（电气工程专业论文）弹性链形悬挂接触网弹性计算与测量.pdf

西南交通大学专业学位研究生学位论文第l 页 捅要 电力列车是通过受电弓从接触网上取得电能，良好的受流性能是实现列车高速运 行的基本条件。要提高电气化铁道接触网系统的受流特性，高速接触网须满足静态弹 性要求，既要求弹性小，又要求弹性均匀。运用有限元软件对接触网系统进行仿真分 析是对其静态弹性分析的有效途径。 本文首先介绍了接触网的一些基本概念及其应用和研究现状，然后以直线段弹性 链形悬挂接触网系统为研究对象，建立了一个锚段弹性链形悬挂接触网系统实体模型 和有限元模型，运用a n s y s 有限元分析软件，对其进行静力分析。通过对比分析可能影 响弹性链形悬挂接触网弹性性能的参数，如跨距、接触线张力、弹性吊索长度和张力 等，绘制出了六种状态下的静态弹性曲线。在此基础上分析了影响弹性链形悬挂接触 网系统弹性大小和弹性不均匀性的因素，并提出了改善弹性链形悬挂接触网弹性大小 和均匀性的方法，为接触网系统弹性的进一步研究打下了基础。最后通过郑西客专的 实测数据，进一步验证了理论模型的正确性。 关键词：接触网；有限元；弹性链形悬挂；弹性计算 西南交通大学专业学位研究生学位论文第| i 页 a b s t r a c t s i n c et h ee n e r g yo fh i g h s p e e dl o c o m o t i v eo rm u l t iu n i t si so b t a i n e db yp a n t o g r a p h t h r o u g hs l i d i n gc o n t a c tw i t hc a t e n a r y , t h es t a b i l i t yo fc o n t a c tb e t w e e nt h ep a n t o g r a p ha n d c a t e n a r yi so fg r e a ti m p o r t a n c et ok e e pt h eq u a l i t yo fc u r r e n tc o l l e c t i o n t oi m p r o v et h e q u a l i t yo fc u r r e n tc o l l e c t i o n ，t h eh i g h s p e e dc a t e n a t ys y s t e mm u s tm e e tt h er e q u i r e m e n to f s t a t i ce l a s t i c i t y ，w h i c hs h o u l db es m a l la n ds t e a d y u s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et oa n a l y z e t h es t a t i ce l a s t i c i t yo fo v e r h e a dc o n t a c ts y s t e m ( o c s ) i sa ne f f e c t i v ew a y f i r s t l y , t h et h e s i si l l u m i n a t e st h eb a s i cc o n c e p t sa n dt h es i t u a t i o no fs t u d y t h e n ，i t b u i l d sas o l i dm o d e la n daf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fc a t e n a t ys y s t e m sw i t hs t i t c hw i r e , a n a l y z e st h es t a t i ce l a s t i cb ya n s y s a n dd r a w st h es t a t i ce l a s t i cc u r v eo fs i xd i f f e r e n tc a s e s b yc o m p a r a t i v e l ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n c ef a c t o r s ，s u c ha st h et e n s i l ef o r c e ，s p a nl e n g t h ，t h e s t i t c hw i r e ，a n de t c ，t h ep a p e rp r o p o s e st h em e t h o d so fi m p r o v i n gt h en