用于抑制电气化铁路中架空接触线颤动的抗颤动扰流器部署

《Mechanism and Machine Theory》：Anti-galloping spoiler deployment for suppressing galloping of overhead contact line in electrified railways

高压接触线舞动抑制研究：基于螺旋反舞装置的数值分析与优化。通过CFD模拟分析结冰形态及气动特性，结合ANCF有限元模型评估不同安装方案。研究发现当螺旋装置覆盖57.6%线索时，垂直振动幅度降低95.2%。

　　

范世杰|宋阳|张震|段福川|刘志刚|刘玉辉|李凯

中国四川省成都市西南交通大学电气工程学院

摘要

架空接触线（OCL）沿着铁路轨道铺设，是电力火车的唯一电源。极端天气条件导致的OCL结冰会引起空气动力不稳定，从而引发大幅度的自激颤振，危及铁路安全。为了解决这个问题，本研究重点关注了导引线（MW）——它具有较大的直径、更高的刚性，并且不与受电弓直接接触——这对OCL的空气动力稳定性至关重要。本文提出了一种新型的抗颤振扰流板，该扰流板设计为螺旋形附件，安装在导引线上，用于调节周围流场并从源头上抑制颤振。通过计算流体动力学（CFD）模拟分析了安装扰流板后的结冰截面及其空气动力行为。随后，开发了一种基于绝对节点坐标公式（ANCF）梁单元的非线性有限元（FE）模型，以数值评估扰流板在抑制颤振方面的效果。系统评估了多种安装方案，模拟结果显示，当扰流板覆盖导引线跨度的57.6%时，垂直颤振幅度减少了95.2%，证明了所提出设计的强大抑制能力，同时不会干扰受电弓的正常工作。

引言

架空接触线（OCL）系统是一种悬挂在铁路轨道上的电力输送基础设施，通过与受电弓的滑动接触为电力机车提供持续的电能[1,2]，如图1[3]所示。OCL的动态行为对于保持稳定的电流收集至关重要，这是确保电力火车可靠运行的关键[4,5]。然而，OCL长期处于恶劣的环境条件下——如强风、降水和结冰[6]，这使得它极易产生复杂且不可预测的动态响应[7]。在极端天气条件下，受风载荷作用下的结冰OCL可能发生空气动力不稳定，导致大幅度的振动，即颤振，威胁火车运行的安全和可靠性。颤振是一种特殊的自激振动，通常由不规则的结冰模式引起，这些模式改变了接触线（CW）和导引线的空气动力学特性[8,9]。在风载荷的作用下，可能会激发低频（0.1–2 Hz）和高幅度（0.5–3 m）的振荡[10,11]。OCL的颤振与由风波动引起的强迫振动有显著不同。颤振不仅会加速OCL部件的疲劳损伤，还会严重降低受电弓–OCL系统的电流收集性能[12]，从而危及铁路安全[2,13]。这些效应在气候寒冷潮湿的高海拔地区尤为明显，因为那里结冰更为频繁和持久[14]。因此，理解和抑制结冰OCL的颤振对于电气化铁路的安全可靠运行至关重要，也是铁路工程领域的一个关键研究课题[15,16]。

OCL悬挂在铁路轨道上方，是电力机车的唯一电源[17]。以往的研究主要集中在评估受电弓–OCL相互作用的电流收集质量[18,19]。然而，由于OCL的柔性悬挂特性、较大的跨度以及长时间暴露在户外环境中，该系统极易受到风载荷的影响。这些空气动力效应会严重降低电流收集质量，因此引起了大量研究关注，以了解环境风场对OCL系统性能和稳定性的影响。例如，宋等人[20]研究了高速OCL系统的风致振动以及受电弓–OCL系统在随机风场下的耦合动态响应。他们的研究发现，风速和攻角对系统的动态行为有显著影响。在后续研究中，宋等人[21]采用非线性有限元方法分析了OCL系统在空间随机风场下的风致响应，研究了不同风偏角、攻角和OCL几何配置下的空气动力行为。谢等人[22]使用OCL的空气弹性模型进行了风洞实验，对接触线和导引线施加了四种不同的力。结果表明，在湍流条件下的风致响应比在均匀流场下的响应更为强烈。宋等人[23]进行了响应谱分析，研究了稳定风和波动风共同作用下的风偏移。基于对影响OCL抖振响应的关键参数的敏感性分析，研究得出提高阻尼比和张力水平是增强OCL系统抗风性能的有效策略。罗等人[24]研究了不同纵向悬挂配置下OCL系统的空气动力稳定性。结果表明，OCL系统内的不同悬挂方案表现出不同的风致稳定性水平。

