高速铁路接触网振动特性分析

高速铁路接触网振动特性分析

马超钤

中国铁路郑州局集团有限公司安全监察大队新乡安全监察队河南新乡453000

摘要：高速铁路中的受流问题是一个非常重要的研究课题，发达国家将弓网关系置于与轮轨关系同等重要的位置,我国至今对高速铁路弓网关系的研究还不够深入。由于高速接触网存在波动和振动，会导致接触网零件因疲劳或磨损而失效。采用带有阻尼装置的弹簧振子作为振动力学模型，同时考虑接触网波动影响，分析高速接触网上定位点的振动特性。通过对高铁接触网现场实测波形的分析，得出高铁接触网振动固定点的初步特征，提出减小振动、增加接触网稳定性及高速振动试验方法。

关键词：高速铁路；接触网；振动

高速铁路接触网是高速铁路的重要设备，是动车组供电的保障，也是一个庞大的机械系统，具有弹性及惯性。当动车组高速通过时，在受电弓抬升力的作用下，接触线会在静态时的平衡位置上下振动。接触网振动的结果，一方面会使接触网产生的动态力，使零部件的应力发生变化；另一方面会使接触网各种活动关节磨损增加，进而影响到接触网的可靠性。实际检验和失效分析结果表明，绝大多数的接触网零件失效均与振动引起的疲劳或磨损有关。开展高速接触网振动试验，是检验和验证接触网零部件产品能否满足高速铁路使用要求的重要手段，研究高速铁路接触网振动特性，有助于建立模拟振动试验系统与评价标准，完善高速铁路接触网产品检验和评价体系。

一、接触网的振动现象

振动是指物体在外力作用下偏离静态时的平衡位置，并在其平衡位置附近做往复运动的力学现象。实践证明，只要系统具有弹性与惯性，当有扰动时，振动就会发生。振动在机械系统中是十分常见的。接触网上的弓网接触点(比如定位点)，当受电弓通过时，在受电弓抬升力的作用下，该定位点就会偏离平衡位置，当受电弓通过后，该点会做上下垂直往复运动。选定某一定位点作为研究对象，该点的弹性实际来自于接触网与承力索的张力以及线索在张力作用下的弹性变形，惯性则由选定点的定位器、接触线等器材的质量决定。实际发生振动时，由于定位器为铰接，关节处存在摩擦，加之存在空气阻力等因素，该定位点的振动是一种自由衰减振动。

二、接触网的振动分析

1、接触网某一位置因为振动引起的位移。由于接触网是一种柔性的弦索系统，施加有张力、受电弓抬升力以及风载荷等，严谨的接触网振动理论十分复杂。为简化分析，对于一个定位点，可以用带有阻尼装置的弹簧振子作为该点的力学模型来分析。对1个具体有阻尼的定位点，根据牛顿第二定（率）可以列出其动力学方程为：

2、接触网振动导致的波动现象

(1)波源。当机车受电弓高速通过时，在受电弓抬升力作用下，接触网受力点抬升到最大位置，当受电弓通过之后，由于重力和弹性的作用，该点开始自由振动形成波源。接触网波源随着机车受电弓位置的移动而移动。

(2)传播振动的介质。由于接触网系统是一个柔性体，本身具有一定的弹性，因此能够传播振动。波源处的振动通过接触网弹性，将振动传播开去，从而形成接触网的波动。

接触网系统的波动是横波，即振动方向和波的传播方向相互垂直。波动的实质是振动状态的传播，也是能量的传播。波动速度由媒质的性质决定，与波源情况无关。接触网的波动速度由接触网的结构决定。因此，接触网是一个复杂的系统，在实验室无法完全模拟，为了建立实验模型，研究主要矛盾，不考虑波动反射、耦合振动等情况，假设接触网波动为平面简谐波，其波动情况可表示为：

