（光学工程专业论文）摆式列车受电弓随动系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 摆式列车动车组发展迅速，应用也将更加广泛。在摆式列车研究”发进行的 i 司时，伴随计算机、网络及控制技术在列车上的应用，独立研制动作精确、可靠 性- 岛、易j 二控制的受电弓随动系统就非常必要。 本文对国内外高速列车、摆式列车的受电弓研究及应用现状进行综述，归纳 总结搂式列车受电弓技术研究的发展现状，分析摆式列车的受流特性，较系统地 研究摆式列车受电弓随动系统的功能、设计和控制，对受电弓支承系统的运行轨 迹进行分析、计算和仿真模拟，最后初步设计出一种主动控制的受电弓随动系统 模型，为受电弓随动系统的设计与参数优选提供参考。论文主要包括以卜内容： ( 1 ) 概述高速列车、摆式列车及相关技术，对国内外商速列乍、摆式列年的 受电弓l i f 究及应用现状进行归纳总结，综述摆式列车受电弓技术研究的发展现 状。 ( 2 ) 对电力机车受电弓现状进行简述，分析车体倾摆情况f 机1 1 对受电q 几何关系、运动关系、振动特性、稳定性以至受流质量的影l 岣；最后削述摆式列 车受i 乜t 弓随动系统的必要性。 ( 3 ) 对受电弓随动系统进行运动学分析，分析随动系统应浚满足的运动舰 律，然后通过分析随动系统、车体、转向架之间的相互关系，推导随功系统导轨 的关系式。 ( 4 ) 对受电弓随动系统进行分析和概念设计，对随动系统的总体结构以及主 要的零部件进行结构分析和设计，然后通过计算机程序对随动系统的运行轨迹进 行仂真计算年模拟。 ( 5 ) 对随动系统控制系统的功能要求，倾摆检测子系统、随动系统作动子系 统、控制子系统进行分析；讨论随动系统控制系统的控制策略和控制算法。 ( 6 ) 最后对论文工作进行总结，对受电弓的相关 i ：i f 究进行胜望。 关键词：摆式列车，受电弓，随动系统，导轨设计，运动控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 a b s t r a c t i i il in gl r a i nisd e v e l o p i n gq u i c k l ya n dw i i lh ea p p i i e dw id e iy w h i ie t h eiil in gt r a ini sd e v e l o p i n g ，a l o n gw it ht h ea p p ic a t i o no f _ t h e l j e c h n iq u eo f t h ec o m p u t e r ，n e t w o r ka n dc o n t r o l ，t h ed e v e i o p l l l o f ll0 i t h e p a nl 1 ) g r a p hs e r v os y s t e mi n d e p e n d e n t i y ，w h ic ha c t i o np r e c is o 。h i g h r e ii 1 1 ) i ty ，e a s ec ( ) n t r o l ，isv e r yi m p o r t a nl ulh ei h e s is i ti ss u m m e du pt h a tt h es t t j d ya n dt i l ea p p ie l ll i o no f t h ep a n t o g r a p hserves y s t e mo ft h eh i g h s p e e dl r a i n t h el il in gt r a in t h ec i t e n a l l yq u a | i t yn rt h el i i t i n gt r a i ni sa n h ly z e d 1l ss t u d i e dt h a t s y s t e m e t t i c a ll yt h a tt h ef u n c t i o n ，d e s i g n ，c e n t r e io t t h e 似m t o g r a p bserve s y s t e mo ft h et i l t i n gt r a i n t h ea n a l y s is ，c a l c u i dl in g ，c m u l a t i o no i t h e m ) r etr t c k ( ) rt h ep a n t o g r a p hserves y s t e ma r ed o n e a li u sl ，np a n t o g r a p h serves y s t e mm o d e lo f - t h ea c t i v ec o n t r 0 1i sd e s i g n e d ，w h i c hist h e r e f e l l e n e et ot h ep a n t o g r a p hd e s i g na n dt h ep a r a m e t e t s e ie cl i o n t 1 1 0i n a i n c o n t e q llisa sf o l l o w s ： ( 1 ) ，i h enewt e c h n i q u eo ft h eh i g h s p e e dt r a i n ，l i1l i n gr a ir l ，a n dt h e p a l l t o g i a p l ls e r v es y s t e mi ss u m m e du p ( 2 ) t h es t u d ye 1 1p a n t o g r a p ho f 。