电气化铁路弓网关系研究及仿真

王明涛+方俊+王峥

摘 要：列车受电弓从接触网受流是在动态运行完成的，不同的接触网-受电弓组合会产生不同的作用性能，良好的弓网关系是保证列车受流安全可靠的必要前提。文章通过对受电弓特性及弓网受流的性能评价进行分析，建立起仿真分析模型，最后根据仿真分析结果对弓网作用关系进行评价。

关键词：接触网；受电弓；受流

中图分类号：U226.8 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0191-02

引言

在受电弓与接触网组成的供电耦合系统中，受电弓对接触网进行激励，振动波沿接触网传播，过程中会产生反射，并且列车高速运行过程中受电弓会使弓网振动幅度增大，使接触网的抬升进一步增加。受电弓与接触网的这种动态相互作用与列车的运行速度密切相关。随着列车运行速度的提高，空气动力也会参与其中。

因此，在电气列车运行过程中，弓网接触压力以及接触网的抬升是不断变化的。弓网接触力和接触网抬升是受电弓和接触网两个振动子系统相互耦合的结果，可以用来评估受电弓和接触网的接触质量。

对于电气化铁路，有必要通过弓网仿真有针对性的对受电弓与接触网的匹配性进行研究，在保证弓网系统运行可靠性的前提下，提高弓网系统的接触质量和延长弓网系统的运行寿命，降低弓网系统运营成本，为高速受电弓与刚性接触网系统的健康发展提供科学依据。

1 主要研究内容

本课题从受电弓和接触网相互作用入手，研究受电弓与接触网的工作动态，通过受电弓与接触网动态作用仿真分析，给出受电弓与接触网动态移动时，接触压力与时间相关的特性，以及和接触网抬升的相互关系，对相应的接触网-受电弓系统进行评价。

2 研究思路与技术路线

根据具体的接触网设计参数和受电弓技术参数，利用有限元的方法建立整个锚段接触网的FEM模型；建立受電弓的模型；同时依据EN3018或现场实测数据确认仿真模型的有效性；最后根据仿真分析的结果对现有弓网关系进行评价，若存在问题，则结合现场实际应用情况给出成因分析及合理化建议。

3 受电弓结构及特性

受电弓是安装在车辆上，实现列车从接触网取得电流的专用设备，一般由底架、框架、弓头和传动系统等组成。受电弓的结构与技术特性对弓网系统的运行品质有着举足轻重的作用，如果受电弓与接触网不匹配，就不会产生所期望的结果。

受电弓的特性包括电气性能、静态接触力、空气动力、动态接触力、抬升力及动态特性等方面。受电弓与接触网组成的系统简称弓网系统，弓网系统要求：动态接触力和接触网抬升应在允许范围内；通过弓网接触点的电流应能满足车辆各种情况下的运行需要；符合可靠性和使用寿命方面的规定。弓网系统要求的这些功能可细分为机械、材料、电气、几何、运行和维护等几个方面，各个方面既相互区别又相互联系。

4 弓网相互作用的性能与评价标准

几何参数：依照互联互通规则运行的基础结构类型，车辆受电弓应符合标准规定的几何特征。基础结构的管理者应确保架空接触网的几何特征值符合受电弓的弓头轮廓要求。

材料接口：接触网和滑板的磨耗，以及接触点的允许最大电流，在很大程度上依赖于接触网和滑板的材料。接触网一般采用铜或铜合金，滑板材料建议选用纯碳，在集流量较大的情况下，可浸入额外的金属。

集流量：接触网中的电流取决于列车运行速度、列车重量、列车间距、线路坡度和接触网的结构。受电弓和接触网的性能应满足于不出现过热。列车的电流需求应服从于接触网的工作极限。静态接触力应满足于静止状态下的可靠取流。静止状态下，AC25kV系统的静态接触力通常为60～90N。

动态相互作用性能：弓网动态相互作用性能影响到列车的运行性能、列车的安全性及接触网和滑板的磨耗。弓网动态性能取决于接触网与受电弓的匹配性以及运行环境。基本运行环境是指列车运行速度、受电弓的数量及位置。

5 受电弓与接触网动态作用仿真

受电弓与接触网动态作用仿真是要确定受电弓作用在接触网上的移动接触力与时间相关的特性，以及和接触网抬升的相互关系。受电弓与接触网在弓网接触点形成了两个子系统的耦合，这就需要分别建立合适的受电弓和接触网的模型，合理模拟接触点的特性和相互作用，并计算出接触点的垂直运动和接触力。弓网系统的动态特性与频率相关，应针对弓网动态相互作用仿真所研究的对象确定关注的频率范围，这一频率范围应该与受电弓模型、架空接触网模型、仿真模型以及弓网动态相互作用性能参数测量系统的频率范围保持一致。

为了使弓网动态相互作用的仿真结果令人信服，需要对仿真方法进行确认。将仿真结果与在线实测结果进行比较，或与其他已被确认的仿真方法进行比较是常用的两种仿真确认手段。

建立25kV供电的受电弓及接触网仿真模型，升起后部受电弓以200km/h运行，仿真数据如表1所示，仿真曲线如图1所示，接触力分布如图2所示。

在200km/h情况下，列车使用后部受电弓集流时，受电弓与接触网系统的动态性能符合EN50367：2006标准要求，弓网机械接触良好，弓网无离线。

6 结束语

本文探讨了受电弓的结构及工作原理，提出了受电弓与接触网相互作用的性能及评价标准，通过仿真手段对具体的弓网关系进行分析可以得出以下结论：（1）提出了受电弓与接触网相互作用的性能及评价标准，受电弓与接触网选型要相互匹配；（2）分析的受电弓与接触网模型的动态性能符合标准要求，弓网无离线。

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