Cu-Al2O3弥散铜高速铁路接触线对弓网动态受流质量的影响研究

汤文亮，马浩航，袁远，刘仕兵，喻卓成

(1.华东交通大学 信息工程学院，江西 南昌 330013；2.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；3.华东交通大学 电气工程学院，江西 南昌 330013)

弓网关系是研究电力机车受电弓和输电接触网良好的耦合特性，是保证电力机车稳定受流的关键[1]，弓是指电力机车受电弓，网即接触网，而接触线作为电气化铁路接触网重要的关键装备，电力机车受电弓通过与其滑动摩擦取流[2−3]。随着我国高速铁路的发展，对接触线的要求也越来越高，需满足机械强度大、导电能力强、抗软化性能好等性能特点[4]。目前，时速350 km/h 高铁中采用的Cu-Mg 合金和Cu-Cr-Zr 合金接触线[5−7]，但面对未来400 km/h 及以上高铁，在机械强度、导电能力等方面难以满足未来运营的需要[8−10]。而Cu-Al2O3弥散铜合金接触线是一种有别于传统Cu-Mg合金、Cu-Cr-Zr合金接触线新型材料，具有更优秀的机电性能。因此，面对未来400 km/h 及以上高铁，需要通过安全性、弓网受流质量稳定性等方面研究，确定Cu-Al2O3弥散铜合金接触线是否满足运行需要，为未来高铁接触线的发展提供技术参考。

1 Cu-Al2O3弥散铜接触线的性能及工作张力选择

通过国家产品质量监督检测中心检测，实验用内氧化法制备[11]的Cu-Al2O3弥散铜接触线，其线密度为1.334 kg/m，拉断力85.43 kN，抗拉强度达到568 MPa，最大允许工作应力为270 MPa，最大允许工作张力为40 kN，显示接触线可以在较大的工作张力下进行应用。通过测量，接触线在满足大强度的同时，延伸率仍达到9.6%，显示出较高的塑性性能。软化后拉断力79.82 kN，显示了材料良好的耐热性。通过测量得知该线索电阻率达到0.020 46 Ω/km，导电率达到84%IACS，在环境温度为40 ℃，风速0.5 m/s，日照强度1 000 W/m2，工作温度为150 ℃的条件下，载流量可以达到764 A。通过上述的性能测量与计算，与我国现有的接触线标准(TB/T2809—2017)相比，其力学、电学性能优于我国目前使用率80%的Cu-Mg 合金接触线，特别是与现有性能最优的Cu-Cr-Zr 合金接触线相比，导电性能提升了12%，载流性能提升了8%，为400 km/h 及以上更高速铁路用接触线提供了更好的技术性能储备。

接触线除性能要求外，还需考虑使用张力下的安全性。通常将列车运行速度与接触线的波动传播速度的比值用β值表示，若该值接近1，就会引起接触线的共振，导致线索断裂，影响行车安全[12]。以高速铁路实际运营经验来看，当β不大于0.7 时，可以达到稳定的受流状态。接触线的波动传播速度与其架线张力及线密度有关，如式(1)所示：

其中，Vc代表接触线的波动传播速度，km/h；T为接触线的架线张力，N；ρ指接触线的线密度，kg/m。目前，高速铁路的时速为350 km/h，使用张力30 kN，本文研究面向400 km/h 及以上更高速铁路，因此选用33,34 和35 kN 3 种工作张力进行波动传播速度计算，研究其β值及在磨耗20%条件下的安全系数，为其使用的可行性提供依据。

由表1 可知，工作张力为33 kN，满足静载荷下安全系数2.0 的需求,但β为0.71，略高于经验值0.7。工作张力为35 kN时，安全系数降为1.95，不利于静载荷下的需求。而使用张力为34 kN 时，β为0.70，安全系数为2.01，满足冲击载荷及静载荷条件下的使用安全性。因此，研制的Cu-Al2O3接触线在使用张力为34 kN 下，满足400 km/h高速铁路应用的需求。

表1 工作张力及安全系数Table 1 Working tension and safety factor

2 建立弓网耦合模型

随着铁路运行速度提高，弓网系统故障已经成为铁路交通事故的主要原因之一[13]。对于400 km/h 及以上的更高速铁路，弓网系统接触质量变化更加复杂多样，在对其研究时需要将受电弓与接触网统筹分析视为一个弓网耦合系统，然后再建立有限元模型进行仿真。

2.1 建立接触网模型

对于接触网来说，按悬挂方式来分主要有简单的链形悬挂接触网，弹性的链形悬挂接触网和复链形的悬挂接触网3 种[14]。国内目前高速铁路主要使用的是弹性链型接触网，其主要由接触线、吊弦和接触线3部分组成，区别简单链形接触网地方在于吊弦增加了一个“V型”辅助悬挂。在数值模拟仿真中采用欧拉−伯努利[15]模拟接触网有限元模型，其运动微分方程为：

式(1)为接触线运动方程，式(2)为承力索运动方程。其中，mc和mm表示接触线和承力索单位质量，EIc和EIm是接触线和承力索刚度，uc和um分别代表接触线和承力索的位移，kd和kc指吊弦和支撑装置刚度，xn和xs是吊弦和支撑柱运动距离，x是列车运行位移，Fc为接触压力，V和t是列车运行速度和时间。