t h et i l t i n gl r a ir lisr e v i e w e d il s d i s cl i s s e ( 1t h a tt h ei n f l u e n c eo fc a r b o d yi n c lin in gt ot h er e i i t l i o ne l g e ( ) m el r y ，t h em o v e m e nl ，t h e o s c i1l a l i o n ，t h es t a l ) i1 ii i ya n dc a t e n a r y q u a ll y a tl a s tt h en e c e s s a r yo ft h ep a n t o g r a p hs erves y s t e r n0 1 1t h e l i1i n gl | n i nisa n a ly z e d ( 3 ) l h ek j n e m a t c sa n dm o t i o nl a wo ft h ep a n t o g r a p hs o l v ( ) s y s t e ma r e a n n ly z e d t h ef o r m u l aisd e d u c e da n di m i t a t e dh yt h ea r i a iy z in go i t h e r e l a ti o na m o n gt h es u p p o r tf r a m e 。c a r b o d y ，a n dh o g iesl r u el u r e ( 1 ) 7 r h em a i n s t r u el u r e ，t h ep a r t so fs e r v es y s t e r na red e s i g n e d ， ：t n a iy z e da n ds j m h l a t e d w h i c ho f f e rt h et h o u g hlf l o rt h ep r a cl ie ed e s i g n ( 5 ) i l h ec e n t r e ld e m a n d ，t h ed e t e c ts u b s y s t e m ，t h e l ( ：lio ns u b s y s t e m 。 l h econl r 0 1s u h s y s t e ma r ea n a ly z e d t h es t r a t e g ya n da i g o t it h i n are j is c h s s e d ( 6 ) t h e 】a sls u m m h r i z e dt h et h e s i sa n dp r o s p e c to l t h es t u d ye l il ( e y w o r d s ：i 、i1 t i n gt r a i n 。p a n t o g r a p h ，s e r v es y s t e r n ， r r a c kd e sg n ，m o v ec e n t r e l 堕塑窑通壁硒士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 摆式列车发展和应用现状 1 i i 高速铁路和高速列车 一般认为，商速铁路是指最高运行时速在2 0 0 k i n 以上的铁路。目前世界i 二 最高运行速度为3 0 0 k m h ，最高瞬问速度已达5 1 5 k m h 。但有高速铁路的国家， 如法国、i = i i l 本，日前的运行时速大多保持在2 5 0 k m 左右。高速铁路给整个铁路 事业带来了生机和希望。自1 9 6 4 年世界上第一条高速铁路在f 1 本丌通以来，高 速铁路发展基本上可分为三个阶段： 第一阶段为高速铁路的初始阶段，期间日、法、德建成初期的高速铁路； 第二二阶段为高速铁路的规划阶段，期间日本和欧洲一些国家丌始规划、建设 高速铁路网，以高新技术带动周边国家的铁路运输，较典型的有f i 本的新二f 线、 法国巴黎东南线( i ( i vp s e ) 、大西洋线( r l g va t l a n t i g u e ) ，德嘲已建成商速铁路 1 0 0 0 多k m ； 第三阶段为高速铁路建设阶段，越来越多的国家玎始建设高速铁路，高速铁 路的晕程成倍增加。 与其它运输方式相比，高速铁路具有速度快、客运量大、全天候、安全可靠、 能耗低、污染轻、占地少、舒适、效益高等明显优势。