改善高速铁路双受电弓受流质量的双弓间距确定方法

摘要

本发明公开了一种改善高速铁路双受电弓受流质量的双弓间距确定方法，在高速铁路双受电弓运行的条件下，基于接触线波动传播规律和共振、消振机理，提出不同速度下针对双弓受流质量的双弓有利间距和不利间距计算公式。从而在接触网设计过程中，设计接触网参数，使得现有动车组受电弓间距在设计时速时接近双弓的有利间距，从而改善高铁双弓受流质量。本发明弥补了传统设计方法的不足，能够提升后续工程设计的精确性和安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及电气化铁路接触网及其动态受流特性技术领域，具体为一种改善高速铁路双受电弓受流质量的双弓间距确定方法。

背景技术

在过去的几十年中，中国的高速铁路网络里程发生了惊人地增长。但是，人口迁移的巨大压力（特别是在春运期间）仍然对高速铁路的承载能力提出了极大地挑战。为了增加高速列车的承载能力，通常将两个动车组重联在一些现有的高速铁路线路上，在这种情况下，高铁列车采用双受电弓同时受流运行。双弓运行会给高速铁路技术带了了全新的挑战，其中之一就是前弓运行时接触线上产生的振动波作用在后弓上时，会导致后弓受流质量下降。期刊《Vehicle System Dynamics》2016年的第54卷第8期1077-1097页Zhendong Liu、Per-Anders Jönsson、Sebastian Stichel 和Anders Rønnquist的文章《On theimplementation of an auxiliary pantograph for speed increase on existinglines》研究了中高速铁路多受电弓间距和接触线振动特性的匹配关系对弓网动态性能的影响，认为当双弓间距处于一个合适的值时，前弓导致的波动不会对后弓造成过大的负面影响。目前为止，国内在设计高速铁路时没有考虑受电弓间距和接触网参数的匹配关系，导致后弓受流质量显著恶化。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于波动传播规律改善高速铁路双受电弓受流质量的双弓间距确定方法，通过研究接触线的波动传播规律，提出双受电弓的有利间距和不利间距计算公式，能够改善高铁双弓运行动态性能。技术方案如下：

一种改善高速铁路双受电弓受流质量的双弓间距确定方法，包括以下步骤：

步骤1：采用基于有限元理论的接触网模型，进行恒定力以固定速度v扫掠接触线的数值仿真计算，得到接触网跨中处接触线的动态响应，输出接触线的垂向位移时程和垂向速度时程，并进行0-5Hz滤波；

步骤2：以接触线垂向速度变化为标准，将跨中处接触线动态响应进行分段，分为三个区段：激励前、激励中和激励后；所述激励前为接触线从静止开始到收到激励，垂向速度由0增长到峰值的区段；所述激励中为接触线受到激励力的作用，垂向速度从峰值降至谷值的区段；所述激励后为接触线振动，垂向速度呈现周期性变化的区段；

步骤3：根据上述分段，得到激励扫掠作用区段长度L_c和激励后接触线垂向振动固有频率f_c；

步骤4：通过以下公式计算在列车运行速度为v时，双受电弓对双弓受流质量影响的有利间距和不利间距：

其中，L_p为双受电弓间距，L_c为激励扫掠作用区段长度，f_c为激励后接触线垂向振动固有频率；k为从1开始的自然数；

步骤5：根据铁路标准的规定，对步骤4得到的结果进行筛选，确定双弓有利间距。

本发明的有益效果是：本发明在高速铁路双受电弓运行的条件下，基于接触线波动传播规律和共振、消振机理，提出双受电弓的有利间距和不利间距计算公式，从而在接触网设计过程中，设计接触网参数，使得现有动车组受电弓间距在设计时速时接近双弓的有利间距，从而改善高铁双弓受流质量，改善高铁双弓运行动态性能；弥补了传统设计方法的不足，能够提升后续工程设计的精确性和安全性。