o n - u n i f o r m i t yo f e l a s t i c i t yo fs t i t c h e dc a t e n a r ys u s p e n s i o n ，a n dp r o v i d e saf o u n d a t i o nf o r t h ef u r t h e rs t u d yo n i t f i n a l l y , t h em e a s u r e dd a t ao fz h e n g - x id e d i c a t e dp a s s e n g e rl i n ef u r t h e rv a l i d a t et h a tt h e t h e o r e t i c a lm o d e li sf e a s i b l e k e y w o r d s ：o c s ；s t i t c h e dc a t e n a r ys u s p e n s i o n ；f i n i t ee l e m e n t ；c a l c u l a t i o no fe l a s t i c i t y 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部 i j 或机构送交论文的复印什和电子版，允许论文被奄阅和借阅。本人授权西南交通人学可以将本论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采， j 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在 年解密后适用本授权书； 2 不保密酣使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 1 缸江慢 日期：扣1 汐 5 y 尹 | 岩荔幺 日期： 2 形 o ft 乙易 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 运用a n s y s 软件建立了弹性链形悬挂接触网有限元模型，对其进行了较为详细的 静态分析，分析了多种影响弹性链形悬挂接触网的因素，比如接触网跨距、接触线张 力、弹性吊索的长度和张力等。然后运用m a t l a b 软件对以上分析得到的数据进行了处 理，绘制出了弹性链形悬挂接触网在多种情况下的弹性曲线，通过郑西客专实测数据 与理论模型的对比分析，验证了模型的正确性，总结出了影响弹性链形悬挂接触网弹 性大小和弹性不均匀度的因素和改善措施。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：苏段唆 日期：步p ，驴、乡炒 西南交通大学专业学位研究生学位论文第1 页 曼i i i i 一 。i m i i i i _ e l i 曼 第1 章绪论 1 1 引言 铁路高速化技术在近几十年得到了突飞猛进的发展，列车的运行速度从接近 l o o k m h 提高到3 0 0 k m h ，法国v 1 5 0 型高速电气机车在测试行驶中以5 7 4 8k m 的时速， 刷新有轨铁路行驶每小时5 1 5 3k m 的世界纪录。近年来，我国高速铁路发展也十分 迅速，尤其是京津城际高速铁路的丌通，取得了良好的经济和社会效益。 2 0 0 4 年国务院批准了中长期铁路网规划，由此铁路跨越式发展进入了全面推进 的关键时期。“十五”间国务院批准建设京津、武广、郑西、石太、合宁、合武、甫台 温、温福、福厦、广深港、广珠等1 1 条客运专线和城际轨道交通项目，线路总长3 2 4 3 k m 。 “十一五”是落实科学发展观、全面建设小康社会的关键时期，将建设新线1 7 0 0 0 k m ， 其中客运专线7 0 0 0k m ，初步形成以客运专线为骨干连接全国主要大中城市的快速客运 网络。“十一五”间将开工建设北京一上海、北京一郑 j + l - 武汉、哈尔滨一大连、天津一秦 皇岛、上海一杭州一宁波、济南一青岛、徐州一郑州、西安一宝鸡客运专线及厦深快速客运 通道；建设长三角、珠三角、环渤海经济圈以及其他城镇密集地区城际轨道交通，包 括上海一南京、南京一杭州、南京一芜湖一安庆、九江一南昌、青岛一烟台一威海、绵阳一成 都一峨眉、长春一吉林、柳州一南宁城际轨道交通系统m ，。 到2 0 2 0 年将共建成客运专线1 2 0 0 0 k m ，如图1 - 1 所示。其中北京沈阳一哈尔滨( 大 连) 、北京一广州一深圳、北京一上海、徐州一郑州一西安一兰州等线的速度目标值为3 5 0 k m h ； 石家庄一太原、济南一青岛、沪汉蓉、甬厦深通道等为近期客货共线2 0 0 k m h 远期客运 专线2 5 0 k m h ；长三角、珠三角、环渤海经济圈及其他城镇密集地区城际轨道交通为 2 0 0 k m h 、2 5 0 k m h 的快速客运专线。 