接触线抬升量影响因素数值分析

工作重要性日益突出。接触线抬升量与受电弓的接触压力成正比，从而反映出弓网接触压力的变化，是弓网状态的重要参数。其中利用机器视觉技术的非接触式定点接触线抬升的测量技术无需与接触线、悬挂等物理接触，不影响行车安全，具有显著优点。运用机器视觉技术测量接触线抬升量需要分析接触线抬升的动力学特性，以便够建立图像位移与弓网特性之间的关联。早在20世纪中期，国外就开展了一系列关于接触网的动力学特性的研究。J.R.Ockendon研究了接触线振动波传播的影响。Andrea Collina研究了接触线的寿命预测模。随着计算机的发展，弓网分析开始引入有限元数值技术，文献中建立了刚性接触网模型，用于导线选型。

1接触线抬升特性

接触线所受抬升力即弓网接触力，接触线的一点在受到外力抬升时，对于线弹性体，由能力守恒可将外力功转换为弹性体的内能。由于导线的长细比很大，可简化为只受轴向力，且导线悬吊只承受拉力，则导线抬升时，能量守恒方程由导线重力势能和弹性应变能组成，由下式表示：

（1）

（2）

上式中， 为导线的线密度，l为导线长度，       为导线处抬升量为时，在变量处的抬升量，为导线抬升量为时导线轴线方向的长度变化量。将方程改写为：

（3）

由此建立了接触线抬升量和抬升力的关系。而上式中，接触线的弹性应变能的主要影响因素为温度和应力，因而利用有限元方法可较方便、定量地分析各参数对抬升量的影响程度。

2抬升量数值计算

本文利用建立了接触网的显示动力学模型，通过数值计算的方式，考察主要变量对接触线抬升量的影响。

2.1张力影响

接触线由于重力的作用存在一定的驰度，而各线路安装结构和张力的不同，使接触线的驰度、应力等有所不同。本文分析了不同张力对接触线抬升量的影响。图2为接触线所受到的张力分别为10KN，15KN，20KN时，接触线抬升量的变化。

可见张力对抬升量影响十分显著，张力越小，接触线受相同抬升力下，抬升量越大。在定点检测中，若发现抬升量异常增大，除了考虑受电弓本身之外，接触网张力也是潜在的风险点。

2.2温度影响

由于导线存在线膨胀效应，当环境温度变化时，导线的长度也会发生相应变化。本文计算了张力恒定状态下，温度变化对抬升量的影响。

从计算结果可知，张力补偿下，环境温度范围-20Co～50Co时，在抬升力不变时，导线抬升量几乎不会发生变化。因而在温差较大地区，若发现抬升量变化明显，则需考虑张力补偿装置是否存在故障。

2.3波动影响

接触线在受电弓与接触线相接触的点发生抬升，其抬升点以振动波的形式向接触线前后两侧传播。由于接触线吊悬钢缆在垂直方向只受拉不受压，因而接触线模型可近似为张力弦模型进行分析。设与接触线接触的受电弓移动速度为，恒抬升力为，则波动方程描述接触线运动方程为：                                          （4）

該方程的解为：

（5）

从该解中可知，当车速与振动波速相同时，接触线将发生谐振。

图4波动对抬升量的影响

在定点测量中，车速不同也会使抬升量发生变化。从不同速度下的导线波动方程的解看，导线的波动特性受速度影响不显著。原因在于在高张力下，导线波速远大于扰动速度，以致扰动和波动的叠加效应不明显。

2.4气动力影响

列车在行驶时，受电弓在来流的作用下会受到气动力的作用，产生额外抬升力，使导线抬升量增加。受电弓的主要气动结构包括弓头、上臂杆、下臂杆。在工程计算时，将弓头简化为板模型，上下臂杆简化为圆柱模型，计算不同速度、攻角下的气动力。

（6）

上式中：为弓头气动阻力，为弓头气动升力，为滑板长度，为滑板宽度，为滑板厚度，为空气来流速度，无风时约等于车速，为来流攻角。计算可知，弓头在存在来流攻角时，即使在中低速状态下，也将受到明显的气流抬升力作用。

而由平板升力计算公式可知，当攻角为0时，弓头的理论抬升力也为0。

图5弓头气动抬升力

上、下臂杆的气动力表达式如下，臂杆气动力主要受臂杆倾斜角和来流速度影响。

（7）

（8）

由上式可快速计算出受电弓上下臂杆的气动抬升力。

上、下臂杆所受气动力反向，在列车高速行驶时（350km/h），上、下臂杆分别可受到约400N、-300N的气动力，两者的合力可达约120N，大幅增加了受电弓的整体抬升力，从而使导线抬升量大幅增加。

图6上、下臂杆气动抬升力     图7 导线抬升量受气动力影响变化

因而受电弓在设计时，需考虑在弓头增加导流板，以抵消高速气动力的抬升作用。

3结语

接触线抬升量检测的目的在于横向、纵向分析抬升量的变化趋势，以判断列车弓网关系是否存在异常变化。本文分析了张力、温度、波动、气动四个“外在”变量对抬升量的影响，从而可以在工程应用中，为抬升量变化原因提供参考，帮助异常分析和排故。也可为接触线抬升量测量数据的标定、修正提供参考。

参考文献：

[1] Kie Bling， Pushchmann， Schmieder. 电气化铁路接触网（中铁电气化局集团有限公司译）[M].中国电力出版社，2004.

[2]陈珍宝，罗维等.高速受电弓导流板研究与改进[J].电力机车与城轨车辆，2013（1）.

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