目前的研究主要集中在OCL的风致振动上。然而，随着近年来铁路网络的迅速扩展，极端天气条件越来越多地导致OCL上积冰，从而引发空气动力不稳定和大幅度的自激振动，通常称为颤振[25]。颤振的特点是低频率（0.1–2 Hz）、高幅度（0.5–3 m）、持续的自激以及缓慢的能量耗散，其破坏性远大于传统的风致响应。一方面，强烈的颤振会导致受电弓与接触线频繁失去接触，产生严重的电弧放电，加速接触线和受电弓碳带的磨损，从而大大降低电流收集质量[26]；另一方面，持续的大幅度振荡会对OCL部件（如吊架和绝缘子）施加远超过设计阈值的交变载荷，大大增加疲劳失效甚至结构破坏的风险。这些条件对电力火车的安全稳定运行构成了严重威胁。因此，颤振已成为受电弓–OCL动力学领域的一个关键且具有挑战性的研究课题。

目前，关于OCL颤振的研究仍然相对有限。现有研究主要借鉴了为输电线路开发的经典颤振理论，包括Den Hartog垂直颤振机制[27,28]、O. Nigol扭转颤振机制[29]和P. Yu的偏心惯性耦合不稳定机制[30]，来探索OCL的复杂动态行为。例如，陈等人[10]研究了侧风条件下结冰OCL系统的颤振振荡。他们使用FLUENT获得了空气动力升力和阻力系数，并根据Den Hartog垂直颤振准则评估了结冰OCL的空气动力稳定性。宋等人[31]进行了数值模拟，分析了悬挂OCL系统的颤振行为。结果表明，长期受电弓操作导致的接触线严重磨损会显著改变接触线截面的空气动力系数，从而在稳定风载荷条件下引发空气动力不稳定。段等人[32]进行了风洞实验，研究了两种不同磨损程度下接触线的空气动力系数。实验结果表明，在强风条件下安装阻尼系数为100 Ns/m的阻尼吊架可以有效减轻颤振的不利影响。张等人[33]研究了安装在OCL附加线上的抗颤振间隔器的有效性和作用机制，旨在抑制强风条件下高速铁路段发生的严重颤振。结果证明，附加线在抑制颤振方面发挥了重要作用，并进一步证实了跨间距间隔器在增强附加线系统颤振抑制性能方面的有效性。

当前研究表明，OCL系统的颤振主要是由结冰导致的接触线和导引线截面变化引起的空气动力不稳定引起的。因此，研究和修改结冰OCL部件的截面几何形状是抑制空气动力不稳定、从源头上解决颤振问题的最有效策略之一。与OCL研究相比，输电线路上的颤振研究相对成熟。借鉴输电系统的经验，使用空气动力扰流板或抗颤振装置已被证明是一种广泛采用且有效的抑制不稳定引起的颤振的方法。鉴于导引线具有较大的直径、更高的结构刚度且不与受电弓直接接触，本研究探讨了在导引线上安装空气动力抗颤振扰流板的可行性。具体而言，本研究的主要贡献如下：

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提出了一种新型的螺旋形抗颤振扰流板，并分析了其结冰积冰模式，同时开发了带有该扰流板的结冰OCL的截面模型。

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通过CFD和ANCF方法的耦合模拟，研究了抗颤振扰流板的空气动力特性和颤振抑制机制。

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建立并评估了装有扰流板的结冰OCL系统的多种部署配置，定量评估了每种配置在抑制颤振方面的有效性，为OCL系统中由结冰引起的颤振控制提供了理论和技术支持。

部分摘录

带抗颤振扰流板的结冰模式分析

结冰OCL的颤振对铁路运行安全构成严重威胁。抗颤振扰流板通过改变结冰接触线截面的空气动力特性，成为抑制这种自激振荡的有效措施。本节首先简要介绍了CFD数值方法，然后展示了带有抗颤振扰流板的导引线的CFD模型，接着分析了结冰积冰模式，从而开发了一个代表性的

截面空气动力学分析

基于第2节的结果，本节使用ANSYS Fluent进行了带有抗颤振扰流板的结冰导引线的空气动力特性分析。计算域被定义为直径为1000毫米的圆形流体区域。边界条件如下设定：外圆边界设定为速度入口，结构的截面表面被建模为

OCL的FE建模

为了进一步研究装有抗颤振扰流板的OCL的颤振行为，基于ANCF开发了一个数值模型，如图9(a)所示。详细的建模和风载荷建模步骤参考了[23,36,43]，模型验证参考了[44]。在该模型中，导引线、接触线和悬臂梁使用ANCF梁单元表示，而吊架使用具有可忽略弯曲刚度的ANCF缆单元表示。

结论

本研究通过开发带有抗颤振扰流器的导引线的CFD模型，解决了结冰OCL的颤振问题。分析了结冰形态，构建了一个代表性的结冰截面模型，然后对修改后的截面进行了空气动力评估。进一步使用ANCF研究了颤振行为，并进行了扰流器安装的参数优化。主要结论如下：

(1)

抗颤振扰流器的存在

CRediT作者贡献声明

范世杰：撰写——初稿、可视化、形式分析、数据整理、概念构思。宋阳：撰写——审阅与编辑、验证、监督、调查、资金获取、概念构思。张震：撰写——审阅与编辑、验证、监督、概念构思。段福川：撰写——审阅与编辑、验证、监督、概念构思。刘志刚：撰写——