客运专线速度目标值决定了路基、轨道、桥梁、接触网、信号等工程的设计标准、 设计技术、设计及施工验收手段根本有别于普通铁路。接触网是实现列车安全、高速 运行的关键之一，是与列车运行速度直接相关的核心设备，其技术标准和设备质量直 接关系弓网受流质量和运行安全。因此，对铁路客运专线接触网系统的工程技术研究 是当前建设客运专线必须解决的关键课题之一啪，。 窒里圣兰奎耋主：! ! ：竺2 蚕兰兰竺兰耋垂! 至 图卜1 “十一五”铁路河规划幽 1 2 国内外研究现状 由于弓网系统在电气化铁道运行中的特殊地位及其关系的复杂性，早已引起了国 内外学者的普遍关注，弓网关系也是铁路运输领域内的一个十分热的课题。世界各 国对弓网系统动力学特性的研究可以概括为以下三种疗法“： 1 、现场线路试验法： 2 、建立相应的受流模拟实验室； 3 、计算机仿真法。 现场线路试验法就是通过列车的实际运行，观测弓网受流过程中的相关参数，其 优点是直观、可靠性较好。具体过程是以受流特性实验车为载体在选定的实验线路上 分别进行弓网问的接触压力、离线率、导线抬升量、接触网的弹性系数等参数的实际 测量。然后对实验数据进行分析处理，进而确定弓网之问的特性，并加以分析改进， 有代表性的国家是法国、英国等。他们在大量实验的基础上，建立了弓网系统耦台特 性数据库，这些成果为以后了解和改善弓网问的弹性特性，提高电力机车的运行速度 起到了很大的促进作用。在今后，现场实验仍是各国研究弓网动态特性的重要手段t 然而，现场试验要花赞大量的人力、物力及财力，是非常昂贵的，因此目前我国的现 西南交通大学专业学位研究生学位论文第3 页 场试验还不是解决问题的理想手段。 目前国内外都在或趋向于采用比例实物模型进行模拟实验。它是按实物的某些特 征和参数，设计一与实物有一定比例关系的模拟实物，通过对模拟实物的研究来了解 实物特性的方法。最常用的实物模拟法是建立模拟实验室和试验线路，其优点是不需 真j 下的高速线路和机车，缺点是资金投入大、再利用性差。 计算机仿真法是建立在数学模型基础上的，可反复假设不同状态，取得多组实验 数据，其优点是投入少、见效快、且可仿真接触网系统在各种情况下的状念，缺点是 数学模型的建立存在一定的近似处理，其结果只有一定的近似性，但仍不失为研究高 速弓网特性的主要途径和方法。在高速铁路接触网的仿真技术方面，世界各国虽然在 研究对象及研究目标上都是一致的，但构造物理模型和数学模型的思路和研究方法却 不尽相同，各有特点。 在中国，接触网的研究主要集中在接触网的动态力学分析上，包括机车轨道藕合 振动对受电弓接触网系统动力学的影响，我国高速接触网系统的动态性能研究以及不 同接触网跨距、网型及运行速度对受流质量的影响，受电弓接触网系统动力学模型及 特性研究并采用半实物半虚拟试验方法研究了接触网参数对弓网接触力的影响，受电 弓接触网垂向藕合运动中接触网动应力研究，高速弓网振动系统的特性探讨等等“ 。西南交通大学的张卫华教授、翟婉明教授对接触网的受流影响作了深入细致的研究， 得出了很多具有重大经济价值的结论，这些研究对提高接触网的受流质量具有重要意 义。 不管是国内还是国外，真正研究接触网系统弹性的相关报道还很少，对高速接触 网弹性的研究任重而道远。 1 3 本文主要工作 随着经济社会的不断发展，人们对铁路的要求也越来越高，高速、快捷、安全、 舒适的乘车环境是铁路发展的必然趋势。列车提速，除需要考虑轮轨关系外，还必须 解决好列车的高速受流问题，其中的接触网的弹性大小和弹性不均匀度是基础，否则 将产生一系列的问题，例如离线问题，经常离线将造成导线烧损、电流冲击等严重后 果。虽然从六十年代丌始，国内外在分析、研究和改善弓网关系方面作了许多研究工 作，取得了不少研究成果。但是这一问题还远未解决，需要对弓网高速受流作更深一 步的研究，改进设计，提高受流性能，保证机车正常高速运行。本文正是在为适应我 西南交通大学专业学位研究生学位论文第4 页 国铁路高速发展而提出的一个课题，希望能为我国电气化铁道的发展提供技术参考。 本文结合软索结构的接触网模型特点，确定了索结构的接触网模型，并利用a n s y s 中的l i n k l o 和c o m b i n l 4 单元建立了六种状态下接触网的有限元模型，对弹性链形悬 挂接触网进行了静态仿真分析，着重研究了接触网张力、吊弦布置、定位器弹性和跨 距长度等参数对弹性链形悬挂接触网弹性的影响。对影响弹性链形悬挂接触网的各主 要因素进行了讨论，提出了改善弹性链形悬挂接触网弹性的措施。 论文安排如下： 首先，阐述研究接触网弹性对发展高速电气化铁道的重要意义，在介绍国内外研 究现状的基础上，近一步说明本论文研究的目的与意义。 