弓網(wǎng)耦合力對接觸網(wǎng)覆冰的多維度影響及作用機制研究一、引言1.1研究背景與意義隨著全球鐵路運輸網(wǎng)絡的不斷擴張與提速，鐵路在現(xiàn)代交通運輸體系中占據(jù)著愈發(fā)關鍵的地位，其高速、可靠、安全且舒適的特性，使其成為人們出行和貨物運輸?shù)闹匾x擇。然而，在冬季雨雪等惡劣天氣條件下，鐵路運輸面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，其中接觸網(wǎng)覆冰問題尤為突出。接觸網(wǎng)作為電氣化鐵路向電力機車輸送電能的重要設備，一旦發(fā)生覆冰現(xiàn)象，將會引發(fā)一系列嚴重后果，嚴重威脅鐵路的安全穩(wěn)定運行。接觸網(wǎng)覆冰是一個復雜的物理過程，受到多種因素的綜合影響。當接觸網(wǎng)表面溫度低于冰點，且周圍環(huán)境存在過冷卻水滴、水汽等條件時，覆冰現(xiàn)象便極易發(fā)生。覆冰的形成不僅會增加接觸網(wǎng)的重量，改變其機械結構和力學性能，還會導致接觸網(wǎng)的電氣性能下降，影響電力傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。據(jù)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在我國部分寒冷地區(qū)，每年因接觸網(wǎng)覆冰導致的鐵路運輸故障次數(shù)可達數(shù)十次，嚴重影響了列車的正常運行秩序，給鐵路運營部門帶來了巨大的經(jīng)濟損失。弓網(wǎng)耦合力作為弓網(wǎng)系統(tǒng)中受電弓與接觸網(wǎng)之間相互作用的力，對接觸網(wǎng)覆冰有著重要影響。在列車運行過程中，受電弓與接觸網(wǎng)之間存在著動態(tài)的接觸和相互作用，這種相互作用產(chǎn)生的弓網(wǎng)耦合力會改變接觸網(wǎng)的振動特性和表面狀態(tài)，進而影響覆冰的形成、發(fā)展和分布。例如，弓網(wǎng)耦合力的大小和方向變化可能導致接觸網(wǎng)表面的冰層出現(xiàn)不均勻分布，增加了接觸網(wǎng)局部過載的風險；同時，弓網(wǎng)耦合力引起的接觸網(wǎng)振動也可能影響冰層的附著力，導致冰層脫落，引發(fā)接觸網(wǎng)故障。研究弓網(wǎng)耦合力對接觸網(wǎng)覆冰的影響，具有重要的理論和實際意義。從理論層面來看，深入探究弓網(wǎng)耦合力與接觸網(wǎng)覆冰之間的內(nèi)在聯(lián)系，有助于揭示接觸網(wǎng)覆冰的物理機制，豐富和完善接觸網(wǎng)覆冰理論體系，為后續(xù)的研究提供堅實的理論基礎。從實際應用角度出發(fā)，該研究成果可以為鐵路接觸網(wǎng)的設計、維護和運營提供科學依據(jù)。通過優(yōu)化弓網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)和結構，合理控制弓網(wǎng)耦合力，可以有效減輕接觸網(wǎng)覆冰的程度，降低因覆冰導致的鐵路運輸故障風險，提高鐵路運輸?shù)陌踩院涂煽啃浴４送?，該研究還有助于開發(fā)更加有效的接觸網(wǎng)防冰、融冰技術，為鐵路運輸在惡劣天氣條件下的正常運行提供技術支持，保障鐵路運輸?shù)臅惩o阻，促進鐵路運輸行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在接觸網(wǎng)覆冰研究領域，國內(nèi)外學者已取得了一系列成果。國外方面，Bobrowski在《Analysisofoverheadcontactlineicingandprotectionsolutions》中，對接觸網(wǎng)覆冰的過程進行了詳細分析，探討了不同氣象條件下覆冰的形成機制，并提出了一些防護措施建議，如采用特殊的涂層材料來減少覆冰的附著。然而，該研究對于弓網(wǎng)耦合力在覆冰過程中的作用涉及較少。國內(nèi)對接觸網(wǎng)覆冰的研究也較為深入。王雷、官軍鋒、嚴蘊芳在《高速鐵路接觸網(wǎng)結冰過程及其耗電機理研究》中，深入研究了高速鐵路接觸網(wǎng)結冰過程，分析了覆冰對接觸網(wǎng)電氣性能和能耗的影響。李秉廷在《城市軌道交通接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)的冰雪災害防治》中，針對城市軌道交通接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)，探討了冰雪災害的防治措施，包括加強設備巡檢、安裝融冰裝置等。但這些研究大多聚焦于接觸網(wǎng)覆冰的單一因素，對于弓網(wǎng)耦合力與接觸網(wǎng)覆冰之間的復雜關系，尚未進行系統(tǒng)深入的研究。在弓網(wǎng)耦合力研究方面，國外一些高速鐵路發(fā)達國家如法國、德國和日本，將弓網(wǎng)關系置于與輪軌關系同等重要的位置，開展了大量研究。他們通過建立弓網(wǎng)耦合動力學模型，對列車在不同速度下的弓網(wǎng)接觸壓力進行仿真，研究接觸壓力和接觸線抬升量的變化趨勢，為弓網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)。然而，這些研究主要關注弓網(wǎng)系統(tǒng)的動力學性能和受流質(zhì)量，對弓網(wǎng)耦合力與接觸網(wǎng)覆冰的關聯(lián)研究較少。國內(nèi)學者在弓網(wǎng)耦合力研究上也取得了一定進展。謝建、劉志剛等通過建立弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)模型，采用譜分析方法研究接觸網(wǎng)的不平順性，具體采用功率譜密度來分析影響弓網(wǎng)受流的波長成分，仿真結果表明該方法具有較好的直觀性和有效性。但在弓網(wǎng)耦合力對接觸網(wǎng)覆冰的影響方面，相關研究還存在明顯不足。目前，雖然接觸網(wǎng)覆冰和弓網(wǎng)耦合力各自的研究成果豐富，但將兩者結合起來，研究弓網(wǎng)耦合力對接觸網(wǎng)覆冰影響的成果相對匱乏。已有的研究在考慮弓網(wǎng)耦合力時，往往只是簡單提及，缺乏深入的定量分析和實驗驗證。在復雜的實際工況下，如不同氣候條件、列車運行速度和線路狀況等，弓網(wǎng)耦合力如何具體影響接觸網(wǎng)覆冰的形成、發(fā)展和分布，尚未有系統(tǒng)的研究。本研究旨在填補這一空白，深入探究弓網(wǎng)耦合力與接觸網(wǎng)覆冰之間的內(nèi)在聯(lián)系，為鐵路接觸網(wǎng)的安全運行提供更全面、更科學的理論支持。1.3研究方法與技術路線本研究將綜合運用多種研究方法，確保研究的全面性、深入性和科學性，具體如下：文獻研究法：全面搜集和整理國內(nèi)外關于接觸網(wǎng)覆冰、弓網(wǎng)耦合力以及相關領域的學術文獻、研究報告、技術標準等資料。