高速铁路不仅带来了传统 铁路产业的振兴，还带动了其它产业的复兴，推动了整个社会的发展，被h 本人 称经济起飞的脊骨。 在国内，9 0 年代初，我国铁路客车运营时速平均只有4 8 3 k m h 。铁路运行 速度慢，已制约了铁路发展，并使铁路在与民航、公路、水运等其他交通运输一i ： 具的竞争中处于不利地位。1 9 9 0 年，经国务院批准，铁道部开始启动以科技为 先导的广深准高速铁路建设，拉开了我国铁路提速的序幕。1 9 9 5 年6 月，在广 深准高速铁路丌通半年之后，铁道部做出运用广深铁路建设的科研成果，提高繁 忙干线客货列车时速的决定。为此，铁路科研人员进行了一系列提速试验。1 9 9 7 年，国产试验列车在北京环行铁道试验基地创造了2 1 2 6 k m h 的试验记录，首次 冲入了世界高速铁路的速度领域；1 9 9 8 年6 月，又在京r “线郑武段实际运营的 线路上针对机车和客车的动力学安全性能、弓网的安全性能、轨道状态的安全性 能、圆曲线动力响应、路基路桥过渡段动力特性、提速道贫的安全性能、列车交 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 会时的j e 力波及压力梯度、桥梁安全性能等进行了全面试验，j l j 造j - 2 4 0 k m h 小时的“一f j 因铁路第一速”。这些试验取得的可靠数据羽曜 学结论，保证了我凼 铁路全碰提速的成功。 在i 乜动车组的制造技术上，铁路也同样取得了新的突破。1 9 9 9 年，我幽自 行开发研制的时速2 0 0 k m 的交直传动电动旅客列车动年组在j “深线i l i 常使用。 2 0 0 2 | + ，株洲；u , j j j 6 j l 车车辆j 一生产出中国首台“子弹头”商述动力机乍，电动 年组控制年和拖车也在长春客车厂诞生，缩短了我幽机车制造技术与l i j = 界先进水 平的差距。株洲电力机车车辆厂生产的编号为d j 0 0 0 1 干d j 0 0 0 2 的曲辆运营时 速为2 2 0 k i n ，最商试验时速可达2 6 0 k m h 的交流传动商速列车。使一l ，幽l u 力机4 i 研制步跨越2 0 年，跻身于国际先进水平。 i i 2 摆式列车简介 随着其它运输方式的飞速发展，铁路运输正面临着” ，m 峻的挑战。铁路婴 改变其被动局面，必须从提高运行速度、缩短旅行时问、增：l j f i 旅客舒适性等方嘶 着手。提商运行速度的主要途径之一是使用高速列车，目f i g t ! l 界i - 投入运营的高 速列车使得列车速度从1 2 0 k m h 左右提高到了近3 0 0 k m h 。似商速列1 ：必须古川 应的线路、通讯信号_ _ f i i 供i u 系统等配套 嫂施，凶此造价幽删j 剐j | 长。n ：眦订的线 路i 二捉速，以降低费用，但线路的曲线半径限制了速度的提高。婴提商列4 ：的i i | | 线通过速度，唯一的途径就是采用摆式列车，以补偿【j jj 二i i | i 线超商f i 足j f i j 对曲线 通过速度的限制。对于想修建高速铁路的凼家，修建新的商铁路婴牦赞“额资金， d i i j ：x i r 环境的忧虑等因素导致人们寻求比较经济的力法米缩短旅榭叫问。墩有j i ： 发i i i 途的足摆式列车。在既有线上应用摆式列车提速与商迷铁路客运争线t l l l l ， 可节省人量基础设施建设费。 摆式列车利用车体倾摆机构、自动控制技术和车辆动态控制技术，采川4 i 体 悬挂系统，圳陀螺仪 t i d i l 速器米预报曲线 i 现，在列年进入曲线仍能以较快速 度在轨道h 顷斜运行，i f 提高列车在曲线- l 二的运行速度，并确保旅客安全、舒适 地乘车。 摧式列尔就似摆系统4 q jr 分为主动摆平i l 被动摆、簧i ：摧枷簧川摧等肜； 就作动器介质不同可分为气动式、液堰式和机电式作动器；就牵引动力1 i 川，町 分为i 燃式和电力式，动力集q 1 和动力分散模式；就转阳架1 i ”f 分为柔性定位 专向架、自导向转动架和迫导向转向架。机电式倾摆装置与液j i i 式和气功式倾摆 装置相比，具有耗电量小、安装维修方便、不受气候影i 相和实州采集等优点，适 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 应我幽幅员辽阔、气候多变的特点。 摆式车体分为有源和无源车体两种。无源( 被动式、自然式) 摆式年体，利用 通过曲线时产生的离心力自然倾摆，其倾摆角度一般为3 5 0 ，最高为5 0 。无源摆 式车体能提高常规列车曲线运行速度1 4 1 6 。有源( 主动式、强迫式) 摆式牟体， 幂u f t ! 曲线检测装置、车载计算机控制装置和倾摆传动装置倾摆，其倾摆角度一般 为8 。，最高为l o 。有源摆式车体能提高常规列车曲线运行速度3 0 3 5 。主 动摆! j 被动摆相比，具有摆动角度大、舒适度高等优点，多数幽家采川一l 三动悬挂 方式。 随着计算机、通讯和控制技术的飞速发展，摆式列车的技术门趋成熟。包括 已经拥有高速铁路的国家在内，各国铁路看好摆式列车的广阔运_ h = i i j l 景，纷纷以 各利形式发展和运用摆式列车，并取得了较好的经济社会效益。 