2021年1月3日，在新乡东—鹤壁东区间内，G90高速铁路列车行驶在四跨关节电分相区段时发生弓网事故，事后查明事故缘于中心柱定位器失效。中心柱定位器失效的原因是受电弓通过中心柱时，接触线抬升过大，超过异形定位器销钉与定位线夹承受范围，诱发定位销钉脱落，如图1所示。接触线抬升过大是由于锚段关节处无弹性吊索，且高速铁路接触网四跨锚段关节中心柱定位器之字力为0。为从根本上提升接触网可靠性，可通过在四跨锚段关节设置弹性吊索，优化弓网动态性能，改善中心柱定位器振幅，降低定位器的失效率。一些学者对锚段关节弹性吊索参数对弓网动态性能的影响进行了相关研究。关金发等[1]分别以弹性吊索张力、弹性吊索长度、弹性吊弦位置为变量，分析弹性吊索的多种参数组合方式对弓网受流质量的影响。吴亚飞[2]研究了五跨锚段关节安装和取消弹性吊索2种布置方式对弓网动态性能影响。王国华[3]对四跨锚段关节结构进行仿真并提出对定位点布置方式进行调整。李瑞[4]对四跨非绝缘锚段关节的缺陷进行分析，并在此基础上提出措施。同时，国内外对弓网动态仿真也有相关研究：BRUNI等[5]介绍了目前在国际上所使用的弓网动态仿真技术，汪吉健等[6]、陶晚保[7]、HARÈLL等[8]、刘继冬等[9]利用有限元仿真技术分别研究了承力索张力、接触线弛度、电分相和弹性吊索参数对弓网动态性能的影响；部分学者从模型参数变化对弓网动态研究的影响方面进行了分析[10-20]。关金发等[21]等设计了4种四跨锚段关节布置方案，改变之字力并进行仿真，得到优化后的锚段关节布置方式。以上文献研究了锚段关节参数和布置方案对弓网动态性能的影响，未见四跨锚段关节增设弹性吊索对弓网动态性能改善的研究报道。本文首先建立350 km/h高速铁路接触网四跨锚段关节设置弹性吊索模型，其次对设置弹性吊索前后的弓网动态性能进行仿真分析，对比2种布置方式的弓网动态性能，最后提出优化后的四跨锚段关节布置方案。
1 四跨锚段关节无弹性吊索的弓网动态性能仿真分析
1.1 无弹性吊索四跨锚段关节布置方式
针对现有柔性接触网四跨锚段关节接触网，在标准技术参数的基础上，建立四跨锚段关节接触网的ANSYS有限元仿真模型。目前运营线路通常采用无弹性吊索设置方式如图2所示。
依据京广高速铁路接触网布置方式，建立现有接触网模型如图3所示，模型参数见表1。
| 类型 | 参数 | 类型 | 参数 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 跨距/m | 50 | 结构高度/m | 1.6 | ||
| 导线高度/m | 5.3 | 拉出值/m | ±0.25 | ||
| 接触线 | 张力/kN | 30 | 锚段长/m | 650*2 | |
| 线密度/(kg∙m-1) | 1.347 | 接触线最大预弛度 | 0 | ||
| 刚度/(N∙m-1) | 每跨中的吊弦数 | 6 | |||
| 承力索 | 张力/kN | 21 | 单元长度/m | 0.1 | |
| 线密度/(kg∙m-1) | 1.059 | 吊弦 | 线密度/(kg∙m-1) | 0.11 | |
| 刚度/(N∙m-1) | (106) | 刚度/(N∙m-1) | (105) | ||
| 一跨中的吊弦间距 | 5 m/8 m/8 m/8 m/8 m/8 m/5 m | ||||
| 张力/N | 长度/m | 非工支定位器高度/m | |||
| 弹性吊索 | 优化前 | — | — | 0.45 | |
| 优化后 | 3 | 14 | 0..35 | ||
使用CX-GI型受电弓，受电弓简化为三质量块模型[11]，参数见表2。
| m0/kg | m2/kg | m1/kg | k3/(N∙m-1) | k2/(N∙m-1) | k1/(N∙m-1) | c3/(Ns∙m-1) | c2/(Ns∙m-1) | c1/(Ns∙m-1) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 | 9.98 | 9 | 6 000 | 8 971 | 0.5 | 5 | 5 | 350 |
结合现场实际情况，首先对未设置弹性吊索的四跨锚段关节布置方式进行动态仿真，如图4所示。以接触力与定位点处接触线抬升为动态性能评价指标，对比中心柱定位点与锚段内定位点的接触线抬升，评估定位器的振动工况。
定位器的安装方式如图5所示，定位器两端受力点的连线与水平线呈夹角
计算该平面布局下中心柱定位器水平和垂直受力，如式(1)和式(2)所示，得到之字力为0。
式中：
1.2 仿真结果分析
以高速铁路接触网四跨锚段关节不设置弹性吊索锚段关节为研究对象，选取弓网接触力、中心柱定位点接触线抬升等参数进行研究。高速铁路接触网四跨锚段关节不设置弹性吊索模型动态接触力仿真结果曲线如图7所示。
分别统计前弓、后弓不同锚段关节设置方案下的接触力数据如表3所示。
| 前后弓 | 最大接触力/N | 最小接触力/N | 平均接触力Fm/N | 接触力标准差σ/N | 0.3Fm-σ/N |
|---|---|---|---|---|---|
| 前弓 | 320.04 | 89 | 188.61 | 35.72 | 20.863 |