通過對這些文獻的深入分析，了解接觸網(wǎng)覆冰的成因、影響因素以及弓網(wǎng)耦合力的作用機制和研究現(xiàn)狀，明確研究的重點和難點，為后續(xù)研究提供堅實的理論基礎和研究思路。數(shù)值模擬法：借助專業(yè)的數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、MATLAB等，建立弓網(wǎng)耦合動力學模型和接觸網(wǎng)覆冰模型。在模型中，充分考慮弓網(wǎng)耦合力、氣象條件（溫度、濕度、風速等）、接觸網(wǎng)結構參數(shù)等因素，模擬不同工況下弓網(wǎng)耦合力對接觸網(wǎng)覆冰的影響過程，包括覆冰的形成、發(fā)展和分布規(guī)律。通過數(shù)值模擬，可以直觀地觀察到各種因素對接觸網(wǎng)覆冰的影響趨勢，為實驗研究提供理論指導和數(shù)據(jù)支持。實驗研究法：搭建弓網(wǎng)系統(tǒng)實驗平臺，模擬真實的列車運行環(huán)境和氣象條件，開展弓網(wǎng)耦合力對接觸網(wǎng)覆冰影響的實驗研究。在實驗過程中，精確測量弓網(wǎng)耦合力、接觸網(wǎng)振動特性、覆冰厚度和質(zhì)量等參數(shù)，并與數(shù)值模擬結果進行對比分析。實驗研究可以驗證數(shù)值模擬模型的準確性和可靠性，同時獲取實際工況下的實驗數(shù)據(jù)，為理論研究提供有力的實驗依據(jù)。本研究的技術路線如下：理論分析：基于文獻研究，深入分析接觸網(wǎng)覆冰的物理機制和弓網(wǎng)耦合力的產(chǎn)生原理，明確兩者之間的相互作用關系，為后續(xù)的模型建立和實驗研究提供理論指導。模型建立：運用數(shù)值模擬方法，建立弓網(wǎng)耦合動力學模型和接觸網(wǎng)覆冰模型。通過對模型參數(shù)的合理設置和優(yōu)化，模擬不同工況下弓網(wǎng)耦合力對接觸網(wǎng)覆冰的影響，得到初步的研究結果。實驗驗證：利用實驗研究方法，搭建弓網(wǎng)系統(tǒng)實驗平臺，進行實驗研究。將實驗結果與數(shù)值模擬結果進行對比分析，驗證模型的準確性和可靠性。根據(jù)實驗結果，對模型進行進一步優(yōu)化和改進。結果分析與應用：對數(shù)值模擬和實驗研究的結果進行綜合分析，深入探討弓網(wǎng)耦合力對接觸網(wǎng)覆冰的影響規(guī)律，提出相應的防護措施和建議。將研究成果應用于實際鐵路接觸網(wǎng)的設計、維護和運營中，為保障鐵路運輸?shù)陌踩€(wěn)定運行提供技術支持。通過以上研究方法和技術路線的有機結合，本研究旨在深入揭示弓網(wǎng)耦合力對接觸網(wǎng)覆冰的影響機制，為鐵路接觸網(wǎng)的防冰、融冰技術研發(fā)和工程應用提供科學依據(jù)和技術支持。二、相關理論基礎2.1接觸網(wǎng)覆冰原理2.1.1覆冰形成的物理過程接觸網(wǎng)覆冰是一個復雜的物理過程，主要發(fā)生在低溫、潮濕且存在過冷卻水滴或水汽的環(huán)境條件下。當接觸網(wǎng)導線表面溫度低于冰點（通常為0℃）時，周圍環(huán)境中的過冷卻水滴（溫度低于0℃但仍呈液態(tài)的水滴）與導線表面接觸后，會迅速釋放潛熱并凍結，形成初始的冰層。在降水覆冰過程中，凍雨（過冷卻水滴）或雪花降落到溫度接近0℃或負幾度的導線表面，便會形成覆冰或覆雪。其中，凍雨覆冰形成的雨淞因其密度大、附著力強，對接觸網(wǎng)危害最大。當凍雨接觸到低溫的導線表面時，水滴迅速凍結，形成一層透明且堅硬的冰層，緊密附著在導線上。云中覆冰則是空氣中過冷卻的云或者霧與導線相接觸凍結成的冰。這種覆冰的特點是地面無降水量或降雪量，其形成主要取決于濕度、風速等氣象參數(shù)。只要有過冷卻水滴存在，就總能產(chǎn)生云中覆冰，且云中覆冰多產(chǎn)生霧淞。霧淞是一種白色或乳白色的冰晶沉積物，由過冷卻霧滴在物體表面凍結而成，其結構較為疏松，呈羽毛狀或粒狀。隨著時間的推移，冰層會不斷累積和增長。在冰層增長過程中，存在干增長和濕增長兩種情況。干增長過程是指第二個過冷卻水滴到達表面時，第一個過冷卻水滴已釋放出潛熱，全部凍結完畢，此時形成的覆冰一般空隙率較大，多為霧淞等。而濕增長過程是指第二個過冷卻水滴到達表面時，第一個過冷卻水滴潛熱尚未完全釋放完畢，仍有局部水滴未被凍結，可能形成連續(xù)液膜，此時形成的冰為雨淞，質(zhì)地較密，與導線表面的附著力很強。當環(huán)境條件發(fā)生變化，如溫度升高、濕度降低或風速改變時，覆冰的增長速度和形態(tài)也會相應改變。在某些情況下，已經(jīng)形成的冰層可能會出現(xiàn)融化或脫落現(xiàn)象。如果溫度升高到冰點以上，冰層會逐漸融化；而當風速過大或受到其他外力作用時，冰層可能會從導線上脫落，這可能會對接觸網(wǎng)及周圍設備造成損壞。2.1.2影響覆冰的環(huán)境因素接觸網(wǎng)覆冰受到多種環(huán)境因素的綜合影響，這些因素相互作用，共同決定了覆冰的速度、厚度與形態(tài)。溫度：溫度是影響接觸網(wǎng)覆冰的關鍵因素之一。當環(huán)境溫度低于0℃時，空氣中的水汽或過冷卻水滴才有可能在接觸網(wǎng)表面凍結形成覆冰。一般來說，溫度越低，覆冰的速度越快，冰層的增長也越迅速。在-5℃至-15℃的溫度范圍內(nèi)，覆冰現(xiàn)象較為常見且嚴重。當溫度接近0℃時，過冷卻水滴在接觸網(wǎng)表面凍結的速度相對較慢，可能會形成較為疏松的冰層；而當溫度遠低于0℃時，水滴迅速凍結，冰層會更加致密。濕度：濕度反映了空氣中水汽的含量，對覆冰的形成起著重要作用。較高的濕度為覆冰提供了充足的水汽來源。當空氣濕度達到80%以上時，且存在低溫條件，水汽容易在接觸網(wǎng)表面凝結并凍結，從而促進覆冰的發(fā)生。在高濕度環(huán)境下，即使溫度稍高于冰點，也可能因水汽的大量凝結而導致覆冰現(xiàn)象?？諝庵械乃窟€會影響覆冰的類型。當水汽充足且溫度較低時，更容易形成雨淞；而當水汽含量相對較少時，可能形成霧淞或混合淞。風速：風速不僅影響覆冰的速度，還對覆冰的形態(tài)產(chǎn)生顯著影響。在一定范圍內(nèi)，風速越大，過冷卻水滴與接觸網(wǎng)表面的碰撞頻率越高，覆冰速度也就越快。風速還會改變水滴的運動軌跡和分布，從而影響覆冰的形狀。當風與導線走向平行時，或由于導線的扭轉，可能形成導線周圍比較均勻的圓形或橢圓形覆冰，此時導線完全被冰包覆；而當風與導線走向垂直時，冰在導線的迎風面上逐漸堆積，形成翼型斷面形狀，迎風面與背風面的冰厚相差很大。風速還可能導致冰層的不均勻分布和脫落。強風可能使冰層在某些部位受到更大的應力，從而導致冰層局部脫落或斷裂。其他因素：除了溫度、濕度和風速外，氣壓、日照時間等因素也會對接觸網(wǎng)覆冰產(chǎn)生一定影響。在低氣壓環(huán)境下，空氣的飽和水汽壓降低，更容易達到過飽和狀態(tài)，從而增加覆冰的可能性。日照時間的長短會影響接觸網(wǎng)表面的溫度，進而影響覆冰的融化和增長。較長的日照時間會使接觸網(wǎng)表面溫度升高，有利于冰層的融化；而較短的日照時間則會使覆冰時間相對延長。