摆式车体列车可以实现既有线上的提速而不需要投入因歼行高速铁路而改 皓线路和信号设备的大量资金，一定程度上缩短旅行时问、增加旅客吸引力及l = i 行程公单数，提高铁路占有率，尤其是对于运行在曲线较多地区的列车提速将起 到重要作用，对于未来几年我国铁路实现全程提速提供完全町能。所以摆式列车 经济社会效益十分显著。 1 3 摆式列车的主要相关技术 摆式列车在转向架、倾摆结构、控制系统等方面是有区别于其他列车的一些 阳关技术。 f 转向架 摆式客车转向架，首先要求有较高的运动稳定性，还能快速、安全地通过曲 戋，因此摆式客车转向架轮对的定位方式和导向方式是摆式列车研究的重点之 一。在条件较好的线路一k 运行，一般运行速度较高，则应将运行稳定性放在重要 立置进行研究；如线路条件较差，曲线多、曲线半径小，则应从提高曲线通过性 悲着手没计转向架的轮对定位装置。径向转向架分为自导向径向转向架和迫导向 至向转向架两种。自导向转向架的自导向机构不与车体梢连，结构简单，在半径 受人f 内曲线l ：有较好的曲线径向作用，在半径较小的曲线夺向f l - = ) f l 较差。迫导 目径向转向架是利用车辆通过曲线时车体相对构架的转角米推动轮对趋于曲线 自径向位置。 f 2 ) 倾摆机构 摆武客车倾摆机构足实现车体倾摆的装置，位于转向架一f ：，山倾摆机构和倾 堕塑窒塑查兰塑主塑窒竺芋位论文第4 页 摆作动器组成。目前世界上较流行的倾摆机构主要有四吊卡f j 式和滚道式两种。根 据倾摆机构所处位置的不同，又可分为簧上摆和簧问摆两种。如果倾摆机构位于 转向架一系弹簧和二系弹簧之间，则属于簧间摆。 ( 3 ) 倾摆控制系统 倾摆控制系统根据线路状况准确、及时地控制列车各车辆车体，使之进行倾 摆。倾摆控制系统包括检测子系统、通讯子系统和控制予系统。倾摆控制系统实 时检测列车通过曲线时的未平衡离心加速度，根据各车辆在列车编组所处位置及 运行速度，计算出各车体抵消此未平衡加速度所必须的倾摆角度，通过列车通信 i j 6 9 络将此倾摆角度指令传送给各车辆，各车辆中的倾摆作动系统根据该指令依次 完成相应的车体倾摆动作，保证各车辆在进z 1 拄l 线后能够及时倾摆，抵消未平衡 加速度的影响，提高乘坐舒适性。 ( 4 ) 倾摆作动子系统 倾摆作动予系统包括倾摆控制计算机和作动系统，根据头车j ：控制计算机指 令完成车体倾摆。目前运用较多的作动系统类型有液压作动系统和机电式作动系 统。液压作动系统采用高压油作为动力，是一种比较成熟的技术。缺点是油源体 积较火，系统重量大，维护技术要求较高；而机电式作动系统是hi j i 交流变频技 术发展的最新技术产品，采用电能直接作为能源，具有体积小、重量轻、维护小 等优点。 1 1 4 摆式列车发展现状 f 1 本和欧洲铁路的摆式列车发展和应用特别引人注目。同本的摆式列车运用 很好。欧洲1 9 9 9 以年，除了德国的摆式电动车i c e r i 和挪威的s i g n a t u r 丌始营 运外，在西班牙与葡萄牙，几乎与意大利p e n d o l i n o 同样结构的摆式电动年也丌 始了营运。数年后，几乎所有欧洲国家，代表其铁路的列车将是摆式年辆。 从2 0 | i 上纪9 0 年代后半期j 1 ：始，摆式车辆显著增加，摆式列车的技术h 趋成 熟，各幽非常看好摆式列车的广阔运用前景，纷纷以各种不同的方式来发展和运 用摆式列车，世界上目前已有近3 0 种摆式列车投入运用。欧洲，i 1 1 二城 i j 列车的 新型车辆j l 乎全为摆式车体，各国相继引进并有迅速扩人势头。欧洲具有强迫式 车体倾摆机构的摆式车辆约1 5 0 0 辆，约为闩本既有线拦式年辆的2 倍以上。在 欧洲地区，囤家边界范围内一系列主要独立的高速铁路线远木停j i ：运行，更为密 集的高级铁路网目前看来前途一片光明。 - j 幽的广深铁路公司也于1 9 9 8 年向瑞典a d t r a n z 公州租赁r 列x 2 0 0 0 摆 亘堕奎夔杰璺煎士蟹究生学位论文 第5 页 式列4 - ，每闩共5 次往返于广州东一深圳间及1 次往返于广州东一九龙问，域高 速度为1 9 0 k m h ，取得了较好的经济效益。随着中国自主设i t + 、研制的首台摆式 列车牵引动力车即将在大连机车车辆厂问世，从而填补了我国在这一产品领域的 空白。 i j l i , t ，摆式车辆并刁i 是引进后就能立即高速化，与建设新线相比，其成本虽 然梢对较低，但为提高速度，仍需进行投资。符合车辆的地徊设备引进是不可缺 少的。例如，信号设备的改进滞后时，即使引进摆式车辆，仍需按原来1 1 十l i l j 运行。 因此，摆式列车在我国的推广应用仍然任重道远。 1 2 国内外摆式列车受电弓随动系统现状 i 2 i 摆式列车受电弓随动系统 电力机车运行过程中受电弓要求不能摆脱接触导线。机车受电弓滑板的最大 工作宽度为1 2 5 0 m m ，考虑到受电弓和接触导线的摆动以及接触导线受风作用的 偏移等因素，因此接触导线在受电弓滑板上允许的工作范围足从受电弓中心线起 两侧各5 0 0 m m 。接触导线的悬挂或者说受电弓的位置不超f j j 这个： 作范围。 在曲线上，山于$ j l , 4 - ：的倾摆及外轨超高的影响，使机车向内轨方向倾斜，从 而导致机车受电弓中心的轨迹不再与线路中心线相重合，即两者之问有定的偏 斜距离。