然后，确定采用索结构的接触网模型，利用a n s y s 有限元软件对接触网进行了静 态仿真分析，计算弹性链形悬挂接触网的静态弹性大小和不均匀性，分析了接触网张 力、吊弦布置、定位器弹性和跨距长度等参数对其弹性的影响，绘制弹性曲线。结合 郑西客专的测试数据，可以验证理论上建立的接触网模型的弹性的正确性。 根据以上分析，找出影响弹性链形悬挂接触网弹性的因素，提出改善弹性大小和 均匀性的措施。 最后，综述论文的主要成果以及需进一步研究的问题。 西南交通大学专业学位研究生学位论文第5 页 第2 章高速接触网现状 接触网足沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路，通过它与 电力机车的受电弓直接滑行接触，将电能传递给电力机车。接触网由支持结构、悬挂 导线和附加导线等部分组成，如图2 1 所示。支持结构包括支柱、支持绝缘子、腕臂 等；悬挂导线包括接触线、承力索( 对简单悬挂只有接触线) ；附加导线则根据直流与交 流供电方式不同有回流线、供电线、辅助馈电线等。 l： 图2 - 1 接触网的组成 接触网的弹性是表示接触网结构性能好坏的重要指标之一，由于受电弓的抬升力 为一定值，所以当接触网的弹性不同时，接触线的抬升量就有所不同。接触网的抬升 必须保持在最低限度，以便实现良好的接触质量。此外，支持装置的机械设计会限制 在这些点上可能产生的垂直运动。在低、中速条件下，即运行速度达到约5 0 的波传 播速度时，抬升值与接触网设备的弹性和受电弓作用的接触压力成比例。为了在提高 速度时保持良好的接触质量，接触压力也必须增加。这就是说必须保持尽可能低的弹 性以限制抬升n 1 。 因此研究接触网系统的弹性对弓网受流质量有重要意义。从另一角度看，接触网 静态平衡结构的精确计算，包括吊弦长度的计算和腕臂的计算，是确定接触网系统弹 性的前提条件。在接触网静态平衡结构计算出来之后可以得出接触线在静态平衡结构 的位移，接下来又在接触网系统中施加一个静态抬升力，算出在该力作用下接触线新 的位移，通过两个位移值可以得出静态抬升量，进而可以计算出接触网系统的弹性。 所以接触网的弹性与接触网的技术参数有着密切的关系。下面分别介绍德、日、法、 西四个国家的接触网的技术参数和弹性的不同。 西南交通大学专业学位研究生学位论文第6 页 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 皇曼曼! 曼! ! ! 曼曼! 皇曼曼! 曼! 皇曼! ! ! ! i ii 曼! ! ! ! ! ! 曼曼! ! ! ! 曼! ! 曼! ! ! 曼曼曼1 2 1 国外接触网主要技术参数 高速铁路接触网悬挂类型是接触网设计施工的最基本参数。目前国外高速铁路接 触网大体有三种悬挂类型：以德国为代表的弹性链形悬挂；以r 本为代表的复链形悬 挂；以法国为代表的简单链形悬挂。 2 1 1 德国高速铁路接触网主要技术参数 德国在5 0 年代大规模修建电气化铁路的同时，开始了接触网的标准化设计工作， 由西门子、a e g 和b b c 公司联合先后共同开发了r e 7 5 、r e l 0 0 、r e l 6 0 、r e 2 0 0 。7 0 年代 中期，在总结前四种标准悬挂的基础上，研制了r e 2 5 0 标准接触网。并在8 0 年代木期 修建了曼海姆到斯图加特的高速铁路，双弓最高运营速度2 5 0 k m h ，为弹性链形悬挂， 接触线为1 2 0 m m 2 铜银合金线，张力1 5 k n ，波动传播速度为4 2 6 k m h ，值为0 5 9 ；r e 3 3 0 接触网的最高运营速度3 0 0 - 3 5 0 k m h ，应用在柏林至汉诺威试验段及纽伦堡至英格斯塔 线，为弹性链形悬挂，接触线为1 2 m m 2 ，铜镁合金线，张力2 7 k n ，波动传播速度为5 6 9 k m h ， 值为o 6 2 ；s i e m e n s 公司在r e 3 3 0 基础上开发了s i c a th i 0 接触网，除结构高度、 跨距、锚段关节形式外，与r e 3 3 0 基本相同，并在法兰克福至科隆线采用。 表2 - 1 德国高速接触网主要技术参数 接触网型号 r e 2 5 0r e 3 3 0s i c a t h l o 悬挂类型全补偿弹性链形全补偿弹性链形全补偿弹性链形 接触线类型张力c u a g l 2 0 1 5 k nc u m 9 1 2 0 2 7 k nc u m 9 1 2 0 2 7 k n 承力索类型张力 b zi i - 7 0 1 5 k nb zi i 一1 2 0 2 1 k nb zi i 一1 2 0 2 1 k n 弹性吊索张力长度 b zi i 一3 5 2 8 k n 1 8 mb zi i 一3 5 3 5 k n 1 8 m b zi i 一3 5 3 5 k n 1 8 m 结构高度1 8 