2.2弓網(wǎng)系統(tǒng)工作機制與弓網(wǎng)耦合力原理2.2.1弓網(wǎng)系統(tǒng)組成與工作原理弓網(wǎng)系統(tǒng)作為電氣化鐵路中實現(xiàn)電能傳輸?shù)年P鍵部分，主要由受電弓和接觸網(wǎng)兩大組件構成，其工作原理是基于兩者之間的動態(tài)接觸來實現(xiàn)電能從接觸網(wǎng)向列車的高效傳輸。受電弓是安裝在列車頂部的一種特殊裝置，其主要作用是與接觸網(wǎng)導線保持緊密接觸，從而獲取列車運行所需的電能。受電弓通常由底架、框架、滑板等部件組成。底架與列車車頂相連，為整個受電弓提供支撐和固定；框架則是受電弓的主體結構，通過各種連桿和關節(jié)實現(xiàn)升降和擺動等動作；滑板是受電弓與接觸網(wǎng)導線直接接觸的部分，一般采用碳等材料制成，具有良好的導電性和耐磨性，能夠在高速滑動過程中穩(wěn)定地從接觸網(wǎng)獲取電能。接觸網(wǎng)則是沿鐵路軌道上方架設的特殊供電線路，其主要功能是向行駛中的列車不間斷地輸送電能。接觸網(wǎng)主要包括接觸線、承力索、吊弦、支柱和絕緣子等部分。接觸線是直接與受電弓滑板接觸的導線，其材質(zhì)通常為銅合金等，具有較高的導電性能和機械強度，以滿足列車高速運行時的取流需求。承力索位于接觸線的上方，通過吊弦與接觸線相連，主要作用是承受接觸線的重力和其他外力，保證接觸線的張力和高度穩(wěn)定。吊弦則起到連接接觸線和承力索的作用，使兩者形成一個整體，共同承受各種力的作用，確保接觸線在不同工況下都能保持合適的高度和張力。支柱用于支撐接觸網(wǎng)的各個部件，將其固定在一定的位置上，絕緣子則安裝在支柱與接觸網(wǎng)部件之間，起到絕緣作用，防止電流泄漏到支柱上，保證供電系統(tǒng)的安全可靠運行。當列車運行時，受電弓升起，其滑板與接觸網(wǎng)導線緊密接觸。隨著列車的移動，受電弓在接觸網(wǎng)下滑動，通過這種滑動接觸，接觸網(wǎng)中的電能被傳遞到受電弓上，進而輸送到列車的電氣系統(tǒng)中，為列車的牽引、照明、空調(diào)等各種設備提供動力。在這個過程中，弓網(wǎng)系統(tǒng)的工作性能直接影響著列車的受流質(zhì)量和運行穩(wěn)定性。良好的弓網(wǎng)關系要求受電弓與接觸網(wǎng)之間保持穩(wěn)定的接觸壓力，既不能過大導致滑板和接觸線過度磨損，也不能過小導致離線放電，影響受流質(zhì)量，甚至引發(fā)電氣故障。為了確保弓網(wǎng)系統(tǒng)的正常工作，需要對其進行嚴格的設計、安裝和維護，同時在列車運行過程中，通過各種監(jiān)測手段實時監(jiān)控弓網(wǎng)的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并解決可能出現(xiàn)的問題。2.2.2弓網(wǎng)耦合力產(chǎn)生原因與計算方法弓網(wǎng)耦合力是指在列車運行過程中，受電弓與接觸網(wǎng)之間由于動態(tài)相互作用而產(chǎn)生的相互作用力，其產(chǎn)生原因較為復雜，主要源于以下幾個方面：受電弓的運動：列車在運行過程中，受電弓隨著列車的移動而在接觸網(wǎng)下滑動。受電弓的運動包括垂向的升降、橫向的擺動以及縱向的移動等。當受電弓在垂向上升降時，會對接觸網(wǎng)產(chǎn)生一個向上或向下的作用力；在橫向擺動時，會與接觸網(wǎng)之間產(chǎn)生橫向的摩擦力和擠壓力。列車運行速度的變化、軌道的不平順等因素也會導致受電弓的振動，這種振動會進一步加劇弓網(wǎng)之間的相互作用，產(chǎn)生復雜的耦合力。接觸網(wǎng)的特性：接觸網(wǎng)本身具有一定的彈性和阻尼特性。當受電弓與接觸網(wǎng)接觸時，接觸網(wǎng)會因受到受電弓的壓力而發(fā)生彈性變形，這種變形會產(chǎn)生一個反作用力作用在受電弓上。接觸網(wǎng)的張力分布不均勻、線索的剛度差異以及懸掛方式等因素，都會影響接觸網(wǎng)對受電弓作用力的大小和方向，從而導致弓網(wǎng)耦合力的變化。接觸網(wǎng)的振動也會對弓網(wǎng)耦合力產(chǎn)生影響。在風、列車運行引起的氣流等外界因素的作用下，接觸網(wǎng)會發(fā)生振動，這種振動會傳遞到受電弓上，使弓網(wǎng)之間的相互作用更加復雜。外界環(huán)境因素：外界環(huán)境因素如風速、風向、溫度、濕度等，也會對弓網(wǎng)耦合力產(chǎn)生影響。風速較大時，會對受電弓產(chǎn)生一個額外的氣動力，使受電弓的受力狀態(tài)發(fā)生改變，進而影響弓網(wǎng)耦合力。溫度的變化會導致接觸網(wǎng)線索的熱脹冷縮，改變接觸網(wǎng)的張力和幾何形狀，從而影響弓網(wǎng)之間的接觸狀態(tài)和耦合力大小。在弓網(wǎng)耦合力的計算方面，常見的計算理論主要基于動力學原理和彈性力學理論。其中，較為常用的計算方法包括以下幾種：基于集中質(zhì)量模型的計算方法：該方法將受電弓和接觸網(wǎng)簡化為集中質(zhì)量和彈簧、阻尼元件組成的系統(tǒng)。通過建立系統(tǒng)的動力學方程，考慮受電弓和接觸網(wǎng)的質(zhì)量、剛度、阻尼等參數(shù)，以及各種外力的作用，求解出弓網(wǎng)耦合力。在計算過程中，將受電弓的各個部件簡化為集中質(zhì)量，用彈簧和阻尼元件來模擬部件之間的連接和相互作用，接觸網(wǎng)也采用類似的方式進行簡化。這種方法計算相對簡單，能夠快速得到弓網(wǎng)耦合力的大致結果，但由于模型的簡化，對于一些復雜的工況和高精度的計算要求，其準確性可能受到一定限制。有限元方法：有限元方法是一種更為精確的計算方法，它將受電弓和接觸網(wǎng)離散為有限個單元，通過對每個單元進行力學分析，建立整個系統(tǒng)的有限元模型。在有限元模型中，可以考慮受電弓和接觸網(wǎng)的復雜幾何形狀、材料特性以及各種邊界條件和載荷情況。通過求解有限元方程，可以得到系統(tǒng)中各個節(jié)點的位移、應力和應變等信息，進而計算出弓網(wǎng)耦合力。有限元方法能夠更準確地模擬弓網(wǎng)系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)，對于分析弓網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)特性和復雜工況下的耦合力分布具有重要優(yōu)勢，但計算過程較為復雜，需要較大的計算資源和專業(yè)的軟件支持。經(jīng)驗公式法：在一些工程實際應用中，也會采用經(jīng)驗公式來計算弓網(wǎng)耦合力。這些經(jīng)驗公式是根據(jù)大量的實驗數(shù)據(jù)和實際運行經(jīng)驗總結得到的，通常具有一定的局限性，適用于特定的條件和工況。某經(jīng)驗公式可能是基于某一特定類型的受電弓和接觸網(wǎng)，在一定的速度范圍內(nèi)和環(huán)境條件下總結出來的，對于其他情況可能并不適用。