此时，对于一般的非摆式列车，由于线路设计过t d b 超商足确定的，接 触导线的位置仍以受电弓的中心线为基准。而倾摆列车山j 二多了一个倾摆引起的 额外超高，接触导线的位置不再是受电弓的中心线，因此，需要在摆式列车发生 倾摆过程中，针对机车车体的倾摆主动把受电弓进行位置渊整，这个装置就是受 电弓的随动系统的作用。 2 2 国外摆式列车受电弓随动系统现状 i _ f i ，国外摆式列车采用的受电弓形式主要有：基于抗侧滚手l i 杆的倾摆控制 系统，如意大利幽家铁路e 7 i r 4 5 0 的台架式受电弓支承装置；英闰铁路a p t 车 上采j 的台架和连杆机构支承的方式：f l 本在5 9 1 试验动4 ：组中采用的连杆支承 机构，i h 气缸控制，使受电弓保持在中立位置；r 奉铁道综合技术研究所正在开 发滑动式受电弓支承装置。三种机构如图1 1 、图1 2 、图l 。3 所示。 其中，同本铁道综合技术研究所正在开发的滑动式受i 乜弓史承装置中，受电 弓随动系统用滑动阻力非常小的圆弧形轴承导向，能相对车顶左右移动。转向架 构架与年体倾斜无关，左右2 对从转向架侧梁起沿车体侧墙至车顶上的钢丝绳用 堕塑塞堕查堂堕主坚塞竺堂篁笙窭墓! 夏 来约束受电弓随动系统，使受电弓经常保持在轨道中心线上的小立位置。其优点 是，受电弓随动系统用钢丝绳机械约束，不必担心控制故障；受电弓随动系统不 占用客车乘客的空问，可简化车体结构；性能基本满足使用要求。缺点是对不同 倾摆结构的列车适应性较差。 r 幽i l 意人利e t r 4 5 0 的台架式受i 乜弓支承装置 圈卜25 9 1 系列试验电动车组 的受电j j 控制装管 1 2 3 国内摆式列车受电弓随动系统现状 i 巾 。一 ， 图i 一3 日本铁道综合技术研究所 开发的滑动，受电支承裟置 自9 0 年代初，以硒南交通大学为代表的一些铁路科研机构和车辆制造企业 开始进行摆式列车理论研究及实车的研制工作以米，1 9 9 6 年两南交通大学机车 车辆研究所建成了主动悬挂实验室，学校联合业内的主要机车车辆制造企业联合 开发幽产摆式列车。在此基础上，随着动车组概念的采j l i i ，单车供电逐步采用。 因车体倾摆而引起的受电弓倾斜将导致受流恶化，必须寻求适当的改善办法。目 前，国内部分机构和科研人员也在探索、寻求有效的解决办法。 。，心镰燃， 0 叭船”毫 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 主要研究内容 随着摆式列车动车组的发展，受电弓随动系统的研究正h 渐增_ l i i j 。伴随计算 机、刚络及控制技术在列车上的逐步应用，采用动作精确、r i 靠性岛、易于控制 的受l 乜弓随动系统，和摆式列车的研究开发同步进行就非常必要。奉文希望配合 主动倾摆的摆式列车的研制，在对列车倾摆机构进行分析的丛础i ：，立足_ j 二机牟 车辆的r 一般分析方法以及现代设计、优化方法，建立并分析受 乜弓的随动系统模 型。论文希望能从理论上对摆式列车受电弓随动系统在结构、动力学、运动学等 方面进行研究，重点对受电弓随动系统的运行轨迹进行分析、汁算和仿真模拟， 最后设汁出一种主动控制的受电弓随动系统模型，为今后受电弓随动系统的设计 与参数优选提供参考。论文主要包括以下几个方面内容： ( 1 ) 国内外受电弓随动系统研究综述； ( 2 ) 摆式列车的弓网关系分析； ( 3 ) 摆式列车受电弓随动系统导轨形状和运动轨迹的分析和计算仿真； ( 4 ) 摆式列车受电弓随动系统的结构分析、没计； ( 5 ) 受电弓随动系统控制规律分析； ( 6 1 结论和展望。 堕童窒通大塑土研究生学位论文 第8 页 2 1 受电弓概述 2 1 1 受电弓简介 第2 章摆式列车弓网关系 受i 乜弓足电力机车和动车组的重要部件之一。铁路高速化小，除了要研制高 速机年车辆和线路结构，还必须研究解决受电弓在接触mf 的高速受流l 瑚题，聊f 究受电弓的运动学特性和动力学性能，只有这样爿能使电力机车从接触删一i ：可靠 地获墩i 乜力能源。受电弓良好的动力性能可以有效地减少弓m 删的冲t h 和接触力 的变化，从而减少离线率，机车得以稳定运行。山于受电弓要红近1n l 的工作高 度范围i ：作，这就要求弓头在机车前进方向上的纵向及横向的偏移量应尽量小： 弓头应保证在水平位置l 。 。 在结构上，受电弓火致可分为弓头、框架、底架和传动机构四部分。而框架 又有一卜部框和f 部框，因而从结构上受电弓一般可分为：单臂弓、双臂弓和二次 弓。如图2 - l 所示。其l | 双臂弓是最先使用的，后来为了改善受电弓的跟随性， 减轻受i 乜弓的质量，采用单臂弓，也就是目前使用最广泛的。在高速运行的线路 上为了改善机车取流条件，主要采用二次弓。图2 。2 是一个受电弓的结构简图。 ( a ) 单臂弓( b ) 双臂j( c ) ：次j 图3 i受电弓丛奉= 类型 2 1 2 高速机车受电弓现状 高速化的机车车辆、铁路轨道以及保证良好受流的接触| j 【j 4 怂挂型式( 含与之 相匹配的受电弓类型) 等方面的问题被世界称为高速i 乜气化铁路的：三人难题。高 速电气化铁路的弓网系统，需要有跟随特性好，工作性能稳定的受i u j 。