宁高城际轨道交通工程弓网动态仿真分析

蔡彬彬



宁高城际轨道交通工程弓网动态仿真分析

蔡彬彬

介绍了南京宁高城际轨道交通禄高段工程建设中，采用先进的仿真手段建立高精度的接触网与受电弓模型，深入研究弓网动态关系，通过模拟分析有效评价接触网相关参数选取的合理性，为类似工程提供借鉴。

城市轨道交通；架空接触网；弓网关系

0 引言

采用电力牵引的列车通过受电弓从架设于线路上方的接触网获取牵引电能，在该过程中受电弓作为激励源会引发接触网振动，致使受电弓与接触网之间的接触力产生动态变化，弓网间的力学特性随着列车运行速度的提升也会发生显著变化，振动严重时将引起受电弓离线，影响列车的取流质量。弓网的接触质量可通过动态接触压力进行评估[1]。

以往的城市轨道交通工程中，未对弓网关系引起足够重视，一方面是因为缺少可靠的验证手段，另一方面是因为在列车低速行驶时，弓网关系所引发的问题并不突出，接触网的设计取值大多依赖于实际工程经验，缺乏足够的严谨性。

南京宁高城际轨道交通工程禄高段主要为高架段，部分区段位于地下，线路最高运行速度达120 km/h，车辆采用3辆编组，建成后将是南京市城市轨道交通线路中运行速度最高的线路。鉴于该线路运行速度高，前后受电弓间距小，线路复杂等特点，为验证接触网设计参数选取的合理性，在设计阶段，引入了受电弓/接触网耦合模拟动态仿真软件，借助计算机模拟手段对设计参数的合理性进行验证，为类似工程积累宝贵的实践经验。

1 工程概况及设计仿真输入参数

该工程车辆采用地铁B型车，初、近期采用3辆编组，远期采用3、4辆编组混行，速度目标值120 km/h，双弓运行，双弓间距25.12 m。与仿真相关的其他主要输入参数如下：

（1）隧道外接触网设计参数。隧道外主要为高架区段，接触网采用2×JT150（双承力索）+2×CTA120（双接触线）的简单链形悬挂方式，柔性接触网直线段跨距按46 m设置，拉出值为 ±200 mm，锚段长度一般不超过1 200 m，导高按4 600 mm设计。

（2）隧道内接触网设计参数。隧道内全部采用刚性悬挂（HL2213 + CTA120），中间悬挂点跨距一般为8 m，锚段长度一般为243 m，正弦波形布置，最大拉出值不超过250 mm，导高按4 040 mm设计。

柔性接触网与刚性接触网之间设切槽式刚柔过渡段。

2 仿真模型

2.1 仿真平台

仿真计算中有限元模型的建立和受电弓/接触网耦合模型的计算均由Ansys软件完成。Ansys软件是包含结构分析、流体力学分析、电磁场分析、声场分析、热场分析及多物理场耦合分析于一体的大型通用有限元分析软件，能处理常规静力学、动力学问题，具备线弹性、非线性分析能力，其强大的功能可满足弓网仿真计算的需要。

2.2 受电弓模型及输入参数

本次研究采用的接触网为三维接触网，采用六质量受电弓模型较为合适。目前研究弓网系统动力学的受电弓模型一般采用归算质量模型[2]。近几年来的研究发现，将双滑板模型（六质量模型）简化为单滑板模型（四质量模型），计算结果相差很小，且能显著减少对计算资源的要求。所以本次研究采用的受电弓模型为四质量模型，如图1所示。

图1 受电弓的四质量研究模型

其中，c1、c2为作用于弓头滑板支撑上的接触压力；0为受电弓静态抬升力；11、12、2、3分别为四质量块的垂向位移；11、12、2、3分别为四质量块的等效质量；11、12、2、3分别为连接部件的阻尼；11、12、2、3分别为连接部件的刚度；11、12、2、3为干摩擦力，方向分别由(2-11)、(2-12)、(3-2)、(-3)决定。

当受电弓与单接触线接触时，c1、c2随弓头/接触线的接触点与线路中心距离s的变化而呈线性变化，如图2所示。c1、c2可表示为

式中，总接触压力Fc为Fc1与Fc2之和；L为滑板两支撑点的间距。

3 双线柔性简链接触网仿真

3.1 接触网模型输入

柔性简链形三维接触网模型由2个锚段接触网组成，前锚段为计算准备段，后锚段为计算工作段，2个锚段通过锚段关节连接。接触网模型如图3所示。

图3 柔性简链接触网仿真模型

工作段为仿真计算的主体。工作段接触网模型跨距为46 m，计算锚段共计10跨（水平）工作段。

3.2 120 km/h车速下的仿真结果

120 km/h车速下的仿真结果如图4所示。

图4 柔性简链接触网前弓接触压力

图4中横坐标为受电弓沿线路方向的位移（m），纵坐标为接触压力（N）。FNPFV1线为受电弓前弓与准备段接触线的接触压力；FNPFV2线为前弓与工作段接触线的接触压力。

51～101 m为锚段关节过渡跨，该段内受电弓与2个锚段的接触线均有接触。从图4仿真结果可以看出，在该过渡跨中，受电弓先与准备段接触线接触，经过过渡段及抬高段后，接触力由大变小，逐渐脱离受电弓；而受电弓与工作段接触线的接触过程相反，先是未接触，然后压力逐渐变大，成为主工作支，受电弓顺利过渡到工作段。在该过渡过程中，受电弓与接触线始终存在接触力，未出现离线的情况（即未出现与2支接触线压力同时为零的情况）。