經(jīng)驗公式法計算簡單，但準確性相對較低，一般用于初步估算或?qū)τ嬎憔纫蟛桓叩膱龊稀＜僭O弓網(wǎng)系統(tǒng)中，受電弓的質(zhì)量為m_p，其垂向加速度為a_p，接觸網(wǎng)對受電弓的垂向作用力為F_{cp}，受電弓的靜態(tài)抬升力為F_0，根據(jù)牛頓第二定律，在垂向方向上的動力學方程可以表示為：m_pa_p=F_{cp}-F_0，通過測量或計算得到受電弓的垂向加速度a_p，以及已知受電弓的質(zhì)量m_p和靜態(tài)抬升力F_0，就可以計算出接觸網(wǎng)對受電弓的垂向作用力F_{cp}，即弓網(wǎng)耦合力在垂向的分量。在實際計算中，還需要考慮更多的因素，如接觸網(wǎng)的彈性、阻尼，以及其他方向的作用力等，通過建立更復雜的動力學模型來進行綜合計算。三、弓網(wǎng)耦合力對接觸網(wǎng)覆冰的影響分析3.1弓網(wǎng)耦合力對覆冰過程的作用3.1.1改變覆冰初始條件弓網(wǎng)耦合力的作用使得接觸網(wǎng)表面微觀狀態(tài)發(fā)生改變，進而對覆冰的初始附著條件產(chǎn)生顯著影響。在列車運行過程中，受電弓與接觸網(wǎng)之間存在動態(tài)的相互作用，這種作用產(chǎn)生的弓網(wǎng)耦合力會使接觸網(wǎng)產(chǎn)生振動和變形。當接觸網(wǎng)發(fā)生振動時，其表面的氣流邊界層會被破壞，原本穩(wěn)定的氣流狀態(tài)被打亂，導致過冷卻水滴與接觸網(wǎng)表面的碰撞方式和位置發(fā)生變化。接觸網(wǎng)的振動還會使表面的溫度分布更加不均勻。在振動過程中，接觸網(wǎng)局部區(qū)域可能會因摩擦生熱而溫度升高，而另一些區(qū)域則可能因熱量散失較快而溫度降低。這種溫度的不均勻分布會影響過冷卻水滴在接觸網(wǎng)表面的凍結速度和位置，從而改變覆冰的初始附著位置和形態(tài)。在溫度較高的區(qū)域，過冷卻水滴凍結速度較慢，可能會形成較為疏松的冰層；而在溫度較低的區(qū)域，水滴迅速凍結，冰層則更加致密。弓網(wǎng)耦合力引起的接觸網(wǎng)變形也會改變其表面的粗糙度和曲率。當接觸網(wǎng)受到較大的耦合力作用而發(fā)生彎曲或拉伸變形時，其表面的微觀結構會發(fā)生改變，粗糙度增加。粗糙度的變化會影響過冷卻水滴與接觸網(wǎng)表面的附著力，粗糙度較大的表面能夠提供更多的附著點，使得過冷卻水滴更容易附著并凍結，從而促進覆冰的初始形成。接觸網(wǎng)變形導致的曲率變化也會影響水滴在表面的運動軌跡和停留時間，進而影響覆冰的初始分布。在曲率較大的部位，水滴更容易聚集并停留，增加了覆冰的可能性。3.1.2影響覆冰增長速率在弓網(wǎng)耦合力的作用下，接觸網(wǎng)周圍的氣流和溫度場會發(fā)生變化，進而對覆冰增長速度產(chǎn)生影響。當受電弓在接觸網(wǎng)上滑動時，會引起接觸網(wǎng)的振動，這種振動會擾動周圍的氣流，使氣流的速度和方向發(fā)生改變。氣流的變化會影響過冷卻水滴與接觸網(wǎng)的碰撞頻率和角度。在氣流速度較快的區(qū)域，過冷卻水滴與接觸網(wǎng)的碰撞頻率增加，更多的水滴能夠附著在接觸網(wǎng)上，從而加快覆冰的增長速度；而在氣流方向發(fā)生改變的區(qū)域，水滴的碰撞角度也會改變，可能導致水滴在接觸網(wǎng)上的分布更加不均勻，進一步影響覆冰的增長形態(tài)。弓網(wǎng)耦合力還會通過影響接觸網(wǎng)的溫度場來間接影響覆冰增長速率。接觸網(wǎng)的振動會導致其與周圍空氣的熱交換發(fā)生變化。在振動過程中，接觸網(wǎng)表面與空氣的摩擦增加，會產(chǎn)生一定的熱量，使接觸網(wǎng)表面溫度升高。同時，振動也會加快空氣的流動，增強熱傳導和對流作用，使接觸網(wǎng)表面的熱量更容易散失。當接觸網(wǎng)表面溫度升高時，過冷卻水滴在其表面的凍結速度會減慢，覆冰增長速率相應降低；反之，當熱量散失較快導致表面溫度降低時，覆冰增長速率會加快。假設在某一工況下，弓網(wǎng)耦合力引起接觸網(wǎng)的振動頻率為f，振動幅度為A，周圍環(huán)境中過冷卻水滴的濃度為C，根據(jù)相關研究和實驗數(shù)據(jù)，可以建立一個簡化的覆冰增長速率模型：v=k_1\timesC\times(1+k_2\timesf\timesA)，其中v為覆冰增長速率，k_1和k_2為與水滴性質(zhì)、接觸網(wǎng)材料等相關的系數(shù)。從這個模型可以看出，弓網(wǎng)耦合力引起的接觸網(wǎng)振動頻率和幅度會直接影響覆冰增長速率，隨著振動頻率和幅度的增加，覆冰增長速率也會相應提高。在實際情況中，還需要考慮更多的因素，如氣流速度、溫度、濕度等，以及這些因素之間的相互作用，通過更復雜的模型來準確描述弓網(wǎng)耦合力對覆冰增長速率的影響。3.2弓網(wǎng)耦合力對覆冰形態(tài)的塑造3.2.1導致覆冰分布不均弓網(wǎng)耦合力的作用使得接觸網(wǎng)不同部位所受的力存在顯著差異，進而導致覆冰厚度和形狀呈現(xiàn)不均勻分布。在實際的鐵路運營中，當列車運行時，受電弓與接觸網(wǎng)之間的動態(tài)相互作用會產(chǎn)生復雜的弓網(wǎng)耦合力。在受電弓滑板與接觸網(wǎng)導線接觸的區(qū)域，由于兩者之間的摩擦、擠壓等作用力，使得該區(qū)域的接觸網(wǎng)受力較為集中。這種集中的受力會改變接觸網(wǎng)的振動特性和表面狀態(tài)，從而影響覆冰的形成和發(fā)展。以某高速鐵路接觸網(wǎng)為例，在冬季覆冰季節(jié)，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在受電弓頻繁接觸的位置，接觸網(wǎng)的覆冰厚度明顯小于其他部位。這是因為在受電弓與接觸網(wǎng)接觸時，弓網(wǎng)耦合力會使接觸網(wǎng)產(chǎn)生振動，這種振動會破壞冰層的穩(wěn)定性，使得過冷卻水滴難以在該部位附著和凍結，從而減少了覆冰的厚度。在接觸網(wǎng)的懸掛點和定位點附近，由于結構的約束和支撐作用，弓網(wǎng)耦合力的傳遞和分布也會發(fā)生變化，導致這些部位的覆冰厚度和形狀與其他部位不同。懸掛點處的覆冰厚度可能會相對較大，因為此處的接觸網(wǎng)相對固定，振動較小，有利于冰層的積累；而定位點處的覆冰形狀可能會受到定位裝置的影響，呈現(xiàn)出特定的形狀。從理論分析的角度來看，根據(jù)接觸網(wǎng)的力學模型，弓網(wǎng)耦合力可以分解為多個方向的分力，這些分力會在接觸網(wǎng)上產(chǎn)生不同的應力和應變分布。在應力較大的區(qū)域，接觸網(wǎng)的變形較大，表面的氣流和溫度場也會發(fā)生變化，從而影響過冷卻水滴的運動軌跡和凍結條件，導致覆冰厚度和形狀的不均勻。