受f 乜弓 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 离线率是高速受流稳定性的表征值之。各i 鲴发展高速电气化铁路的过程i j 棚 继”展了对高速受电弓的研究。受电弓是一个比较复杂的机械结构，其种类很多， 近2 1 ) 年来研制了不少类型的高性能受电弓，取得了很火的效益。根抛各i 国的1 i 同情况，各种类型受电弓的性能和结构与国外的受电弓都有所不同，但都能满足 商迷受流受电弓基奉的技术要求。 随着速发的提高，出现了有源可调受电弓以及双层框架的受i 乜弓，具有代表 性的囤外受电弓有同本的p s 2 0 0 a ，p s 2 0 1 ，p s 2 0 2 ，法国的g p u ，a m d e ，德国 的d s a 3 5 0 s 受电弓，见圈2 + 3 和2 - 4 。 1 一滑板弓头；2 - 弓头支承装置；3 - 平衡杆；4 - 上框架；5 - 推_ f f ；6 一r 壁朴；7 - 缓 冲 c i ；| ；8 - 传动风缸；9 活塞：i o 降弓弹簧；ii 拉杆绝缘f ：1 2 - 滑叫、；i3 - 扇形环： 1 4 。拐臂：i5 - 转轴；1 6 升弓弹簧；1 7 一底架；1 8 - 升弓弹簧 岗整螺埘；1 9 支持绝缘 子：2 ( ) 铰链座 图2 - 2受电弓简幽 ( 1 ) i i 本i ，s 系列受电弓 f _ i _ f 本机车运行速度提高得很快。h 本对受电弓的改进1 - 要足抓_ _ 1 三了衡量受电 弓好坏的主要指标之一离线率。受电弓的改进始终都足为了降低离线率。使离线 率减少的重点足减少受电弓顶部的归算质量。f l 本国铁采用p s l 0 0 ，p s 2 0 0 受电 弓的归算质量分别为1 4 0k g 承l1 0 8 k g ，而a m l8 型受电t j 的p _ 算质量为2 6 0 k g 。 ( 2 ) 法国受电弓 法蚓，i g v 型受电q 基于受电弓特性与受流的关系，法幽l ( i v 采j f 】_ 轻型两 级式( 烈层) 的z 型( 单臂) 受电弓，整体质量约3 0 0 k g ，i ：部的动质量约1 3 k g ( 在 2 6 0 k m h 时) ，静抬升力为7 0 n ，动抬升力为l8 0 n ( 2 6 0 k m h 时) 。交流区段t t 】_ 一台 受电弓，最大电流o 6 k a ，直流区段用双弓，最大电流lk a 。赴巴黎一啦昂线使 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 用的足钢滑板；大西洋线仍采用单级受电弓，因为发现两级式受电弓的扬力特性 不好，当抬升力过大时，线路的磨损就增加了。 詹蘑、 ( a ) p s 2 0 0 a( b ) p s 2 0( c ) p $ 2 0 2 l 鳘i2 - 3日本p s 系列变电弓 ( 3 ) 德国受电弓 德【目i c e 高速列车j jd s a 一3 5 0 型受电弓，整体质量1 4 0 k g ，接触压为 5 0 1 3 0 n ，驱动方式为气动升弓，有阻尼的降弓。滑板用铁制的弓头i ：焊着炭滑 板，形成一个整体，更换时一体更换，寿命很长，更换周期通常町达1 5 1 0 4 k m ， 在条件恶劣情况下也町达6 5 x 1 0 3 k m ，不涂石蜡或黄油。最大允许：i 乜流0 8 k a ， 瞬时为1 3 k a ，最高运行速度2 8 0 k m h 。s b s 6 5 型单臂受i 乜弓在试验线上与r e 2 5 0 接触网配合使用，运行速度为2 5 0 k m h 时，测得最大接触压力为1 6 5 2 2 5 n ，其 平均值为8 2 8 9 n ，在同样区段和试验条件下速度为1 6 0 k m h 时，测得最火接触 眶力值1 2 5 n ，其平均值为4 6 5 0 n 。对离线来说，s b s 6 5 型受i ur j 祚： o ( ) k m h 运 行速度卜，离线为每公驰2 次，离线时间为9 1 t m h 。该型t 受l 重鲢轻，体积 小，维护赀，f j 小，具有良好的空气动力学特性。 _ 印 ，| o i ” 肼? 一。“ 嚏一一一 ， + 、萄案驽 ( a ) g p i j( b ) m i ) e 妒：。、 、一毫 圣鸯誊7 薹爹 ( c ) 1 ) s a 一3 5 0 s 图2 1德国和法国确受电弓 国外儿种受电弓的各种主要参数性能比较，如表2 一l 所示。 表2 1国外几种受电弓的主要参数比较 藩：霉 肘鑫 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 2 13 我国受电弓的现状 我国受电弓和接触网的研究起步较晚，在2 0 0 k m h 的线路l ：所应j h 的足进门 的受电弓和接触线。钊对高速铁路弓网关系的特点，在理论i ：建 l ：越完善的受l 乜 弓接触刚系统模型，研究弓网系统分析方法，探讨高速t ；刚的没计准则就成为 发展我国- 岛速铁路的当务之急。在这种形势下，国内的影i ：多专家、学者，l ：始对这 些问题进行比较全面和深入的研究。研究主要针对建立受i 乜弓和接触刚的系统动 力学模型，研究和分析其动力学性能，从而提 j j 提商动态受流质量的力法和措施， 取得了+ 些成效。 