由于与前弓相隔25.12 m，后弓经过51 m + 25.12 m的准备段、50 m的锚段关节转换跨、10跨每跨46 m的工作段，后弓的接触压力变化曲线如图5所示。76.12～126.12 m为锚段关节过渡跨，其动态接触压力在锚段关节处的变化过程和前弓是一致的。

图5 柔性简链接触网后弓接触压力

表1为120 km/h车速下柔性接触网接触压力的统计值。

表1 120 km/h车速下柔性接触网接触压力统计值 N

4 刚性接触网仿真

4.1 接触网模型输入

刚性接触网采用三维建模，模型由2锚段接触网组成（如图6所示）。前锚段为准备锚段，是简链柔性接触网。受电弓开始时位于准备锚段。后锚段为工作锚段，由柔性简链接触网/刚柔过渡段/刚性接触网/刚柔过渡段/柔性简链接触网组成。

刚柔过渡段由5 m的柔性接触线和10 m刚柔转换结构组成。刚柔转换结构的结构刚度从柔性接触线到刚性汇流排按长度线性过渡。

图6 刚性接触网计算模型

4.2 120 km/h车速下的仿真结果

前弓的接触压力变化曲线如图7所示。

图7 刚性接触网前弓接触压力

图7中，51～101 m为柔性接触网关节的过渡跨，151～166 m为刚柔过渡段，166～454 m为刚性悬挂段，454～469 m为刚柔过渡段，其他为简链柔性段。

从前弓的仿真结果可以看出，在120 km/h车速下，整个区间接触压力最大值出现在柔性网向刚性网转换的区段，但幅值并不大；在刚性网区间，接触压力波动很小。

后弓的接触压力变化曲线如图8所示。

图8 刚性接触网后弓接触压力

图8中位移与前弓相差25.12 m，如191.12～479.12 m为刚性悬挂段。

120 km/h车速下刚性悬挂段接触压力的统计值见表2。

表2 120 km/h车速下刚性悬挂段接触压力统计值 N

接触压力的最大值和最小值均出现在刚柔过渡段，统计值见表3。

表3 刚柔过渡段接触压力统计值 N

5 总体评价

5.1 评价标准

接触网-受电弓系统的受流质量可以通过平均接触力（m）、标准偏差（）以及最大接触力（max）等指标来评价[3]。

（1）对于速度≤200 km/h的直流1 500 V系统，弓网动态接触力平均值与标准偏差应满足以下要求：

70＜m＜2.28×10-4×2+ 140

≤0.3m

（2）动态接触力的最大值应满足0＜max＜300 N；

（3）平均接触力加上3倍标准偏差应小于或等于统计表中的最大值，平均接触力减去3倍标准偏差应为正值。

5.2 总体评价

本次仿真的结果汇总如表4所示。

（1）最大动态接触力。

从表4可以看出，无论是刚性悬挂还是柔性悬挂，在以最高速度运行时，弓网动态接触力最大值为187.7 N，满足行业标准中最大值小于300 N的要求。

（2）动态接触力平均值。

当行车速度为120 km/h时，通过计算，动态接触力平均值在70～143.28 N范围内，满足要求。

（3）动态接触力标准偏差。

表5为各区段动态接触力标准偏差计算结果。

表4 仿真结果汇总表 N

表5 各区段动态接触力标准偏差计算结果 N

从统计计算的结果来看，动态接触力标准偏差小于0.3max，同时平均接触力加上3倍标准偏差小于300 N，平均接触力减去3倍标准偏差是正值，满足规范要求。

综上，从仿真结果分析，接触网设计方案与受电弓的匹配度较好，所选取的设计参数科学合理，在本工程运营条件下弓网间呈现出较高的授流品质。但需说明的是，本次仿真所采用的受电弓模型为通用模型，可能与实际选用的受电弓参数存在一定偏差；此外，本次仿真未考虑动车组运行过程中的车辆晃动以及来自轮轨、减震道床等弓网系统以外的激扰所带来的影响，这些因素可能会造成仿真结果出现偏差。

6 结语

本文结合实际工程案例，通过建立仿真平台对双线柔性简链接触网、刚性接触网进行弓网关系仿真分析，有效评价接触网相关设计参数选取的合理性和弓网系统运行的安全性，为类似工程提供借鉴和参考。

[1] Kießling, Puschmann, Schmieder. 电气化铁道接触网[M].中铁电气化局集团译. 北京：中国电力出版社，2004.

[2] 蔡成标，翟婉明. 高速铁路受电弓-接触网系统动态性能仿真研究[J]. 铁道学报，1997；19（5）：38-43.

[3] TB/T3271-2011 轨道交通受流系统受电弓与接触网系统相互作用准则[S].

[4] 阮杰. 电气化高速铁路接触网与受电弓动态性能研究[D]. 武汉理工大学，2013.

The paper introduces that high precise pantograph-catenary model is established by advanced simulation technology during construction of Lu-Gao section of Ning-Gao Intercity Rail of Nanjing. The rationality for selection of related parameters of overhead contact line system is assessed effectively by means of simulation and analyzing on the basis of profound researches of pantograph-catenary interactions, providing references for the similar projects in the future.

Intercity rail; overhead contact line system; pantograph-catenary interactions

U225.3

B

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.009

1007-936X(2018)01-0039-04

2017-07-25

蔡彬彬.南京地铁建设有限责任公司，高级工程师。