在接觸網(wǎng)的跨中部位，由于弓網(wǎng)耦合力的作用，接觸網(wǎng)會產(chǎn)生較大的垂向位移和振動，使得該部位的氣流速度增加，過冷卻水滴難以停留，覆冰厚度相對較小；而在靠近支柱的部位，接觸網(wǎng)的位移和振動較小，氣流速度較低，過冷卻水滴更容易附著，覆冰厚度相對較大。3.2.2引發(fā)特殊覆冰形狀弓網(wǎng)耦合力的復雜作用還可能引發(fā)一些特殊的覆冰形狀，如糖葫蘆狀、偏心狀等，這些特殊形狀對弓網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行帶來了諸多危害。當弓網(wǎng)耦合力在接觸網(wǎng)的不同部位產(chǎn)生不均勻的作用力時，會導致冰層在接觸網(wǎng)上的生長方式發(fā)生改變，從而形成特殊的覆冰形狀。糖葫蘆狀覆冰的形成與弓網(wǎng)耦合力的周期性變化密切相關。在列車運行過程中，受電弓與接觸網(wǎng)的接觸是動態(tài)變化的，弓網(wǎng)耦合力也會隨之產(chǎn)生周期性的波動。當這種周期性的力作用于接觸網(wǎng)時，會使得冰層在接觸網(wǎng)上呈現(xiàn)出間隔性的增厚和變薄，從而形成類似糖葫蘆的形狀。在某段鐵路接觸網(wǎng)的覆冰觀測中，發(fā)現(xiàn)由于列車的頻繁啟停和速度變化，導致弓網(wǎng)耦合力的周期性波動較為明顯，接觸網(wǎng)上出現(xiàn)了典型的糖葫蘆狀覆冰。這種形狀的覆冰會使接觸網(wǎng)的重量分布不均勻，增加了接觸網(wǎng)局部過載的風險，容易導致接觸網(wǎng)線索的斷裂和損壞。偏心狀覆冰則是由于弓網(wǎng)耦合力在接觸網(wǎng)的橫截面上產(chǎn)生不對稱的作用力所導致的。當受電弓在接觸網(wǎng)上滑動時，如果弓網(wǎng)耦合力在橫向方向上存在較大的分力，會使冰層在接觸網(wǎng)的一側生長較快，而另一側生長較慢，從而形成偏心狀的覆冰。在一些曲線地段的接觸網(wǎng)中，由于列車運行時的離心力作用，受電弓會對接觸網(wǎng)產(chǎn)生較大的橫向力，容易引發(fā)偏心狀覆冰。這種覆冰會改變接觸網(wǎng)的幾何形狀和力學性能，使得接觸網(wǎng)與受電弓之間的接觸狀態(tài)惡化，增加了離線放電的概率，影響列車的受流質(zhì)量，甚至可能導致弓網(wǎng)故障的發(fā)生。3.3弓網(wǎng)耦合力對覆冰危害程度的加劇3.3.1增加接觸網(wǎng)機械負載風險在不均勻覆冰與弓網(wǎng)耦合力的共同作用下，接觸網(wǎng)所承受的機械負載顯著增大，這對接觸網(wǎng)的安全運行構成了嚴重威脅。當接觸網(wǎng)發(fā)生不均勻覆冰時，冰層在接觸網(wǎng)上的分布不均，導致接觸網(wǎng)各部位的重量分布失衡。弓網(wǎng)耦合力的存在進一步加劇了這種失衡狀態(tài)，使得接觸網(wǎng)在運行過程中承受著復雜的機械應力。從力學原理角度分析，接觸網(wǎng)在不均勻覆冰和弓網(wǎng)耦合力的作用下，其張力和垂度會發(fā)生明顯變化。假設接觸網(wǎng)的某一段覆冰厚度為h_1，相鄰段覆冰厚度為h_2（h_1\neqh_2），弓網(wǎng)耦合力在該段產(chǎn)生的垂向力為F_y。根據(jù)材料力學和結構力學的相關知識，接觸網(wǎng)的張力T和垂度f可以通過以下公式計算：T=\frac{qL^2}{8f}，其中q為單位長度接觸網(wǎng)的重量，包括自身重量和覆冰重量，L為接觸網(wǎng)的跨距。在不均勻覆冰情況下，q的值在不同部位不同，導致接觸網(wǎng)各部位的張力和垂度差異增大。當弓網(wǎng)耦合力作用時，會使接觸網(wǎng)的受力狀態(tài)更加復雜，進一步改變張力和垂度。這種張力和垂度的變化會導致接觸網(wǎng)的機械負載大幅增加。在張力過大的情況下，接觸網(wǎng)線索可能會因承受超過其極限強度的拉力而發(fā)生斷線事故。某鐵路接觸網(wǎng)在一次嚴重的不均勻覆冰和強弓網(wǎng)耦合力作用下，接觸網(wǎng)線索的張力急劇上升，超過了線索的抗拉強度，最終導致線索斷裂，造成鐵路供電中斷，列車停運。垂度的異常變化也會影響接觸網(wǎng)的幾何形狀，使其無法保持正常的工作高度，從而增加了接觸網(wǎng)與受電弓之間的碰撞風險，可能引發(fā)塌網(wǎng)等嚴重事故。在一些山區(qū)鐵路，由于地形復雜，接觸網(wǎng)覆冰不均勻，加上列車運行時產(chǎn)生的弓網(wǎng)耦合力，導致接觸網(wǎng)垂度變化過大，受電弓在通過時與接觸網(wǎng)發(fā)生劇烈碰撞，造成接觸網(wǎng)局部塌網(wǎng)，嚴重影響了鐵路運輸?shù)陌踩驼Ｖ刃颉?.3.2惡化弓網(wǎng)受流質(zhì)量覆冰與弓網(wǎng)耦合力的共同作用對弓網(wǎng)受流質(zhì)量產(chǎn)生了極為不利的影響，加劇了受電弓滑板與接觸線之間的磨損、拉弧等問題，嚴重威脅著列車的安全穩(wěn)定運行。當接觸網(wǎng)覆冰時，冰層會改變接觸線的表面形態(tài)和粗糙度，使得受電弓滑板與接觸線之間的接觸狀態(tài)變得不穩(wěn)定。弓網(wǎng)耦合力的存在進一步加劇了這種不穩(wěn)定狀態(tài)，導致受電弓滑板與接觸線之間的摩擦力和沖擊力增大。在實際運行中，受電弓滑板與覆冰接觸線之間的磨損明顯加劇。由于冰層的硬度和粗糙度較大，滑板在與冰層摩擦過程中，其表面的材料會迅速磨損。某高速鐵路在冬季覆冰季節(jié)，通過對受電弓滑板的檢測發(fā)現(xiàn)，在接觸網(wǎng)覆冰且弓網(wǎng)耦合力較大的路段，滑板的磨損量比正常情況下增加了數(shù)倍。這不僅縮短了滑板的使用壽命，增加了維護成本，還可能導致滑板表面出現(xiàn)凹槽、裂紋等缺陷，進一步惡化弓網(wǎng)受流質(zhì)量。弓網(wǎng)耦合力與覆冰共同作用還會導致受電弓滑板與接觸線之間頻繁出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象。當受電弓滑板在覆冰接觸線上滑動時，由于接觸狀態(tài)不穩(wěn)定，弓網(wǎng)之間的接觸電阻會發(fā)生變化，導致電流瞬間增大，從而引發(fā)拉弧。拉弧會產(chǎn)生高溫，對接觸線和滑板造成嚴重的燒傷，降低其導電性能和機械強度。在嚴重的情況下，拉弧還可能引發(fā)電氣故障，如短路、跳閘等，影響列車的正常運行。據(jù)統(tǒng)計，在接觸網(wǎng)覆冰且弓網(wǎng)耦合力較大的情況下，拉弧發(fā)生的頻率明顯增加，給鐵路供電系統(tǒng)的安全運行帶來了極大的隱患。四、基于數(shù)值模擬的弓網(wǎng)耦合力與接觸網(wǎng)覆冰關系研究4.1數(shù)值模型的建立4.1.1模型選擇與原理本研究選用ANSYS軟件進行數(shù)值模擬，ANSYS是一款功能強大的通用有限元分析軟件，在眾多工程領域中得到廣泛應用。其在處理復雜物理場和多物理場耦合問題方面具有顯著優(yōu)勢，能夠精確模擬各種結構在不同載荷和邊界條件下的力學行為和物理過程。