从我幽日前的现状来看，常用的幽产受电弓如i l s g l 型干j i l l s g 3 拟受电弓与 国外同类产：品( 同本、法国、德国等) 相比，存在很大差距。就j 受流性能来看， 只能满足列车速度1 0 0 k m h 以下的要求，其中t s g 3 型受电t j 的性能优ft s g l 型。1 9 9 7 年在环行铁道，对t s g 3 型受电弓加装阻尼器厉的试验表i j ，1 1 s g 3 型 受i 乜c j 加裟阻尼器后，与环行铁道弹性链型接触网配合，速度i j j 提高到1 6 0 k , n l h 。 我幽日j 尚无高速受电弓的生产厂家，高速列车的受电弓还有赖_ _ j _ 二进i ：1 。山t 二 本、法幽、德国等国家的受电弓一接触网系统的类型各爿j 相同，各幽的实际情况 也刁i 州l 司，如何使引进的受i 乜弓与我国的接触网相匹配，足4 个，惟常实际和非常 重要的 i ： f 究课题。我幽也应结合本国幽情加快研制和生产高迷受电弓的步伐。 ( 1 ) 国产t s c 一4 0 0 2 5 型受电弓 s s 7 型r 乜力机年为防j l = 傅生制动颠覆要求，采h 了i 1 4 , l - + 1 * l 动力武，受t 乜弓的 特性要求较高，弓网性能更可靠，受电弓结构与其他韶jjj 型受ll l t j _ _ = f ；i 刊。韶山7 型电力机车上共装2 台r 1 1 s c 一4 0 0 2 5 型单臂受电弓。底座为1 字肜，受i 乜弓基座、 受流运动斋t 1 4 - t - 都装于其h ，具有一定的机械强度，底座通过3 个绝缘子安装在车 顶盖l 二，受电弓因此具有耐受一定电压的电气性能。受电弓气路。f i 安装了缓冲阀， 使其在工作范围的任何高度一h 降弓初期动作迅速，降弓终了动作缓慢，不易引起 损伤的冲r 旨。该型号受电弓额定电压2 5 k v ，最高运行速度l o o k m h ，额定电流 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 4 0 0 a ，额定工作气压5 0 0 k p a ；最小工作气压4 5 0 k p a ；最大升弓商度 2 6 m ，- 1 ： 作高度( ) 5 - 2 5 m ，在工作高度范围内，滑板对接触导线的静压力( 7 0 + 1 0 n ) 一卜升 和下降到同一高度的压力差 i o n ，升弓时问 8 m s ，降弓时f l 自j _ 7 n l s ，重量2 4 5 k g 。 ( 2 ) 国产t s c 3 6 3 0 2 5 型受电弓 s s 8 型l 乜力机车j ：安装有2 架7 i s c 3 6 3 0 2 5 型单臂受i ur j ，它足以法国 f a i v c l e y 公亩j 的a m 5 1 u f 型受电弓为基础的国产化产品，为满足1 6 0 k m h 的运 行速度要求，该受电弓底座j ：安装有一组升弓弹簧和卟t 受i 乜弓i i l l ) d 器，升弓弹 簧雨i i f u 尼器的另一一端均安裟在铰链机构的f 臂杆上。缓冲阀通过控制进、出传动 风缸的压缩空气流量米控制受电弓升、降弓动作的快慢。其主要技术参数如下： 额定电压2 5 k v ，额定工作电流6 3 0 a ：最大运行速度1 7 0 k m h ，静态接触压力 7 0 ：1 ：1 0 n ，工作高度o 5 2 2 5 m ，最大升弓高度2 6 m ，折叠高度( ) 2 2 8 m ，弓头总 长度2 0 8 5 m ，滑板长度1 2 5 m ，传动风缸工作气压5 2 0 1 0 0 0 k l ，a ，0 。0 8 m 问升 弓时i h j6 8 s ，1 8 0 m 问降弓时间5 7 s ，降弓保持力为8 ( n 。 2 14 受流质量的主要控韵j 技术指标 在低速线路l ，由于受电弓滑板与接触线接触较，f 稳，通常能够得到j f 常受 流。在t 岛速线路上，受i 乜弓的垂直振动加剧，接触线的抬升量也d i l 人，受l 乜弓与 接触线均发生与自己阎有特性相关的振动。凶而，接触线与受i u q 产生机械性脱 丌的现象足不可避免的，这就是动态受流的破坏或恶化。 评价弓网质量的重要参数是受电弓离线率、接触删的振动位移、平均接触门i 力、域火j e 力峰值等。离线率、接触网的振动位移双峰值越小越好。频繁的离线 会使机车供电时断时续，也会使弓网之间产生剧烈的电弧从而加速弓m 损耗；接 触刚的振幅过大会增火受电弓撞击接触网的定位器、线央等器件的概率，引发弓 网事敞。，f 均压力的人小，最大压力峰值是反映弓删振动内在原凶的重婴参数。 平均接触j l 三力应尽可能地靠近静态接触网压力7 0 n ，墩火j i j j 峰值越小越好。 从t j 网泪互作用的后果看，若系统具有合适的接触压力，产生一定限度的离 线率、抬卅量及弯曲应力，则认为受流是符合要求的。一一般来讲。衡量受电弓性 能的指标有以下儿个方面： ( 1 ) 接触压力及其标准偏差 由于接触悬挂的动态特性和受电弓上的惯性力及空气动力，使接触压力发生 变化，会造成受流恶化，因此基础力最大值、最小值及其离散一l f 生( i ! l l 标准偏差) 足 衡量j 网动态相互作用的最重要的指标。 艮 婴堕竺璺丕兰塑兰竺篓兰里堡塑茎筻! ! 夏 ! ( 2 ) 离线率 。 