m 1 8 m1 6 m 接触线高度 5 3 m5 3 m5 3 m 跨距6 5 m6 5 m ( 平均5 5 m )7 0 m ( 平均6 0 r e ) 拉出值 3 0 0 m m3 0 0 m m3 0 0 m m 吊弦间距 9 o m9 o m9 o m 定位器允许抬升量 2 0 0 m m2 0 0 r a m2 0 0 m m 波动传播速度 4 2 6 k m h5 6 9 k m h5 6 9 k m h 无量纲速度 0 5 90 6 2o 6 2 反射系数 0 4 3 30 4 6 5 0 4 6 5 弹性差异系数 l o 8 8 最高运营速度 2 5 0 2 8 0 k m h3 0 0 3 5 0 k m h3 0 0 3 5 0 k m h 西南交通大学专业学位研究生学位论文第7 页 曼! 量! 皇! 曼! 曼苎! 曼曼! 曼曼! ! 曼! 曼曼曼曼! 曼! 曼! ! ! ! ! ! ! 曼! 曼i ；一 i 曼曼! 曼! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! 蔓曼! ! 曼! 曼鼍! 曼! ! 曼曼! ! 曼! 曼苎皇 图2 - 3 德国r e 3 3 0 接触网 原西德为将一些线路运行速度从1 6 0 k m h 提高到2 0 0 k m h ，对r e l 6 0 接触网进行改 进，保持原接触网的跨距、接触网、承力索及其张力等不变，主要改进定位点处的弹 性吊弦辅助索，采用非对称布置，即正定位点的弹性吊弦辅助索长度为1 8 m 、张力为 2 3 k n ，反定位的弹性吊索为1 4 m 、张力为1 7 k n 。改进后弹性不均匀度从2 6 减小到 1 6 ，跨中弹性达到定位点弹性的8 0 ，运行速度也由1 6 0 k m h 提高到2 0 0 k m h m l 。 图2 2 和图2 - 3 分别为德国r e 2 5 0 和r e 3 3 0 型接触悬挂示意图，表2 1 为r e 2 5 0 ， r e 3 3 0 ，s i c a th 1 0 的主要技术参数。 2 1 2 日本高速铁路接触网主要技术参数 日本的东海道新干线是最早实现客运速度为2 1 0 k m h 的电气化铁路，线路全长为 5 1 5 4 k m ，该线采用总张力为2 9 4 k n 的带弹性组合吊弦的复链型悬挂，弹性较大，使 得跨中的弹性可以达到定位点弹性的9 0 ，适合高速受流的要求。山阳新干线采用重复 链型悬挂( h c ) ，取消弹性组合吊弦，增加了接触网各类线索的张力和直径，总张力达 5 3 9 k n 。由于整个接触网的质量加重，弹性变小，高速受流时受电弓对接触线的抬升 量减少，接触网的振动减少，提高了接触网的综合受流性能。目前h c 接触网已经成为 日本高速线路的标准接触网。 9 0 年代初日本采用减少受电弓数量、母线相连及提高接触线的机械张力等办法， 将新干线提高到2 7 0 k m h ，仍采用复链形悬挂，其接触线采用c u s n l 7 0 ，张力提高到 2 0 k n ，波动传播速度为4 1 4 k m h ，值为0 6 5 。 西南交通大学专业学位研究生学位论文第8 页 经过大量的理论研究及借鉴国外经验的基础上，在东北新干线改建了几十公里的 简单链形悬挂，采用c s ll o 铜覆钢接触线，张力为2 0 k n ，波动传播速度为5 2 5 k m h ，p 值为0 5 l 。图2 4 ，2 5 分别为重型复链形悬挂和c s - 11 0 简单链形悬挂示意图，新干 线接触网主要技术参数见表2 2 。 一、 ， e 、 n - 二 卜兰5 。m 图2 _ 4 上越新干线接触悬挂示意图 图2 - 5 北陆新干线示意图 表2 - 2 新干线接触网主要技术参数 悬挂类型复链形恳挂重复链形悬挂全补偿简单链形 接触线类型张力 c u s n l7 0 1 4 7 k nc u s n l 7 0 1 9 6 k nc s 一11 0 1 9 6 k n 承力索类型张力 s t1 8 5 2 4 5 k ns t1 8 5 2 4 5 k n t j 一1 5 0 1 9 6 k n 辅助承力索t j 一1 5 0 1 4 7 k nt j 一1 5 0 1 4 7 k n 结构高度1 5 0 0 m m1 5 0 0 m m9 5 0 m m 接触线高度 5 0 5 m5 0 5 m5 o m 跨距5 0 m5 0 m5 0 m 波动传播速度3 5 5 k m h4 l o k m h5 2 5 k m h 无量纲速度 0 6 80 6 60 5 1 4 运营速度2 4 0 k m h2 7 0 k m h2 7 0 k m h 2 1 3 法国高速铁路接触网主要技术参数 1 9 9 0 年5 月1 8 日，t g v 列车在大西洋线创下5 1 5 3 k m h 的轮轨高速世界纪录，2 0 0 7 年4 月3 日超高速列车的最新型“v 1 5 0 ”列车在新开通的东线高速铁路行驶试验再度 创造了5 7 4 8 k m h 的轮轨高速世界纪录。 