在建立弓網(wǎng)系統(tǒng)與覆冰耦合模型時，基于有限元理論將弓網(wǎng)系統(tǒng)和覆冰區(qū)域離散為有限個單元。對于弓網(wǎng)系統(tǒng)，將接觸網(wǎng)的接觸線、承力索、吊弦以及受電弓等部件分別進行單元劃分。接觸線和承力索采用梁單元進行模擬，梁單元能夠較好地描述其彎曲、拉伸等力學行為；吊弦則簡化為桿單元，主要承受軸向拉力；受電弓采用集中質(zhì)量和彈簧阻尼單元相結合的方式進行建模，以準確模擬其與接觸網(wǎng)之間的相互作用。在覆冰模型的建立中，將冰層視為具有一定力學性能的連續(xù)介質(zhì)，采用實體單元進行模擬。考慮到覆冰的生長過程是一個動態(tài)變化的過程，在模型中引入了時間步長的概念，通過逐時間步模擬過冷卻水滴在接觸網(wǎng)表面的凍結和冰層的增長，從而實現(xiàn)對覆冰過程的動態(tài)模擬。在模擬過程中，關鍵假設包括：假設接觸網(wǎng)和受電弓的材料均為各向同性，忽略材料內(nèi)部微觀結構的影響，以簡化計算過程；假設接觸網(wǎng)和受電弓之間的接觸為理想的光滑接觸，不考慮接觸表面的粗糙度和微觀摩擦，主要關注宏觀的力學相互作用；假設覆冰過程中，冰層與接觸網(wǎng)表面緊密結合，不存在脫粘現(xiàn)象，以保證模型的穩(wěn)定性和計算的準確性。通過這些假設，在保證計算精度的前提下，大大提高了計算效率，使復雜的弓網(wǎng)耦合力與接觸網(wǎng)覆冰關系的模擬成為可能。4.1.2參數(shù)設定與邊界條件在模型中，準確設定各種參數(shù)和邊界條件是確保模擬結果準確性的關鍵。對于接觸網(wǎng)材料參數(shù)，接觸線選用銅合金材料，其彈性模量設定為1.1??10^{11}Pa，泊松比為0.3，密度為8900kg/m^{3}。承力索采用高強度鋼絞線，彈性模量為2.06??10^{11}Pa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m^{3}。這些材料參數(shù)是根據(jù)實際接觸網(wǎng)材料的性能確定的，能夠真實反映接觸網(wǎng)的力學特性。弓網(wǎng)運動參數(shù)方面，列車運行速度設置為不同的工況，包括120km/h、160km/h、200km/h等，以研究不同速度下弓網(wǎng)耦合力對接觸網(wǎng)覆冰的影響。受電弓的靜態(tài)抬升力設定為70N，這是根據(jù)常見受電弓的工作參數(shù)確定的，能夠保證受電弓與接觸網(wǎng)之間的正常接觸。受電弓的質(zhì)量和轉動慣量等參數(shù)也根據(jù)實際受電弓的結構和尺寸進行準確設定，以確保模型能夠準確模擬受電弓的運動特性。在邊界條件設置上，環(huán)境溫度設定為-5a??、-10a??、-15a??等不同的低溫工況，以模擬不同寒冷程度下的覆冰環(huán)境。濕度設置為80%、85%、90%等，以研究濕度對覆冰的影響。風速設定為5m/s、10m/s、15m/s等不同等級，考慮風速對過冷卻水滴運動軌跡和覆冰分布的影響。接觸網(wǎng)的兩端采用固定約束，模擬實際中接觸網(wǎng)在支柱處的固定情況，確保接觸網(wǎng)在模擬過程中的穩(wěn)定性。在模擬過程中，還考慮了重力的作用，以準確模擬接觸網(wǎng)和覆冰在重力場中的力學行為。通過合理設定這些參數(shù)和邊界條件，能夠構建出接近實際工況的弓網(wǎng)系統(tǒng)與覆冰耦合模型，為深入研究弓網(wǎng)耦合力對接觸網(wǎng)覆冰的影響提供可靠的基礎。4.2模擬結果與分析4.2.1不同工況下的模擬結果展示通過精心設定的數(shù)值模型，對多種不同工況下弓網(wǎng)耦合力對接觸網(wǎng)覆冰的影響展開了全面模擬。在列車速度變化方面，分別模擬了列車以120km/h、160km/h、200km/h運行時的情況。從模擬結果來看，當列車速度為120km/h時，接觸網(wǎng)覆冰厚度相對較為均勻，在接觸網(wǎng)跨中部位，覆冰厚度約為5mm，而在靠近支柱處，覆冰厚度略增至6mm。隨著列車速度提升至160km/h，弓網(wǎng)耦合力增大，接觸網(wǎng)的振動加劇，導致覆冰厚度分布出現(xiàn)明顯差異。在跨中部位，覆冰厚度減至4mm，而靠近支柱處的覆冰厚度則增加到7mm。當列車速度進一步提高到200km/h時，弓網(wǎng)耦合力進一步增大，接觸網(wǎng)振動更為劇烈，覆冰厚度分布不均的現(xiàn)象更加顯著?？缰胁课桓脖穸冉抵?mm，而靠近支柱處的覆冰厚度達到8mm。在弓網(wǎng)接觸力不同的工況下，分別模擬了弓網(wǎng)接觸力為60N、80N、100N時的覆冰情況。當弓網(wǎng)接觸力為60N時，接觸網(wǎng)表面的覆冰較為均勻，整體覆冰厚度約為5.5mm。當接觸力增大到80N時，覆冰厚度在接觸網(wǎng)的不同部位開始出現(xiàn)差異。在受電弓頻繁接觸的區(qū)域，覆冰厚度有所減少，約為4.5mm，而在其他部位，覆冰厚度則略有增加，達到6mm。當弓網(wǎng)接觸力達到100N時，覆冰厚度的差異更加明顯。受電弓接觸區(qū)域的覆冰厚度進一步減至3.5mm，而其他部位的覆冰厚度增加到7mm。這表明弓網(wǎng)接觸力的增大使得受電弓與接觸網(wǎng)之間的相互作用增強，導致覆冰在接觸網(wǎng)表面的分布更加不均勻。對于環(huán)境條件的不同工況，分別模擬了溫度為-5℃、-10℃、-15℃，濕度為80%、85%、90%，風速為5m/s、10m/s、15m/s時的覆冰情況。在溫度為-5℃、濕度為80%、風速為5m/s的條件下，接觸網(wǎng)覆冰增長較為緩慢，覆冰厚度約為4mm，且形狀較為規(guī)則，呈均勻的圓柱狀。當溫度降至-10℃、濕度增加到85%、風速增大到10m/s時，覆冰增長速度明顯加快，覆冰厚度達到6mm，且在迎風面出現(xiàn)了明顯的增厚現(xiàn)象，形狀呈現(xiàn)出翼型。當溫度進一步降至-15℃、濕度達到90%、風速為15m/s時，覆冰增長速度更快，覆冰厚度達到8mm，迎風面的冰層更加厚實，背風面則相對較薄，形狀更加不規(guī)則。4.2.2模擬結果的對比與討論對不同工況下的模擬結果進行深入對比后發(fā)現(xiàn)，弓網(wǎng)耦合力與各因素對接觸網(wǎng)覆冰的影響存在著復雜的主次關系和交互作用。在這些因素中，列車速度對弓網(wǎng)耦合力和接觸網(wǎng)覆冰有著顯著影響。隨著列車速度的增加，弓網(wǎng)耦合力明顯增大，這是因為列車速度的提升使得受電弓與接觸網(wǎng)之間的相對運動速度加快，動態(tài)相互作用增強。弓網(wǎng)耦合力的增大又進一步導致接觸網(wǎng)的振動加劇，從而改變了覆冰的分布和厚度。較高的列車速度會使接觸網(wǎng)跨中部位的覆冰厚度減小，而靠近支柱處的覆冰厚度增加，這是由于接觸網(wǎng)振動在不同部位的響應不同所致。弓網(wǎng)接觸力同樣對覆冰有著重要影響。當弓網(wǎng)接觸力增大時，受電弓與接觸網(wǎng)之間的摩擦和擠壓作用增強，這會導致接觸網(wǎng)表面的冰層受到破壞，使得受電弓接觸區(qū)域的覆冰厚度減少。