified railway of 200 km/h. When the speed is 300 km/h， the contact force of the elastic chain suspension changes more smoothly， and the fluctuation range is smaller， and the comprehensive performance is better than that of the simple chain suspension. [Conclusions] The type and parameters of catenary chain suspension have a significant impact on the operating status of the pantograph and catenary under different speed levels.

Keywords：catenary suspension;simple chain suspension; elastic chain suspension; dynamic simulation of pantograph catenary

0 引言

接觸悬挂的弓网系统是由接触网与受电弓组成的，采用滑动接触方式来传输电能。接触网延铁路线路敷设，受电弓安装在列车机车上方，受电弓和接触网通过滑动接触点来传输电能，电能质量的优劣决定着电能传输效率。在列车高速行驶过程中，弓网关系至关重要。随着列车运行速度越来越高，对滑动接触取能的要求也越来越严格。研究接触网系统的弓网动态性能，对保证高速列车的安全运行是十分重要的。

随着电气化铁路里程不断增加，我国不同速度等级的铁路网也在不断完善。电气化铁路接触网分为简单悬挂、简单链形悬挂、弹性链形悬挂等［1］。其中，简单链形悬挂和弹性链形悬挂的应用范围最广。研究不同速度等级的接触网简单链形悬挂或弹性链形悬挂的弓网匹配性是非常有必要的。

对接触网弓网动态性能分析的研究方法有两种，即实测数据分析研究和计算机仿真模拟研究。实测数据分析研究因获取现场数据较为困难，要投入大量的人力、物力，不宜作为研究弓网动态性能的主要方法。计算机仿真模拟研究通过建立有限元仿真模型，能方便、快捷地进行系统验证和参数分析。

目前，国内外学者对弓网匹配性的研究主要是通过计算机构建仿真模型来进行模拟计算的［2］。本研究使用有限元计算软件来建立不同速度等级的简单链形悬挂和弹性链形悬挂的弓网动态仿真模型，开展不同接触网链形悬挂和不同速度等级的弓网动态仿真研究［3］，对弓网动态评价参数进行分析，通过对比接触网动态性能评价参数，给出不同类型和速度等级下接触网弓网系统参数匹配的基本原则，总结归纳速度等级和接触悬挂参数的合理范围，为接触网的合理化设计提供参考依据。

1 系统建立

可采用Ansys、CATMOS、PrOSA、SicatMaster、OSCAR等软件对接触网弓网关系进行有限元分析。本研究使用德国BB公司研发的CATMOS弓网仿真软件来建立两个半锚段接触网的仿真模型，锚段数据均为现场实际测量数据。通过设置不同的接触悬挂参数和速度目标值，来获取接触网和受电弓的动态运行参数，据此来评价弓网的运行状态。

1.1 模型建立

受电弓和接触网系统是时变非线性系统。列车上的受电弓与接触网采用的是滑动接触，二者的摩擦力是非线性的，链形悬挂中的吊弦为松弛状态，定位器存在铰接点，即受电弓与接触网的滑动接触为非线性状态。因此，对受电弓和接触网进行动态仿真的重点是对一系列非线性状态进行建模分析。

根据现场实际工况来设定接触网的锚段长度、张力、跨距等参数，设置结构高度在前半个锚段发生变化，要与现场实际情况要保持一致。以实际线路接触网情况来构建接触悬挂仿真模型，线路接触网实际情况见表1。

通过CATMOS有限元仿真软件来构建接触网弹性链悬挂、简单链形悬挂的弓网系统仿真模型［4-5］，仿真模型如图1、图2所示。图1为两个半锚段的接触网简单链形悬挂模型，两端加设中心锚结，中部加设非绝缘关节；图2为两个半锚段的接触网弹性链形悬挂模型，两端加设中心锚结，中部加设非绝缘关节。

1.2 参数标准

德国BB公司研发的CATMOS仿真软件是利用有限元法的基本思路，对受电弓与接触网模型进行离散化处理，将接触网和受电弓系统细分为若干个有限单元，再结合坐标变换，形成整体矩阵方程，从而对节点力和位移进行计算求解，能有效解决受电弓和接触网复杂的动态计算问题。

结合已运行铁路的实际情况，建立不同参数的接触网简单链形悬挂系统和弹性链形懸挂系统有限元仿真模型。仿真速度值设为200 km/h、300 km/h两个等级，接触线张力设为20 kN，承力索张力设为15 kN，弹性吊索张力设为3.5 kN，其余参数均相同。通过对弓网动态系统进行仿真，并对仿真结果进行对比分析，分别建立两个半锚段的仿真模型（包括锚段关节、中心锚结等部分），从而实现对弓网系统的仿真研究。弓网系统动态仿真结果的关键特征参数包括弓网接触力、接触力标准差、定位点最大抬升、允许实际燃弧率等，燃弧率由最小允许动态接触力来表征。弓网接触力为0 N时，可能出现接触线与滑板分离的现象，一般为弓网燃弧的前提。因此，弓网接触力可作为评价弓网动态性能的重要关键参数。评价标准应根据EN 50119—2001、EN 50367—2006、UIC 799—2002中的规定来执行。