附图说明

图1为高速铁路双受电弓-接触网系统示意图。

图2为不同速度和双弓间距下的后弓接触压力标准差结果图。

图3为恒力扫掠下接触网跨中处接触线垂向速度曲线。

图4为运行速度350km/h下京津城际铁路不同双弓间距下后弓接触压力标准差与计算得到的有利间距对比图。

图5为现有方法1中前弓接触点波动及后弓处于不同位置的接触点波动示意图。其中纵轴为接触点垂向位移，横轴为受电弓运行里程。

图6为运行速度350km/h下京津城际铁路不同双弓间距下后弓接触压力标准差与现有方法计算得到的有利间距对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明基于波动传播规律改善高速铁路双受电弓受流质量的双弓间距确定方法，在高速铁路双受电弓运行的条件下，基于接触线波动传播规律和共振、消振机理，确定可以改善双弓受流质量的双弓间距。包括以下步骤：

A、采用基于有限元理论的接触网模型，进行恒定力以固定速度v扫掠接触线的数值仿真计算，得到接触网跨中处接触线的动态响应，输出接触线的垂向位移时程和垂向速度时程，并进行0-5Hz滤波。

B、以接触线垂向速度变化为标准，将跨中处接触线动态响应进行分段，分为三个区段：激励前、激励中和激励后。其中激励前接触线从静止开始收到激励，表现为垂向速度由0增长到峰值。激励中该位置接触线受到激励力的作用，表现为垂向速度迅速降低，从峰值降至谷值。激励后接触线振动，垂向速度呈现峰值到谷值的周期性变化。

C、根据步骤B的分段，并得到激励扫掠作用区段长度L_c和激励后接触线垂向振动固有频率f_c。

D、根据共振及消振原理，当双弓间距使得后弓造成接触线垂向速度峰值(激励中开始位置)对应前弓造成的峰值(激励后的峰值位置)时，可判定接触线共振，不利于双弓稳定受流；反之则判定消振，有利于双弓稳定受流。通过以下公式计算在列车运行速度为v时，双受电弓对双弓受流质量影响的有利间距和不利间距：

其中L_p为双受电弓间距，L_c为激励扫掠作用区段长度，f_c为激励后接触线垂向振动固有频率；k为从1开始的自然数。

E、根据标准《TB／T3271-2011轨道交通受流系统受电弓与接触网相互作用准则》规定“在一列车内工作的两个受电弓的间距为200m到215m，或最大间距为400 m”，与步骤D得到的结果进行对比，确定双弓有利间距。

本发明实施例以设计列车运行速度为 350Km/h 的京津城际铁路接触网和法维莱NX受电弓为例，采用本发明提出的方法计算可以改善后弓受流性能的双弓有利间距。

高速铁路双受电弓-接触网系统如图1所示，采用基于有限元理论的接触网模型进行数值仿真，得到不同速度，不同双弓间距下的双弓接触压力，并以后弓接触压力的标准差作为双弓-网系统受流质量的评价指标，得到不同速度下双弓间距对双弓受流质量的影响规律，如图2所示。可以看到在不同速度下后弓接触压力标准差大小与双弓间距均存在一种周期性的关系。随后按照步骤A、B得到跨中处接触线的垂向速度时程曲线。以接触线垂向速度变化为标准，可以明确的将跨中处接触线动态响应分为三个区段：激励前、激励中和激励后，并得到激励扫掠作用区段长度L_c和激励后接触线垂向振动固有频率f_c，如图3所示。

根据步骤D提出的公式计算出列车运行速度350km/h时京津城际铁路的有利双弓间距，并与仿真结果进行对比，如图4所示。其中折线为不同双弓间距下后弓接触压力标准差，竖直虚线为本方法计算结果。同时，与现有方法1（来自于文献《Pantograph andcatenary system with double pantographs for high-speed trains at 350 km/h orhigher》）和方法2（来自于《On the implementation of an auxiliary pantograph forspeed increase on existing lines》）进行比较。方法1认为当后弓接触点波动L_g与前弓接触点波动反相时为有利间距，后弓接触点波动L_b与前弓接触点波动同相时为不利间距，如图5所示。因此提出公式为：

方法2认为当后弓处于前弓引起的接触线振动的波谷位置时即为有利间距，提出的有利间距公式为：

将方法1和方法2所提出的公式计算结果与仿真结果进行对比，如图6所示。结合图4和图6，可以看出相比于之前的方法，本方法创新性的提出了以接触线垂向速度为指标的接触线动态响应区域分段方法并将激励扫掠作用区段长度L_c引入双弓间距计算公式中，准确反映了双弓网系统的受流特性。