電氣化鐵路弓網關系研究及仿真

王明濤+方俊+王崢

摘 要：列車受電弓從接觸網受流是在動態運行完成的，不同的接觸網-受電弓組合會產生不同的作用性能，良好的弓網關系是保證列車受流安全可靠的必要前提。文章通過對受電弓特性及弓網受流的性能評價進行分析，建立起仿真分析模型，最后根據仿真分析結果對弓網作用關系進行評價。

關鍵詞：接觸網；受電弓；受流

中圖分類號：U226.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0191-02

引言

在受電弓與接觸網組成的供電耦合系統中，受電弓對接觸網進行激勵，振動波沿接觸網傳播，過程中會產生反射，并且列車高速運行過程中受電弓會使弓網振動幅度增大，使接觸網的抬升進一步增加。受電弓與接觸網的這種動態相互作用與列車的運行速度密切相關。隨著列車運行速度的提高，空氣動力也會參與其中。

因此，在電氣列車運行過程中，弓網接觸壓力以及接觸網的抬升是不斷變化的。弓網接觸力和接觸網抬升是受電弓和接觸網兩個振動子系統相互耦合的結果，可以用來評估受電弓和接觸網的接觸質量。

對于電氣化鐵路，有必要通過弓網仿真有針對性的對受電弓與接觸網的匹配性進行研究，在保證弓網系統運行可靠性的前提下，提高弓網系統的接觸質量和延長弓網系統的運行壽命，降低弓網系統運營成本，為高速受電弓與剛性接觸網系統的健康發展提供科學依據。

1 主要研究內容

本課題從受電弓和接觸網相互作用入手，研究受電弓與接觸網的工作動態，通過受電弓與接觸網動態作用仿真分析，給出受電弓與接觸網動態移動時，接觸壓力與時間相關的特性，以及和接觸網抬升的相互關系，對相應的接觸網-受電弓系統進行評價。

2 研究思路與技術路線

根據具體的接觸網設計參數和受電弓技術參數，利用有限元的方法建立整個錨段接觸網的FEM模型；建立受電弓的模型；同時依據EN3018或現場實測數據確認仿真模型的有效性；最后根據仿真分析的結果對現有弓網關系進行評價，若存在問題，則結合現場實際應用情況給出成因分析及合理化建議。

3 受電弓結構及特性

受電弓是安裝在車輛上，實現列車從接觸網取得電流的專用設備，一般由底架、框架、弓頭和傳動系統等組成。受電弓的結構與技術特性對弓網系統的運行品質有著舉足輕重的作用，如果受電弓與接觸網不匹配，就不會產生所期望的結果。

受電弓的特性包括電氣性能、靜態接觸力、空氣動力、動態接觸力、抬升力及動態特性等方面。受電弓與接觸網組成的系統簡稱弓網系統，弓網系統要求：動態接觸力和接觸網抬升應在允許范圍內；通過弓網接觸點的電流應能滿足車輛各種情況下的運行需要；符合可靠性和使用壽命方面的規定。弓網系統要求的這些功能可細分為機械、材料、電氣、幾何、運行和維護等幾個方面，各個方面既相互區別又相互聯系。

4 弓網相互作用的性能與評價標準

幾何參數：依照互聯互通規則運行的基礎結構類型，車輛受電弓應符合標準規定的幾何特征。基礎結構的管理者應確保架空接觸網的幾何特征值符合受電弓的弓頭輪廓要求。

材料接口：接觸網和滑板的磨耗，以及接觸點的允許最大電流，在很大程度上依賴于接觸網和滑板的材料。接觸網一般采用銅或銅合金，滑板材料建議選用純碳，在集流量較大的情況下，可浸入額外的金屬。

集流量：接觸網中的電流取決于列車運行速度、列車重量、列車間距、線路坡度和接觸網的結構。受電弓和接觸網的性能應滿足于不出現過熱。列車的電流需求應服從于接觸網的工作極限。靜態接觸力應滿足于靜止狀態下的可靠取流。靜止狀態下，AC25kV系統的靜態接觸力通常為60～90N。

動態相互作用性能：弓網動態相互作用性能影響到列車的運行性能、列車的安全性及接觸網和滑板的磨耗。弓網動態性能取決于接觸網與受電弓的匹配性以及運行環境。基本運行環境是指列車運行速度、受電弓的數量及位置。

5 受電弓與接觸網動態作用仿真

受電弓與接觸網動態作用仿真是要確定受電弓作用在接觸網上的移動接觸力與時間相關的特性，以及和接觸網抬升的相互關系。受電弓與接觸網在弓網接觸點形成了兩個子系統的耦合，這就需要分別建立合適的受電弓和接觸網的模型，合理模擬接觸點的特性和相互作用，并計算出接觸點的垂直運動和接觸力。弓網系統的動態特性與頻率相關，應針對弓網動態相互作用仿真所研究的對象確定關注的頻率范圍，這一頻率范圍應該與受電弓模型、架空接觸網模型、仿真模型以及弓網動態相互作用性能參數測量系統的頻率范圍保持一致。

為了使弓網動態相互作用的仿真結果令人信服，需要對仿真方法進行確認。將仿真結果與在線實測結果進行比較，或與其他已被確認的仿真方法進行比較是常用的兩種仿真確認手段。

建立25kV供電的受電弓及接觸網仿真模型，升起后部受電弓以200km/h運行，仿真數據如表1所示，仿真曲線如圖1所示，接觸力分布如圖2所示。

在200km/h情況下，列車使用后部受電弓集流時，受電弓與接觸網系統的動態性能符合EN50367：2006標準要求，弓網機械接觸良好，弓網無離線。

6 結束語

本文探討了受電弓的結構及工作原理，提出了受電弓與接觸網相互作用的性能及評價標準，通過仿真手段對具體的弓網關系進行分析可以得出以下結論：（1）提出了受電弓與接觸網相互作用的性能及評價標準，受電弓與接觸網選型要相互匹配；（2）分析的受電弓與接觸網模型的動態性能符合標準要求，弓網無離線。

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