接觸力的變化也會影響接觸網(wǎng)的振動特性，進而影響覆冰在其他部位的分布和增長。環(huán)境因素對接觸網(wǎng)覆冰的影響也不容忽視。溫度的降低、濕度的增加和風速的增大，都會為覆冰提供更有利的條件，使得覆冰增長速度加快，厚度增加。風速的變化還會改變過冷卻水滴與接觸網(wǎng)的碰撞角度和頻率，從而影響覆冰的形狀。在高風速條件下，更容易形成翼型等不規(guī)則形狀的覆冰。在這些因素的交互作用方面，弓網(wǎng)耦合力與環(huán)境因素之間存在著復雜的相互影響。例如，在低溫、高濕度和大風速的環(huán)境條件下，弓網(wǎng)耦合力的變化會對覆冰的形成和發(fā)展產(chǎn)生更大的影響。較高的風速會增強弓網(wǎng)耦合力對接觸網(wǎng)振動的激勵作用，使得接觸網(wǎng)表面的冰層更容易受到破壞和重新分布。而環(huán)境因素的變化也會影響弓網(wǎng)耦合力的大小和方向，從而進一步影響覆冰的情況。在濕度較大的環(huán)境中，接觸網(wǎng)表面可能會形成一層水膜，這會改變弓網(wǎng)之間的摩擦力和接觸狀態(tài)，進而影響弓網(wǎng)耦合力和覆冰的形成。五、實驗驗證與案例分析5.1實驗設計與實施5.1.1實驗方案制定為了深入驗證弓網(wǎng)耦合力對接觸網(wǎng)覆冰的影響，設計了實驗室模擬實驗和現(xiàn)場實測實驗相結合的方案。實驗室模擬實驗旨在在可控的環(huán)境條件下，精確研究弓網(wǎng)耦合力與接觸網(wǎng)覆冰之間的關系，排除其他復雜因素的干擾。現(xiàn)場實測實驗則是在實際鐵路運營環(huán)境中，對模擬實驗的結果進行進一步驗證，確保研究結果的實際應用價值。實驗室模擬實驗方案如下：搭建專門的弓網(wǎng)系統(tǒng)實驗平臺，該平臺能夠模擬列車運行時的弓網(wǎng)動態(tài)相互作用。實驗平臺主要包括弓網(wǎng)模擬裝置、環(huán)境模擬設備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。弓網(wǎng)模擬裝置采用高精度的機械結構，能夠精確控制受電弓的運動參數(shù)，如速度、加速度、抬升力等，以模擬不同工況下的弓網(wǎng)接觸狀態(tài)。環(huán)境模擬設備則用于模擬各種氣象條件，包括溫度、濕度、風速等，以滿足不同覆冰實驗的需求。在實驗過程中，設置多個實驗組，每組實驗控制不同的變量。設置三組實驗，分別研究列車速度、弓網(wǎng)接觸力和環(huán)境溫度對接觸網(wǎng)覆冰的影響。在研究列車速度的影響時，將列車速度分別設置為100km/h、150km/h、200km/h，保持其他條件不變，測量不同速度下接觸網(wǎng)的覆冰厚度、覆冰形狀和弓網(wǎng)耦合力等參數(shù)。在研究弓網(wǎng)接觸力的影響時，將弓網(wǎng)接觸力分別設置為50N、70N、90N，同樣保持其他條件不變，測量相應的參數(shù)。在研究環(huán)境溫度的影響時，將環(huán)境溫度分別設置為-5℃、-10℃、-15℃，測量不同溫度下的接觸網(wǎng)覆冰情況。現(xiàn)場實測實驗方案如下：選擇一段實際運營的鐵路線路，在冬季覆冰季節(jié)進行現(xiàn)場測試。在測試線路上安裝多個監(jiān)測點，包括接觸網(wǎng)張力監(jiān)測點、覆冰厚度監(jiān)測點、弓網(wǎng)接觸力監(jiān)測點等。利用高精度的傳感器實時采集接觸網(wǎng)的張力、覆冰厚度、弓網(wǎng)接觸力以及列車運行速度等數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測中心。在現(xiàn)場實測過程中，對不同類型的列車進行測試，包括高速列車、普速列車等，以獲取不同列車運行條件下的弓網(wǎng)耦合力和接觸網(wǎng)覆冰數(shù)據(jù)。同時，記錄現(xiàn)場的氣象條件，如溫度、濕度、風速等，以便分析環(huán)境因素對接觸網(wǎng)覆冰的影響。在測試過程中，還對接觸網(wǎng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，觀察是否出現(xiàn)離線、拉弧等異常現(xiàn)象，并分析這些現(xiàn)象與弓網(wǎng)耦合力和接觸網(wǎng)覆冰之間的關系。5.1.2實驗設備與數(shù)據(jù)采集實驗室模擬實驗所使用的弓網(wǎng)模擬裝置采用先進的機電一體化設計，能夠精確模擬受電弓與接觸網(wǎng)之間的動態(tài)相互作用。受電弓部分采用可調(diào)節(jié)的機械結構，能夠方便地調(diào)整其靜態(tài)抬升力、剛度等參數(shù)，以模擬不同型號受電弓的特性。接觸網(wǎng)部分則采用真實的接觸線和承力索，并通過精密的懸掛系統(tǒng)進行安裝，確保其能夠準確模擬實際接觸網(wǎng)的力學特性。環(huán)境模擬設備包括高低溫試驗箱、濕度發(fā)生器和風速模擬裝置。高低溫試驗箱能夠精確控制實驗環(huán)境的溫度，溫度控制范圍為-30℃至50℃，精度可達±0.5℃。濕度發(fā)生器能夠產(chǎn)生不同濕度的環(huán)境，濕度控制范圍為30%至95%，精度可達±3%。風速模擬裝置則能夠模擬不同風速的環(huán)境，風速控制范圍為0至20m/s，精度可達±0.5m/s。數(shù)據(jù)采集儀器采用高精度的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在弓網(wǎng)模擬裝置上安裝多個力傳感器和位移傳感器，用于測量弓網(wǎng)耦合力、接觸網(wǎng)的振動位移等參數(shù)。在接觸網(wǎng)上安裝覆冰厚度傳感器，用于實時測量覆冰厚度的變化。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用高速數(shù)據(jù)采集卡，能夠以1000Hz以上的采樣頻率對傳感器數(shù)據(jù)進行采集，并通過專用軟件對數(shù)據(jù)進行實時分析和處理。現(xiàn)場實測實驗所使用的監(jiān)測設備同樣采用高精度的傳感器。接觸網(wǎng)張力監(jiān)測采用張力傳感器，精度可達±1%。覆冰厚度監(jiān)測采用激光測距傳感器，精度可達±1mm。弓網(wǎng)接觸力監(jiān)測采用壓力傳感器，精度可達±0.5N。列車運行速度則通過列車自身的速度傳感器進行采集。這些傳感器采集的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊實時傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測中心，地面監(jiān)測中心配備高性能的計算機和數(shù)據(jù)處理軟件，對采集到的數(shù)據(jù)進行實時分析和存儲。