2.2 建立受电弓模型

本文借助现代控制理论的方法对受电弓进行简化，用线性结构模型等效其非线性部分，建立三元质量块受电弓弓网耦合模型，如图1所示。

图1 三元质量块受电弓模型Fig.1 Three mass model of pantograph model

其运动微分方程组为：

其中，M1，M2和M3为等效质量；C1，C2和C3为等效刚度；k1，k2和k3指等效阻尼；y1，y2和y3为相应质量块的位移；F0是指静止时，垂直方向传动装置使受电弓作用到接触网上的力，Fc为接触线与受电弓的接触压力。

2.3 弓网耦合模型

将前文建立的接触网模型与受电弓模型耦合成一个整体写成矩阵表达式：

M，C，K，F，Y，均为广义矩阵，分别是广义质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵、力矩阵位移矩阵、速度矩阵、加速度矩阵。为了模拟采用Cu-Al2O3弥散铜接触线后弓网耦合系统的动态接触状况，更好的探究弓网受流质量变化，本文借助有限元分析软件ANSYS 建立起一个8 跨的弓网有限元模型。如图2所示。

图2 弓网有限元模型Fig.2 PAC finite element model

3 参数设置

在进行有限元仿真之前，需要设置弓网参数，其主要参数如表2和表3所示。

表2 弹性链型接触网参数Table 2 Elastic chain catenary parameters

表3 受电弓参数Table 3 Pantograph parameters

4 弓网耦合系统仿真

4.1 接触压力

在高速接触网的运行中，接触压力大小不仅可以评价接触网的运行状态质量，而且可评价接触悬挂及受电弓的技术性能质量[15]。笔者试制的Cu-Al2O3弥散铜接触线主要面向更高速铁路，因此在仿真时将速度分别设定为350，380，400 和420 km/h。由于在弓网耦合系统中受电弓的质量远远小于列车的质量，故忽略列车质量，通过分析受电弓在4种不同速度下的动态接触压力来判断弓网受流情况，仿真结果如图3所示。

从图3可知，随着受电弓运行速度增加，接触压力曲线幅值变大，最大值增大，最小值减小，图中刚开始一段位移弓网接触力变化较大，主要是受电弓以350，380，400和420 km/h速度突然与接触网高速接触时，对弓网系统产生的一个冲击。当受电弓运行到接触网跨段中心时接触力较大，并且在跨度结合部，弓网接触压力波动幅值变大。

图3 不同速度下弓网动态接触压力仿真曲线Fig.3 Simulation curves of dynamic contact stress of PAC at different operating speeds

4.2 仿真分析

从图4 的仿真数据可知4 种不同速度下的最大动态接触压力、最小动态接触压力、平均动态接触压力及标准偏差，具体数值如表4所示。

表4 4种运行速度下的弓网动态性能指标Table 4 Dynamic performance indexes of PAC at four operating speeds

根据TB10761—2013《高速铁路工程动态验收技术规范》的相关要求，弓网受流质量的评价标准为：最大动态接触压力(N)：Fmax≤Fm+3σ；最小接触压力(N)：Fmin≥20；平均动态接触压力(N)Fm≤0.000 97v2+70；标准偏差(N)：σ≤0.3×Fm。

仿真数据与弓网受流质量评价标准对比如图4所示，其中虚线代表评价标准，实线为仿真数据。从图可知，在4 个不同速度下采用Cu-Al2O3弥散铜接触线的弓网系统其最大动态接触压力、最小动态接触压力、平均动态接触压力及标准偏差基本满足评价标准。在速度为350 km/h 时，弓网平均动态接触压力为190.68 N，略高于标准中动态压力平均值188.83 N，说明受电弓的动态性能参数还有待进一步的改进，但在更高速情况下，各项参数均满足标准。

图4 仿真数据与弓网受流质量评价标准对比图Fig.4 Comparison diagram of simulation data and PAC current-collecting quality evaluation criteria

5 结论

1) 实验试制的Cu-Al2O3弥散铜高铁接触线线密度为1.334 kg/m，拉断力85.43 kN，抗拉强度达到568 MPa，最大允许工作应力为270 MPa，最大允许工作张力为40 kN，电阻率达到0.020 46 Ω/km，导电率达到84%IACS，满足400 km/h 及以上更高速铁路的使用要求。在使用张力为34 kN时，满足冲击载荷及静载荷条件下的使用安全性。

2) 当列车运行速度设定为350，380，400 和420 km/h时，随着速度增加，动态接触压力变化幅度明显增大，最大动态接触压力变大，最小接触压力减小，其中运行到接触网跨段中心时出现峰值，并且在跨度结合部，弓网接触压力波动幅值变大。

3) 仿真结果与《高速铁路工程动态验收技术规范》中弓网受流评价标准对比表明，采用Cu-Al2O3弥散铜接触线的弓网系统在400 km/h 更高速情况下，其最大动态接触压力、最小动态接触压力、平均动态接触压力及标准偏差基本满足评价标准。

4)研究表明，Cu-Al2O3弥散铜高铁接触线在实验阶段适用于400 km/h 及以上更高速铁路，研究成果将对今后更高速铁路的电气化设计及接触线选材提出了新的参考依据。