东南线全长4 2 6 k m ，接触网为弹性链形悬挂，运营速度为2 7 0 k m h ，接触线为1 2 0 舢2 c d c u ，张力1 4 k n ，波动传播速度为4 1 2 k m h ，p 值为0 6 6 ；大西洋线和北方线采 用带预留弛度的简单链形悬挂，接触线为1 5 0 m m 2 s n c u ，张力为2 0 k n ，波动传播速度为 4 4 1 k m h ，运营速度为3 0 0 k m h ，p 值为0 6 8 ；地中海线和东线高速接触网为简单链形 西南交通大学专业学位研究生学位论文第9 页 悬挂，导线为合金含量0 2 的铜锡和铜镁合金接触线，张力为2 5 k n ，设计速度3 5 0 k m h 。 一般采用h 型钢支柱，硬横梁支柱也为h 型钢柱，绝缘子为钢化玻璃绝缘子，定 位装置为弓型不限位定位器，锚段关节为4 跨形式，电分相为锚段关节加中性段形式， 机车通过电分相的控制由列控系统完成，道翁处接触网布置为无交叉形式。图2 6 和 2 - 7 为法国东南线、大西洋线接触网悬挂示意图，表2 3 为法国高速接触网主要技术参 数。韩国高速接触网采用了t g v 大西洋线标准。这种接触网因在定位点安装了弹性吊 弦，增加了弹性均匀性，同时也使得定位支持点的弹性增大，导致在定位器处抬升量 增大，易发生定位管打弓事故。 表2 - 3 法国高速接触网主要技术参数 线路名称t g v 东南线 t g v 大撕洋北方线t g v 地中海线 悬挂类型全补偿弹性链形全补偿简单链形全补偿简单链形 接触线类型张力 c d c u1 2 0 1 4 k n c u s n 、c u l 5 0 2 0 k n c u s n1 5 0 2 5 k n 承力索类型张力 b zi 【一6 5 1 4 k nb zi i 一6 5 1 4 k nb zi i 1 1 6 2 0 k n 弹性吊索张力长度b zi i 一3 5 4 k n 1 5 m 结构高度 1 4 m1 4 m1 4 m 接触线高度 4 9 5 m5 o m5 o m 跨距 6 3 m 最人6 3 m 平均5 0 m最人6 3 m 平均4 5 m 预留弛度( ) 0 1o 10 2 拉出值 2 0 0 m m2 0 0 m m2 0 0 m m 定位器允诈抬升量 2 4 0 m m4 0 0 m m4 0 0 m m 波动传播速度4 1 l k m h4 4 l m h4 9 3 m h 无量纲速度 0 6 60 6 80 7 l 最高运营速度 2 7 0k m h2 7 0k m h 3 5 0k m h 图2 - 6 法国东南新干线 ，、，一，、 7 、 g 寸 二 9 l t 】l _ 一 t g g 譬 【。一63rrl。一 图2 - 7 法国北方线高速接触网 西南交通大学专业学位研究生学位论文第1 0 页 2 1 4 西班牙高速铁路接触网主要技术参数 西班牙于1 9 9 2 年丌通了全长4 7 1 k m 的马德里至塞维利亚高速铁路，其接触网的技 术标准为德国r e 2 5 0 ，最高运营速度为2 8 0 k m h ，采用2 5 k v ，5 0 h z 单相交流带回流线 的直接供电方式，设牵引变电所1 2 座，变电所间距约4 0 k m ；马德里至巴塞罗纳高速铁 路全长约6 0 0 k m ，其中马德里一勒瑞达段4 7 0 k m 于2 0 0 4 年开通，设计商业运行速度为 3 5 0 k m h ，采用有砟轨道，交流2 5 k v ，5 0 h z ，a t 供电方式，接触网采用自主开发的 e a c 一3 5 0 。 表2 - 4 西班牙高速接触网主要技术参数 线路名称 马德里一塞维利哑马德里一罢赛罗拉 悬挂类璎全补偿弹性链形全补偿弹性链形 接触线类型张力r i s l 2 0 1 5 k nr i m l 5 0 3 1 5 k n 承力索类型张力 b zi i 一7 0 1 5 k n t j 一1 5 0 1 5 k n 弹性吊索张力长度 b zi i - 3 5 2 8 k n 1 8 ( 1 4 ) mb zi i 一3 5 3 1 5 k n 1 8 ( 1 4 ) m 结构高度 1 8 1 1 m1 4 1 1 m 接触线高度5 3 m5 3 m 跨距6 5 4 4 m6 4 5 0 m 拉出值吊弦间距3 0 0 m m 9 m2 0 0 m m 9 m 定位器最大允许抬升量 2 0 0 m m2 0 0 m m 波动传播速度 4 2 6 k m h5 5 3k m h 无量纲速度 0 6 6 0 6 3 3 多普勒冈数 0 1 7 ( 3 0 0k m h )0 2 2 ( 3 5 0k m h ) 反射冈数 0 4 3 3 0 3 6 9 最高运营速度 2 5 0 ( 2 8 0 ) k m h3 0 0 ( 3 5 0 ) k m h 马塞铁路接触网一般采用锥形混凝土支柱，桥上为h 型钢柱，车站采用单立柱及 硬横跨结构，棒式绝缘子为瓷材质，锚段关节为5 跨，定位装置为铝合金限位定位器， 支柱基础为钻孔桩及打入桩的钢管基础，采用1 2 跨锚段关节电分相，机车过电分相为 列控系统实现；下锚补偿采用棘轮补偿装置，道岔处接触网布置采用交叉方式。 