3、接触网某一位置振动分析。机车受电弓通过接触网某一点后，该点的振动由阻尼振动和整个锚段接触网波动叠加产生。按照波的叠加原理，若有几列波同时在介质中传播，则它们各自将以原有的振幅、频率和波长独立传播；在几列波相遇处，质源的位移等于各列波单独传播时在该处引起的位移的矢量和。由式可以得到接触网某一位置测量点的振动:A为自由振动的振幅，m为角频率，rad/s；t为时间s；为振源与测量点之间的距离，m；M为波动速度，m/s。为振动初始位置rad。通过分析可以看出，接触网某一位置的振动频率是其固有频率，振幅是由该处的自由阻尼振动和接触网波动叠加而成。

三、高速铁路接触网的振动试验分析

1、试验情况。现场采集了高铁某段现场的接触网振动曲线，高铁接触网双弓第一吊弦处的振动曲线采样如图所示，高铁接触网定位点单弓位移振动曲线采样如图所示。

2、试验数据分析

（1）高速铁路接触网的振动次数。根据现场采集数据，高速铁路接触网振动的位移第一时间曲线基本符合图的特征，说明高速铁路接触网的振动存在以下特点。在动车组通过时，受电弓接触点的抬升最大，振动最强。机车通过之后，接触网进行阻尼振动，振动的频率固定、振幅变化，接触网振动频率约为1Hz，机车通过之后15S内，接触网振动振幅大于20mm。

在接触网波动影响下，测量点振动会被加强或者减弱，现场采集数据说明，高速接触网测量点的振动从一个振动加强点到下一个振动加强点间的时间间隔即为接触网波动传播频率，高铁的波动频率约为0.2Hz，高铁的波动频率约为0.26Hz。按照每天100对列车(双弓)通过，估算高速铁路接触网振动的情况。高速铁路接触网每天最大振动有200次，每年的振动次数为73000次。而机车通过1次，高速铁路接触网振幅大于20mm的振动约为20次，按照每天100对列车通过接触网，则每天振幅大于20mm的振动有2000次，每年为730000次。现有规定接触网零部件振动试验振幅为±35mm，频率为3～5Hz，波形为正弦波，振动为200万次，可以看出，高速铁路接触网的振动幅度、振动波形和振动次数都与现有标准有较大差异。

（2）高速铁路接触网最大振动的冲击能量

当弹性波传播到介质中的某处时，该处原来不动的质点开始振动，因而具有动能，同时该处的介质也将产生形变，因而也具有势能。可以用弹性棒中的简谐横波为例来分析高速铁路接触网最大振动的冲击能量。

由上述波段公式可以看出，冲击的动能与振幅A的平方成正比。从图可以看出，机车受电弓通过接触网测量点、高速铁路接触网发生最大振动时，引起的抬升高度约为其自由振动的4倍，即其冲击能量为自由振动的16倍。也就是说，机车受电弓冲击能量相当受电弓通过后于1个自由振动周期能量的16倍，会对接触网的零部件带来一定的影响。

结论

(1)当机车受电弓通过时，接触网会产生振动。接触网的振动会增加动态力值，影响接触网零件的可靠性。但为了减少接触网振动影响，在结构设计时就需要增加稳定性，这样又会造成接触线局部磨耗增加。因此在接触网设计中，应在可靠性和稳定性中选择一个合理的平衡点。阻尼会影响到接触网振动，目前高速铁路接触网的定位器处欠阻尼，由此会造成振动次数较多，可通过改变定位器结构或者在定位点处增加吸能装置，用以降低振动的影响。

(2)现行标准规定的振动试验，无论波形还是次数都与高速铁路的实际情况有一定差距，应不断深入针对高速铁路接触网振动特性的研究，建立起符合高铁接触网特点的振动与波动理论，加快建立与现场十分接近的振动试验系统与评价标准。

参考文献：

［1］刘家美，何正友．郑西客运专线四电系统集成的安全性分析［J］．铁道标准设计，2013(12):6．

［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,2013;19(5):47-52