2 仿真研究

2.1 弓网受流质量

接触压力是评价弓网受流质量的一个重要指标。不同速度等级下弹性链形悬挂和简单链形悬挂的弓网接触压力仿真结果见表2。

在相同类型的悬挂形式下，随着速度等级的提高，接触压力的最小值减少、最大值增加；当速度为200 km/h时，简单链形悬挂网接触压力的最小值为64.26 N、最大值为142.68 N，二者的差值为78.42 N；当速度为300 km/h时，简单链形悬挂网接触压力的最小值为46.86 N、最大值为194.77 N，二者的差值为147.91 N。由此可知，在不同速度（200 km/h、300 km/h）下，接触压力的范围变大，变化幅度为69.49N，弓网动态出现受电弓波动加剧的情况。当速度为200 km/h时，弹性链形悬挂接触压力的最小值为76.70 N、最大值为144.42 N，二者的差值为67.72 N；当速度为300 km/h时，弹性链形悬挂接触压力的最小值为47.99 N、最大值为185.98 N，二者的差值为137.99 N。由此可知，在不同速度（200 km/h、300 km/h）下，接触压力的范围变大，变化幅度为70.27 N，弓网动态出现受电弓波动加剧的情况。

在相同速度等级下，弹性链形悬挂的接触压力变化幅度较小。当速度为200 km/h时，简单链形悬挂接触压力变化幅度为78.42 N、弹性链形悬挂接触压力变化幅度为67.72 N；当速度为300 km/h时，简单链形悬挂接触压力变化幅度为147.91 N，弹性链形悬挂接触压力变化幅度为137.99 N；当速度为200km/h时，简单链形悬挂接触压力标准偏差为0.14，弹性链形悬挂接触压力标准偏差为0.11；当速度为300 km/h时，简单链形悬挂接触压力标准偏差为0.21，弹性链形悬挂接触压力标准偏差为0.20。因此，在相同速度等级下，弹性链形悬挂接触力的变化范围和偏离程度较小，弹性链形悬挂弓网的弹性更优。随着列车速度等级的提高，受电弓和接触网的动态接触压力波动变大，弹性链形悬挂受电弓和接触网的波动情况较简单链形悬挂要小。因此，当速度等级大于300 km/h时，采用弹性链形悬挂接触网结构形式将更有利于受电弓和接触网的动态运行，提升弓网受流质量，改善弓网运行状态，从而能有效提升高速列车运行品质和行车安全。

2.2 接触压力曲线

在高速滑动中，受电弓和接触网的动态接触力会受到受电弓和接触网的结构参数、静态时受电弓的抬升力、相对滑动速度及天气等因素的影响，动态接触力是表征受电弓和接触网动力学性能及其载流摩擦磨损性能的重要指标。

速度为200 km/h时，简单链形悬挂和弹性链形悬挂下的弓网动态接触压力随受电弓运行距离（m）变化的仿真结果如图3、图4所示。其中，弹性链形悬挂接触压力的波动比简单链形悬挂要小，弓网运行更平稳。由图可知，323 m和1 450 m处为中心锚结，该处接触压力的波动较大，且弹性链形悬挂的波动要远小于简单链形悬挂。

速度为300 km/h时，简单链形悬挂和弹性链形悬挂下的弓网动态接触压力随受电弓运行距离（m）变化的仿真结果如图5、图6所示。其中，弹性链形悬挂接触压力的波动明显比简单链形悬挂的小，弓网运行更加平稳。其中，323 m、1 450 m处为中心锚结，该处接触压力波动较大，简单链形悬挂中心锚结处的接触压力已接近0，有较大的燃弧风险。

由仿真结果可知，速度为200 km/h时，简单链形悬挂和弹性链形悬挂的接触压力随受电弓运行距离增大的波动基本相当，在中心锚结处简单链形悬挂的波动较大；速度为300 km/h时，弹性链形悬挂的接触压力波动要明显优于简单链形悬挂，弹性吊索能提高定位点处的弹性，使整个接触悬挂的弹性得以改善，有利于受电弓和接触线的滑动接触，接触压力变化更平顺，波动幅度小，弓网关系较好。

3 结语

简单链形悬挂结构简单、适用性强，弓网动态效果较好，适用于速度为200 km/h的电气化铁路。当速度为300 km/h时，弹性链形悬挂接触力的变化更平顺，且波动幅度小，综合性能要优于简单链形悬挂。

①在相同速度等级下，弹性链形悬挂接触力的变化范围和偏离程度均较小。随着速度等级的提高，受电弓和接触网的动态接触压力波动变大，弹性链形悬挂接触力的波动较简单链形悬挂要小。

②当速度等级大于300 km/h时，接触网采用弹性链形悬挂的结构形式更有利于受电弓和接触网的动态运行，能提升弓网受流质量，改善弓网运行状态。

③当速度等级为200 km/h時，简单链形悬挂和弹性链形悬挂的接触压力随受电弓运行距离增大的波动基本相当，在中心锚结处简单链形悬挂波动较大。

④当速度等级为300 km/h时，弹性链形悬挂的接触压力波动要明显优于简单链形悬挂方式，这是因为弹性吊索能提高定位点处的弹性，有利于受电弓和接触线的滑动接触，弓网关系较好。

参考文献：

［1］于万聚.高速电气化铁路接触网［M］.成都：西南交通大学出版社，2003.

［2］REICHMANN T.Simulation of the interaction between overhead contact line and pantographs with the finite element method［J］.Elektrische Bahnen，2005，103（1）： 69-75.

［3］梅桂明，张卫华，刘红娇.不同结构类型接触网动态特性［J］.交通运输工程学报.2002（2）：27-31.

［4］李凯.高速铁路接触网弹性链形悬挂精细化施工技术探讨［J］.铁道建筑技术，2010（7）：11-14.

［5］刘兴晨.欧洲高速铁路接触网工程建设模式的特点探析［J］.铁道建筑技术，2012（6）：9-12.