| 后弓 | 366.15 | 1.33 | 189.06 | 61.4 | -4.682 |
对比前弓、后弓接触力极值及标准差，如图8所示，可以得到，前弓标准差较后弓小。
通过仿真可以同时得到中心柱定位点的接触线抬升量以及锚段内定位点的接触线抬升量，如图9所示，可以看出，锚段内定位点接触线提前于中心柱锚段关节定位点的接触线抬升，锚段内定位点处接触线振动幅度与中心柱定位点接触线相差较大，且振动频率较大，因此，需要对当前四跨锚段关节布置进行优化。
2 四跨锚段关节设置弹性吊索的弓网动态性能仿真分析
2.1 设置弹性吊索四跨锚段关节布置方式
基于四跨锚段关节中心柱定位器振幅较大的问题，需要重新设计一种四跨锚段关节定位器平面布置，如图10所示。
基于京沪高速铁路定位器及接触线参数计算四跨锚段关节定位器坡度，具体计算过程如下式所示：
基于目前四跨锚段关节布置方式，搭建设置弹性吊索四跨锚段关节仿真模型，如图11所示。同样以接触力和定位点抬升量为弓网动态性能评价标准。
2.2 仿真结果分析
受电弓以350 km/h速度通过设置弹性吊索的四跨锚段关节后，得到的接触力曲线如图12所示。统计动态接触力数据如表4所示。
| 前后弓 | 最大接触力/N | 最小接触力/N | 平均接触力Fm/N | 接触力标准差σ/N | 0.3Fm-σ/N |
|---|---|---|---|---|---|
| 前弓 | 326 | 79.45 | 189.35 | 33.68 | 23.125 |
| 后弓 | 358.09 | 31.94 | 189.84 | 52.17 | 4.782 |
将数据绘制为可视图如图13所示，可以看出，前弓后弓接触力最大值相差不大，最小值前弓大于后弓，但均在标准范围内，平均接触力相差不大，但0.3倍平均值-标准差后弓远小于前弓，表明接触网布置对受电弓前弓动态性能影响不大，但对后弓影响较大。
同时对比设置弹性吊索锚段关节中心柱定位点以及锚段其他定位点抬升，如图14所示，得到定位点抬升幅度相差较小，且设置弹性吊索后中心柱定位点抬升频率与锚段其他定位点抬升频率较靠近。
3 优化前后方案对比
为对比在四跨锚段关节处设置弹性吊索前后弓网性能，对接触力与定位点抬升量进行横向对比，如图15所示为接触力对比曲线。可以看出设置弹性吊索前后对后弓影响显著，对前弓影响较小。其原因为后弓工作在前弓引起的振动中，四跨锚段关节设置弹性吊索后，前弓引起的接触网振动相对平稳，后弓的运行工况得到改善，后弓与接触网的动态性能也会显著改善。
如表5所示，统计未设置弹性吊索与设置弹性吊索抬升量最大值，可以得出，未设置弹性吊索中心柱定位器抬升与其他位置定位器抬升极差远大于设置弹性吊索，设置了弹性吊索的抬升最大值相较于未设置弹性吊索的优化了20.23%。
| 最大值/mm | 极差 | 优化百分比/% | ||
|---|---|---|---|---|
| 中心柱定位器 | 其他位置定位器 | |||
| 未设置弹性吊索 | 67.81 | 94.45 | 26.64 | 20.23 |
| 设置弹性吊索 | 99.11 | 93.72 | 5.39 | |
对比未设置弹性吊索与设置弹性吊索平面布置下受电弓前后弓通过的锚段关节段定位器时定位器振动位移曲线如图16所示。设置弹性吊索后对于锚段关节其他位置定位点抬升量差别不大，但对于中心柱定位点有较大改变。相较于四跨锚段关节无弹性吊索，设置弹性吊索后，中心柱定位点振动时间延后，且振动频率较小。振动时间几乎与锚段关节其他位置定位点一致。
基于以上数据，可以认为优化后的之字分布不仅提高了接触力的稳定性，而且有效地降低了定位器的振动频率，改善了弓网动态性能，提高了定位器寿命。
4 结论
1) 通过京广高速铁路四跨锚段关节布置方式，建立弓网仿真模型。观察到中心柱定位点抬升幅度较高，中心柱定位器抬升最大值为67.81 mm，其他位置定位器抬升为94.45 mm，振动频率较大，需要优化。
2) 添加弹性吊索后，中心柱定位器抬升最大值为99.11 mm，其他位置定位器抬升为93.72 mm，抬升差异减小，振动频率也相近，优化效果良好。
3) 通过仿真对比发现，设置弹性吊索的四跨锚段关节布置对受电弓前弓的动态性能影响不大，但对后弓动态性能改善显著。设置弹性吊索后，中心柱定位点的接触力波动较大，但其他定位点的接触线抬升变化不大。然而，中心柱定位点的接触线振动时间延后，频率减小，与其他定位器几乎一致。设置弹性吊索可优化定位器抬升约20.23%，有效减少中心柱定位点振动，能够延长使用寿命。
刘大勇.基于四跨锚段关节设置弹性吊索的高速弓网动态性能优化研究[J].铁道科学与工程学报,2025,22(04):1769-1777.
LIU Dayong.Optimization study of dynamic performance of high-speed overhead contact system based on implementing stitch wires at four-span overlap joints[J].Journal of Railway Science and Engineering,2025,22(04):1769-1777.