氣動力作用對弓網受流影響的研究分析

張 冰，劉會平，韓通新

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

弓網受流是電化列車獲得動力的關鍵環節。隨著250～350 km／h高速鐵路的投入運營，弓網系統受到的高速氣流動力作用顯著增大，干擾弓網受流性能，影響列車正常運行和安全。研究氣動力作用對改進受電弓設計、調試弓網關系、保障高速列車行車安全，都具有重要理論意義和應用價值。目前國內外針對弓網關系的研究取得了很大進展，研究受電弓的氣動力特性，可以采用理論計算、隨車運行測試和風洞模擬試驗等手段［1－3］。隨著京津、武廣、鄭西、滬杭、京滬高鐵的運營，在實際運營線路上進行動車組受電弓氣動力學及弓網受流的運行測試，是有效的研究試驗手段。

分析了弓網受流與氣動力學的關系，建立受電弓氣動力學分析模型，采用隨車運行測試和風洞試驗取得的試驗數據，分析比較不同受電弓類型、運動方向、運行速度條件下的受電弓氣動力變化與弓網受流的影響關系，為受電弓優化氣動力性能，改善弓網受流提供技術依據。

1 弓網受流與氣動力效應

1.1 弓網受流系統

接觸網和受電弓是弓網系統的基本組成部分。弓網受流是一個動態過程，只有保持弓網間的平滑運行和可靠接觸才能保證列車不斷地從接觸網上獲得電能。弓網接觸力不穩定和弓網間跟隨性不好，是造成離線火花、功率傳輸不穩定、接觸線及受電弓滑板磨耗、電磁干擾的重要因素［4］。受電弓與接觸線在滑動過程中，若接觸力過小，功率損耗增加，受電弓運行起來容易產生離線和燃弧，從而導致接觸線和滑板的電磨損增加；若接觸力過大，又會使機械磨損增加，接觸網抬升量增大，嚴重時造成滑板局部磨損，進而造成接觸線彈跳拉弧，以致刮弓?？梢姡W動態接觸力是在列車高速運行條件下，描述受電弓與接觸線之間的接觸程度和狀態的關鍵力學因素，動態接觸力范圍是評價與控制受流質量的重要條件及內容。

1.2 氣動力效應

列車在以空氣為介質的空間中運行并受到氣動作用力。隨著列車運行速度的提高，空氣阻力與車速平方成正比關系增大，并在列車周圍形成較大的不穩定氣流，對車身產生橫向和豎向的振動與沖擊作用，影響列車穩定性和安全。因此，氣動力影響成為高速列車設計、制造和運行的重要問題。

從弓網系統結構看，高速列車的氣動力作用能顯著影響弓網之間動態接觸力的穩定性。根據氣動力學原理，當列車高速運行時，受電弓受到空氣壓差力F和空氣摩擦力R的綜合作用。前者是沿運行方向在受電弓前后兩面形成的空氣壓力差；后者是在受電弓滑板和框架外表面形成的空氣黏附阻力［5－6］。弓網結構還會造成空氣的紊流振動作用；當受電弓設置導流裝置時，還會因導流翼片上下空氣壓差形成附加豎向升力。列車高速運動形成的氣動力作用能顯著影響受電弓的總體豎向抬升力，進而影響弓網動態接觸力變化范圍。

2 受電弓受力模型

目前國內高速列車普遍采用的受電弓結構，一般由固定支座、上臂桿、下臂桿、平衡桿、空氣彈簧、中間鉸接支座、弓頭滑板、導流翼片等部件組成，受電弓結構、運行速度和方向、自然風以及電力機車及動車頂部形狀等，都對受電弓的氣動力作用產生影響。列車高速運行對受電弓臂桿、滑板和導流翼片等產生的氣動力合力可分解為豎向分力和水平分力。水平分力對弓網接觸力和受流影響較小，可忽略不計；而豎向分力即抬升力則對弓網動態接觸力產生較大的直接作用，從而影響受流關系。因此只需考慮空氣抬升力對弓網動態接觸力的影響。