离线是弓网失去接触的状态，会对受流造成严重后果，所以离线出被i ：多幽 。家作为评价受流的主要指标。一般用最大离线时间和高线率衡量离线人小。通常 ：将1 0 r e s 以f 的离线称为小离线，i o 1 0 0 m s 为中离线，大1 二i o o m sl 为人离线， 离线率为运行期问弓网脱开时问与运行的百分比。 ( 3j 接触线抬升量 ： 往商速情况下，方面空气动力和惯性将产生动抬升力，使受i 乜t 总抬升力 i 大人增加，从而使接触线抬升量增加；另一方面，当受i 乜t 商速驶过等距支柱甚 i 至在跨l j 的等距吊弦时，会周期激发接触网振动，凶此接触线的抬升被人人增加。 ( 4 ) 接触线弯曲应力 j 受电弓每次通过接触线将产生有一定数值的应力，当应力超过某个值反复发 i 生后，则接触材质疲劳，产生裂纹，甚至破断。当速度低于2 0 0 k m h 时，应力幽_ a - - 速度提高而增加很小，再次速度以上时，则速度越高应力增火倾向越i 蚶显。 2 2 车体倾摆对弓网相互位置的影响 2 21 一般机车弓网位置关系 受流是列车高速运行的大问题。只有较好的受流，j 能为列年提供足够的 电能。 斫受流性能受到许多因素的影响，如接触悬挂的弹性系数、受i u 弓的性能、 接触线的材质、抬升量、接触悬挂类型以及列车的运行速度、加速度等。 弓删的位置关系，定程度上受接触网影响较大，f ! ：= i 足接触网的足作为某段 线路而设计，而不是专门为某类车型而设计，因此接触剐在某个程度上是按照标 准进行没计，而不会专门考虑机车受电弓的特殊情况。一般米说，某段线路要适 应多币i 6 l 型，而每种机型和接触网之间的位置关系各卅i 川同。而h 在4 ；同类型路 段机辱：的弓网关系也不一样。下面分别对一般机车和摆式机年在直线和曲线路段 上的弓删位置关系进行分析。 ( 1 直线路段 为了使受电弓滑板在运行中均匀磨耗，在线路的卣线区段，接触导线呈“之” 字形布置，即接触导线在每一个支柱处相对于受电弓中心交错地向外拉出一定距 离，而不足超出受电弓滑板的允许工作范围，如图2 5 所示。这种向外拉出的距 离，其具体数值就成为接触导线的拉出值。出j 二接触导线在线路苴线区段上的拉 出值又称为“之”字值。拉 “值山定位器控制。 曲南交通大宇坝士研冤生掌位论文 第1 4 页 卜线路和受电弓中心线及承力索位置；2 f j 弦 3 - 接触导线；4 - 支柱；5 定位装置 幽2 - 5 直线区段、f 斜链形悬挂 ( 2 ) i 曲线路段 在线路的曲线路段，为了平衡列车做圆周运行时产生的离心力，需将曲线外 轨抬高。i | 于外轨超高的影响，使机车向内轨方向倾斜，从而导致机车受电l 弓中 心的轨迹1 i 再与线路中心线相重合，两者之问有一定的偏斜距离。在这种情况下， 接触导线的位置应以受电弓的中心线为基准。图2 - 6 所示为曲线区段接触导线和 承力索的i f 面御置示意图，此时接触导线设有拉出值( t i l l 在支柱定位处人为地将 接触导线向曲线外侧拉出的数值) ，而承力索仍保持在接触导! 线的垂直平面上。 曲线区段接触导线的拉出值与线路曲线半径有关，具体舰定足：当曲线半径为 3 0 0 一1 2 0 0 m 时，拉出值定为4 0 0 m ：当曲线半径为1 2 0 1 一l7 9 9 m 时，拉出值定为 2 5 0 r a m ：当l l i j 线半径人于1 8 0 0 m ，拉f j j 值定为1 5 0 r a n l 。但拉值最人4 ；能超过 受电弓滑板允许工作范幽的一半，即不得大于5 0 0 m l n 。 i 接触导线及承力索位置；2 - 受电弓中心线； 3 接触导线在最人风力作j jf 达到的位置 幽2 - 6曲线区段接触导线平承力索的平i l i i 椰置 2 22 机车倾摆时弓网位置关系 摧式列4 三区别于一般高速列车的t 要之处就赵摆列午在经过i | | i 线路段时， 机车车体发生倾摆，不降低列车的运行速度而经过曲线路段，而红盘线路段上， 摆式列车_ j f j l 其他列车是没有什么区别。在曲线路段i 二，m 于摆式列乍增加卜个向 曲线i ，心位置的倾斜，受电弓增加一个向曲线内侧的倾斜值，见蚓! 一7 。 西甬交通大学硕士研究生学位论文 第l5 页 i 一接触导线发承力索位置；2 非倾摆机_ 乍受电弓中心线； 3 一倾摆后受电弓中心线：4 - 接触导线在最大风力作用f 达到的他置 | 墨i 2 7 倾摆情况下曲线i x 段接触 予线和乐j 索的，f 咖斫i 2 3 车体倾摆对弓网运动关系的影晌 2 3 1 振动特性分析 对受电弓振动特性分析，受电弓的动态特性是指其幅频响应和相频响应，对 滑板给予一定频率的位移输入，可计算该频率下的响应。车辆运行中的振动与车 辆的结构型式、弹簧装置参数、装载状态、运行速度，以及不同的线路结构等级 及线路状态有关。 运行中的列车车辆是具有弹簧悬挂装置的多自由度的振动系统，在实际线路 上运行时，会产生复杂的振动现象，但是振动理论的研究实践表明，这种复杂的 振动足山若，f 二基本的型式的振动组合的结果。一般而占，车体足具有6 个自由度 的运动系统。如图2 培所示。 、 ”艮 气摇头 、。t 侧枭 篓fj 心磊 图2 - 8乖体的自由发和振动 车体的振动形式可以归结为如下：