马巴高速接触网支柱为热浸镀锌钢柱，为了增加环保效果和防腐能力，支柱采用 镀锌后刷涂深蓝色油漆，棒式绝缘子为瓷材质、悬式绝缘子为钢化玻璃材质，锚段关 节为4 跨，支柱基础为钻孔桩混凝土基础，接触线、承力索下锚拉线基础为两个独立 桩基础，所有基础均设接地线，定位装置为铝合金限位定位器，道俞处接触网采用第 三组“辅助悬挂”形式。西班牙高速接触网主要技术参数见表2 4 ”。 2 2 电力牵引对接触网的要求 铁路2 4 小时不问断运营，接触网就应2 4 小时不问断( 全天候) 供电，且电能质 西南交通大学专业学位研究生学位论文第11 页 量符合电力牵引机车运营要求。要实现这一目标，接触网必须能适应各种气象条件及 其变化情况，在几何空间( 限界、弓网几何关系) 、电气安全( 绝缘、防雷、接地) 、机 电性能( 载流量、稳定性、波动特性) 、弓网动态匹配( 振动、噪音、磨擦) 、环境( 电 磁兼容、噪音、动物) 、运营维护( 成本、工艺) 等方面达到相应的技术要求。 2 2 1 总体要求 接触网特性和工作坏境决定了接触网必须具备高可靠性和高效率才能承担起全天 候不间断供电的重任。高可靠性和高效率是从先天的设计和施工中得来的，而不是从 后天的维修得来的。从设计开始就应做好接触网的长期规划，综合考虑各类因素，采 用成熟的先进技术；从基础施工开始就应严格控制施工误差，严格控制工程质量，实 现接触网工程的“零缺陷”，使接触网满足以下各项要求： ( 1 ) 在任何条件下，都能确保障人员和设备的安全； ( 2 ) 在设计条件下具有可靠的稳定性和良好的弓网特性； ( 3 ) 能满足牵引高峰时牵引负荷对牵引电能的需求和必要的过负荷能力； ( 4 ) 在任何条件下，零部件和设备的空间位置不影响受电弓( 或取流靴) 正常取流； ( 5 ) 网上零部件和设备的质量轻且分布均，无硬点，悬挂弹性均匀； ( 6 ) 接触网零件、设备和线索具有良好的防腐性，使用寿命长； ( 7 ) 接触线质量轻、抗拉强度高、温度特性好，电导率高、具有良好的波动特性； ( 8 ) 接触线与受电弓滑板之间具有良好的互磨特性和电传导特性； ( 9 ) 结构简洁、零部件型号统一，便于施工和维修； ( 1 0 ) 在最高运行速度下，弓网离线率应在可容许的范围内； ( 1 1 ) 对其周围环境的电磁干扰应在控制范围之内。 2 2 2 接触网的评价标准 电气化铁路对接触网一受电弓电能传输系统提出两项基本要求：是满足技术性 能要求，即在所规定的行驶速度时尽量不产生电弧，且在向机车输送电能时，电能损 耗要尽量小：二是满足经济性要求。即在投资费用和维修费用尽量小的情况下，使用 寿命尽可能长h ，。 这两项要求是相互关联的，可以通过弓一网系统振动状况加以说明。接触网和受 电弓的振动，导致它们之间的接触力围绕着接触力平均值上下波动。接触力平均值是 西南交通大学专业学位研究生学位论文第12 页 皇! ! 曼曼! 曼! 曼苎曼曼! 曼曼! ! ! ! ! ! 曼! ! 曼! 曼! 曼! ! 曼1 1 鼍曼! 曼! 曼曼曼! 皇! 毫! ! 苎曼曼! 曼! ! ! 曼! ! ! ! 曼! 曼! ! ! 曼舅! 曼! ! 笪! ! ! ! 曼曼曼曼蔓 由两部分抬升力共同作用而形成的，即静态抬升力和空气动力引起的动态抬升力。从 德国联邦铁路和r 本铁路的测试中得知，在给定行驶速度和接触电流时，接触线的磨 耗取决于接触力。如果接触力太小，接触电阻提高并产生电弧，电弧导致滑板和接触 线的烧蚀，从而加大其磨耗。反之，也会导致出现过大的周期性接触力峰值，由于磨 损增大，同样也加大其磨耗。 在运动的且带电的受电弓处，精确测量接触力是很困难的。当然，现在已开发出 这种测试方法。因而，在过去一般采用可以容易测得的电弧次数和持续时间，作为在 设计速度范围内的接触网一受电弓系统行驶品质的评价参数。德国联邦铁路争取把在 设计速度范围内的电弧时间限制在同行驶时的5 以下。由于1 9 8 0 年以前缺少关于链形 悬挂接触网一受电弓系统的令人满意的理论，为满足上述要求，必须采取哪些措施的 问题，尚不能做定量计算，1 9 8 0 年以后，虽经各国作了大量工作也没有得到满意解决， 更无统一的定论。然而从静态考虑，一种半定量和半定性的经验标准，相对而言为各 国铁路部门予以承认，即接触线的波动传播速度应大于列车行驶速度。