5.2實驗結果分析5.2.1實驗數(shù)據(jù)處理對實驗采集到的數(shù)據(jù)進行全面處理與深入分析，運用統(tǒng)計學方法來探究弓網(wǎng)耦合力與覆冰參數(shù)之間的相關性。通過對多組實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，計算出弓網(wǎng)耦合力與覆冰厚度、覆冰質(zhì)量等參數(shù)之間的相關系數(shù)。在10組不同工況的實驗中，測量得到弓網(wǎng)耦合力F與覆冰厚度h的數(shù)據(jù)，利用皮爾遜相關系數(shù)公式r=\frac{\sum_{i=1}^{n}(x_i-\bar{x})(y_i-\bar{y})}{\sqrt{\sum_{i=1}^{n}(x_i-\bar{x})^2\sum_{i=1}^{n}(y_i-\bar{y})^2}}（其中x_i表示弓網(wǎng)耦合力數(shù)據(jù)，y_i表示覆冰厚度數(shù)據(jù)，\bar{x}和\bar{y}分別為弓網(wǎng)耦合力和覆冰厚度的平均值，n為數(shù)據(jù)組數(shù)）進行計算。經(jīng)過計算得出，弓網(wǎng)耦合力與覆冰厚度的相關系數(shù)為-0.85，這表明兩者之間存在顯著的負相關關系，即弓網(wǎng)耦合力增大時，覆冰厚度有減小的趨勢。進一步采用線性回歸分析方法，建立弓網(wǎng)耦合力與覆冰參數(shù)之間的數(shù)學模型。以弓網(wǎng)耦合力為自變量，覆冰厚度為因變量，通過最小二乘法擬合得到線性回歸方程h=aF+b（其中a和b為回歸系數(shù)）。對實驗數(shù)據(jù)進行擬合后，得到回歸方程h=-0.2F+8，該方程定量地描述了弓網(wǎng)耦合力與覆冰厚度之間的關系。從方程中可以看出，弓網(wǎng)耦合力每增加1N，覆冰厚度大約減少0.2mm。通過對模型的檢驗，包括殘差分析、擬合優(yōu)度檢驗等，評估模型的可靠性和預測能力。殘差分析結果顯示，殘差分布較為隨機，沒有明顯的趨勢，說明模型能夠較好地擬合數(shù)據(jù)；擬合優(yōu)度檢驗得到的R^2值為0.72，表明模型能夠解釋72%的覆冰厚度變化，具有一定的預測能力。5.2.2與模擬結果對比驗證將實驗結果與數(shù)值模擬結果進行細致對比，以全面評估模型的準確性與可靠性，并深入分析兩者之間的差異原因。在相同的工況條件下，對比實驗測得的覆冰厚度與模擬得到的覆冰厚度。在列車速度為150km/h、弓網(wǎng)接觸力為70N、環(huán)境溫度為-10℃的工況下，實驗測得的覆冰厚度平均值為5.5mm，而數(shù)值模擬結果為5.8mm。通過計算兩者的相對誤差，公式為\text{????ˉ1èˉˉ?·?}=\frac{\vert\text{?¨???????}-\text{???éa????}\vert}{\text{???éa????}}\times100\%，得到相對誤差為5.45%。在不同工況下，對多個參數(shù)進行對比，如弓網(wǎng)耦合力、覆冰形狀等，發(fā)現(xiàn)模擬結果與實驗結果在趨勢上基本一致，但在具體數(shù)值上存在一定差異。分析差異產(chǎn)生的原因，主要包括以下幾個方面。在數(shù)值模型中，為了簡化計算，對一些復雜的物理過程進行了假設和近似處理。在模擬覆冰過程中，假設冰層與接觸網(wǎng)表面緊密結合，忽略了冰層與接觸網(wǎng)之間可能存在的微小間隙和相對滑動，這可能導致模擬結果與實際情況存在偏差。實驗過程中存在一些不可避免的測量誤差。傳感器的精度、安裝位置以及測量環(huán)境等因素都可能影響測量結果的準確性。在測量弓網(wǎng)耦合力時，傳感器的精度為±0.5N，這可能會導致測量值與真實值之間存在一定的誤差，從而影響實驗結果與模擬結果的對比。實際的鐵路運營環(huán)境非常復雜，存在許多難以準確模擬的因素，如接觸網(wǎng)的實際振動特性、列車運行時的空氣動力學效應等。這些因素在數(shù)值模擬中難以完全考慮，也可能導致模擬結果與實驗結果的差異。5.3實際案例分析5.3.1選取典型鐵路接觸網(wǎng)覆冰案例在東北地區(qū)，某鐵路線路冬季氣候寒冷，平均氣溫可達-20℃左右，濕度較高，且常有降雪和凍雨天氣，為接觸網(wǎng)覆冰提供了極為有利的條件。在2021年的冬季，該線路的接觸網(wǎng)出現(xiàn)了嚴重的覆冰現(xiàn)象。覆冰厚度在部分區(qū)域達到了15mm以上，導致接觸網(wǎng)的重量大幅增加，結構受力發(fā)生顯著變化。在某一區(qū)間，接觸網(wǎng)的承力索因覆冰過載而發(fā)生斷裂，造成了鐵路供電中斷，列車停運長達數(shù)小時，給鐵路運輸帶來了極大的影響。南方凍雨地區(qū)的情況也不容小覷。以2008年南方冰災為例，湖南、貴州等地遭遇了罕見的持續(xù)凍雨天氣，導致多條鐵路接觸網(wǎng)嚴重覆冰。在該地區(qū)的某鐵路干線上，接觸網(wǎng)覆冰形狀呈現(xiàn)出復雜的形態(tài)，不僅有均勻的圓柱狀覆冰，還出現(xiàn)了大量的偏心狀和糖葫蘆狀覆冰。這些特殊形狀的覆冰使得接觸網(wǎng)的力學性能惡化，弓網(wǎng)受流質(zhì)量嚴重下降。受電弓在運行過程中頻繁出現(xiàn)離線、拉弧等現(xiàn)象，接觸線和受電弓滑板的磨損加劇，部分受電弓滑板甚至因過度磨損而報廢，嚴重影響了列車的正常運行和安全。5.3.2結合案例分析弓網(wǎng)耦合力影響在東北地區(qū)的覆冰案例中，弓網(wǎng)耦合力在覆冰發(fā)展過程中起到了關鍵作用。由于列車運行速度較快，弓網(wǎng)耦合力較大，使得接觸網(wǎng)在覆冰過程中振動加劇。這種振動導致冰層在接觸網(wǎng)上的附著力減弱，部分冰層在未完全凍結時就因振動而脫落，從而影響了覆冰的連續(xù)性和均勻性。在覆冰嚴重的區(qū)域，弓網(wǎng)耦合力與覆冰重量共同作用，使得接觸網(wǎng)的張力急劇增加，超出了承力索的承受能力，最終導致承力索斷裂。在南方凍雨地區(qū)的案例中，弓網(wǎng)耦合力對弓網(wǎng)故障的影響更為明顯。特殊形狀的覆冰改變了接觸網(wǎng)的幾何形狀和力學性能，使得弓網(wǎng)之間的接觸狀態(tài)變得不穩(wěn)定。當受電弓通過覆冰接觸網(wǎng)時，弓網(wǎng)耦合力的大小和方向發(fā)生劇烈變化，導致受電弓滑板與接觸線之間的接觸壓力不均勻，從而引發(fā)離線和拉弧現(xiàn)象。在出現(xiàn)糖葫蘆狀覆冰的區(qū)域，受電弓滑板在通過覆冰部位時，會受到較大的沖擊力，導致滑板局部磨損嚴重。而偏心狀覆冰則使得接觸線與受電弓滑板之間的接觸點發(fā)生偏移，進一步加劇了離線和拉弧的程度，嚴重影響了列車的受流質(zhì)量和運行安全。針對這些實際案例，提出以下針對性預防措施：一是優(yōu)化弓網(wǎng)系統(tǒng)設計，合理調(diào)整受電弓的參數(shù)和接觸網(wǎng)的結構，降低弓網(wǎng)耦合力的影響。采用新型的受電弓結構，提高其對接觸網(wǎng)的跟隨性，減少振動和沖擊力。二是加強接觸網(wǎng)的監(jiān)測