根據上述分析，影響弓網受流的動態接觸力是多種力學因素豎向分力的綜合作用結果（如圖1所示），包括受電弓支架的初始抬升力，受電弓高度快速變化產生的豎向慣性力，氣動力作用的動態抬升力，受電弓高度變化時鉸接處的摩擦阻力。根據力學平衡原理，受電弓在高速運行過程中的弓網力學方程的豎向分量可表示為公式（1），當受電弓向上運動時取負號，受電弓向下運動時取正號。

圖1 典型受電弓動態豎向受力分析模型

式中B為弓網動態接觸力，N；B0為受電弓初始抬升力，N；B m為受電弓鉸接處摩擦阻力，N；B a為受電弓壓力的動力分量，N，B a＝ma，其中m為受電弓歸算質量，a為豎向運動加速度并隨受電弓高度變化；Bk為受電弓的氣動力豎向分量，N，隨機車運行速度的變化在很大范圍發生改變。

3 受電弓氣動力學性能試驗研究

目前國內高速動車組安裝的受電弓包括：（1）雙滑板單臂受電弓，即DSA250型、DSA380型、SSS400型，均為非主動控制型受電弓；（2）單滑板單臂受電弓即法維萊CX型，為主動控制型受電弓。以上各類型受電弓在正式運營之前都完成了受電弓氣動力學的線路運行測試，獲得了大量的試驗數據，以優化受電弓氣動力性能，并確定最優的氣動力性能調整方案。以DSA250型、SSS400型、法維萊CX型受電弓為例，分析不同受電弓類型、運動方向和運行速度條件下受電弓氣動力變化對弓網受流的影響。

受電弓所受的氣動力是弓網動態接觸力的重要組成；弓網動態接觸力必須保持在合適的范圍內，才能保證受電弓正常的取流。在列車高速運行過程中，氣動力變化直接影響弓網動態接觸力變化范圍，從而影響受流質量。根據式（1），確定3組試驗的測試參數。

3.1 DSA250型受電弓測試

DSA250型受電弓是目前用在250 km／h速度以下動車組的雙滑板單臂受電弓。在實際線路測試中，開口方向運行時弓網動態接觸力顯著偏小，影響受電弓取流，因此進行風洞試驗來分析優化氣動力性能。圖2為優化前后的風洞試驗數據曲線，在弓頭的橫桿上加裝導流板以改善氣動力特性來加大弓網動態接觸力。調整后在實際線路上進行了測試，進一步調整導流板的角度，使氣動力性能更加優化，弓網動態接觸力達到了合理的范圍，其弓網受流性能得到顯著的提高。

圖2 DSA250型加裝導流板前后的風洞試驗結果

3.2 SSS400型受電弓測試

SSS400為雙滑板單臂高速受電弓，滿足運行速度350 km／h高速動車組的需要。采用在每個滑板和頂管彎頭彈簧箱下各加裝兩個導流翼片的結構，來改變氣動力學性能。

利用受電弓氣動力學檢測系統分兩個步驟進行測試，以解決受電弓開口方向和閉口方向所受到的氣動力以及兩條滑板受到的氣動力的平衡問題。第1步被測受電弓不作為取流弓，滑板與接觸線不接觸，測試受電弓氣動力，并依據數據對受電弓導流翼片角度進行反復調整；第2步當受電弓滑板氣動力調整達到預定目標時，進行被測受電弓取流的弓網動態接觸力測試，并再次對受電弓導流翼片進行調整，以達到受電弓受流良好［4］。

3.2.1 氣動力測試結果

在武廣高速線路，對CRH2－068C動車組安裝的SSS400型受電弓進行氣動力學測試分析，以改善氣動力對受電弓的影響。圖3～圖6分別為開口方向和閉口方向受電弓氣動力學性能測試結果，其中包括前滑板、后滑板和總氣動力變化曲線。

分析受電弓氣動力學數據可知，在速度達到350 km／h時，開口方向前后滑板受力均勻，但是閉口方向前后滑板受力相差20 N，不平衡；多次調整導流翼板角度后，開閉口方向前后滑板受力相差都降低到10 N以內，前后滑板受力比值均調整到標準值（0.8～1.2）范圍內。

圖3 開口方向氣動力曲線（導流翼板調整前）

圖4 閉口方向氣動力曲線（導流翼板調整前）

圖5 開口方向氣動力曲線（導流翼板調整后）

圖6 閉口方向氣動力曲線（導流翼板調整后）

3.2.2 弓網動態接觸力測試結果

被測受電弓開始取流，進行弓網動態接觸力的測試，以確定實際開口和閉口方向平均接觸力是否在標準范圍內。圖7、圖8的動態接觸力實測曲線表明，受電弓導流翼片調整后，開閉口運行時弓網動態接觸力比較均衡，開口方向平均動態接觸力在80～90 N之間，閉口方向平均動態接觸力在100～110 N之間，弓網受流性能良好。

圖7 開口方向接觸力動態曲線（導流翼板調整后）

圖8 閉口方向接觸力動態曲線（導流翼板調整后）

3.3 法維萊CX型受電弓測試

法維萊CX型為單滑板單臂主動控制型受電弓，其結構特性與雙滑板有明顯不同。它克服了雙滑板在運行過程中前后滑板不平衡和跟隨性差的問題，因此在進行氣動力學性能測試時只需考慮開閉口運行時氣動力的差別。采用與SSS400型相同的測試方法，在武廣高速線路，通過CRH3動車組進行氣動力學實測分析。第1步通過主動控制調整，使開閉口氣動力比較接近。圖9、圖10所示氣動力學性能調整后的數據結果表明，在350 km／h速度下，開口方向總的氣動力為180 N左右，閉口方向總的氣動力為150 N左右。第2步通過弓網動態接觸力測試，確定實際最終開閉口方向的接觸力是否在標準范圍內，達到了預期效果。

圖9 閉口方向氣動力曲線（調整后）

圖10 開口方向氣動力曲線（調整后）

4 結論

通過闡述弓網受流與空氣動力學的關系，分析受電弓氣動力學模型，結合實際線路運行試驗和風洞試驗的具體數據結果，研究氣動力作用對弓網受流的影響。研究結果表明：

（1）列車運行速度、受電弓結構特性和運行方向都對氣動力有顯著影響，從而影響弓網動態接觸力；

（2）通過優化和調整受電弓結構特性，改善了受電弓氣動力學性能，使弓網接觸力保持在合理的范圍內，并受力平穩，可以提高弓網受流質量；

（3）雙滑板受電弓與單滑板主控式受電弓在結構特性及主動控制的功能方面存在差別，導致了弓網受流性能的不同，需要進一步深入研究。

［1］劉會平，韓通新，劉 摩，等.高速受電弓空氣動力學性能測量與分析［C］.中國鐵道科學研究院60周年學術論文集，2010：418－420.

［2］J.Pombo，Influence of the aerodynamic forces on the pantograph－catenary system for high－speed trains［J］.Vehicle System Dynamics，2009，47（11）：1 327－1 347.

［3］宋洪磊，吳俊勇，吳 燕，等.空氣動力作用對高速受電弓受流特性影響研究［J］.電氣化鐵道，2010，（1）：28－31.

［4］韓通新.弓網受流中出現連續火花的原因分析［J］.鐵道機車車輛，2003，（3）：58－61.

［5］吳子牛，王 兵，周 睿.空氣動力學［M］.清華大學出版社，2007.

［6］宋 偉，徐海東.空氣動力對弓網接觸壓力影響的研究［J］.電氣化鐵道，2010，（6）：31－33.