但对两者比例 关系，尚未取得共识。尽管如此，它在为开发新型接触网的试验中，得到验证并从根 本上降低了开发工作所需要的试验次数。在德国联邦铁路丌发2 0 0 k m h 以上的高速接 触网时，感觉到仅依据静态评价标准远远不够。因此，通过z e v _ _ g l a sh n n a c e n 杂志1 9 7 9 年第1 0 期的一篇“接触网设计的动态标准”论文，提出动态标准作为静态标准的补充， 并通过1 9 8 8 年5 月1 日高速行驶试验进一步论证及完善“。 2 2 2 1 静态评价标准 由文献 2 5 ，2 8 ，3 3 知：当静止的受电弓在接触线的x 点处，以力f 作用于接触线 上，在由此激发的振动衰减停振后，产生的拾升量为y ( x ) 。抬升量y ( x ) 与力f 的比称 作该点的静态弹性： p ( x ) = y ( x ) f ( 2 1 ) 接触线纵向上的e 值变化越小，慢速行驶的受电弓垂直运动越小，从而，接触线 与受电弓之间接触力波动也越小。因此形成条接触网设计的基本原则：接触线的静 态弹性应尽可能恒定。 由于按方程( 2 一1 ) 计算接触网弹性很不方便，德国从经验关系中推导出带y 型辅 助索的链形悬挂的弹性方程式： e 一竺一 ( 2 2 ) 一 l z zj 3 5 ( 耳+ b ) 西南交通大学专业学位研究生学位论文第13 页 ! 曼! 曼! ! ! ! 曼! ! ! 曼! 曼! 曼曼曼曼曼! ! 曼! 曼! ! 蔓! 曼! 曼! 曼! ! ! ! ! ! ! ! 曼o： 一 ：；i i i 曼! 曼! ! ! 曼曼曼曼曼 式中e 一跨中弹性，( m m n ) ； a - 纵向跨距，( m ) ； f ，一接触线张力，( k n ) ； r 一承力索张力，( k n ) 。 悬挂点处的弹性取决于辅助索的长度和张力。 另外，衡量静态弹性变化程度的大小，是以百分数表示的弹性不均匀度：即： u ：e m a x - - e m i ( 2 3 ) e m a x + e m i n 式中u 一弹性不均匀度； p 一一最大弹性，( r a m n ) ； e 。i n 一最小弹性，( m e n ) 。 实践中为了便于计算，用跨中静态弹性e f 代替e 一，用悬挂点处的静态弹性e 。代 替e 。m ，形成近似的弹性不均匀度：即 u ：! 皇 ( 2 4 ) e f + e s 由于u 值与以其定义的接触网品质以及行驶性能之刚的关系尚未确定，因此值 不能做定量参数。 德国联邦铁路标准接触网具有表2 5 给出。 表2 - 5 德国不同接触网类型的弹性不均匀度 接触网类型弹性不均匀度 r e l 0 0 乍6 0 5 0 r e l 6 0 乍2 6 一1 9 r e 2 0 0泸1 4 r e 2 5 0胪1 0 r e 3 3 0萨8 s i c a t h l 0胆8 接触网一受电弓系统的良好受流要求接触网的弹性均匀且弹性较小，安全系数满 足设计、施工的规程规范要求。弹性越均匀越有利于改善弓网关系，降低弹性不仅有 利于提高接触网的稳定性，而且能够限制接触线抬升量、减少接触线疲劳损伤。随着 西南交通大学专业学位研究生学位论文第1 4 页 列车速度的提高，弹性的均匀性显得越来越重要，不均匀度低于1 0 的，对高速接触网 比较合适并易于实现。下表列出了不同弹性及弹性不均匀度下的列车适应速度。 表2 6 弹性要求 列车速度( k m h )弹性( m m n )弹性不均匀度( ) 1 0 01 2 05 0 1 6 01 2 03 0 2 0 01 1 0 2 0 2 8 00 6 0l o 2 8 00 4 0 8 2 2 2 2 动态评价标准 为了定量描述和定量分析接触网和受电弓系统的振动状况，德国的 k a r l 一h a n s b a u e r ，r o l a n db u c k s c h ，r u d o l fm a h r t ，f r i t zs c h n e i d e r 等数人曾做过广 泛的理论研究，也曾在数篇论文中介绍过其研究情况，并在研究基础上借助简化的数 学模型，首次推导出可在优选高速接触网参数时，考虑动态效应的方案。 在接触网和受电弓系统中，它们振幅越小，受流质量越好，这是不言而喻的。因 此要求弹性不均匀度要小。因当受电弓驶过等距支柱以及在跨距中等距的吊弦时，能 周期激发接触线振动。不均匀度越小，振幅越小。同时也要求调整精度高，高精度能 使非周期激发次数少且其强度低。 这两项条件还不能满足高速接触网的要求，还需要求被激发振动在传播中不被加 强。这项原则被称之为“动态激发标准”。然而实际中由于在链形悬挂的分支点处和运 动着的受电弓处，有先后传播的反射波的叠加，可能会使振动增大。它首先由b u c k s c h 发现，这种效应被忽视了很长时期，因为根据振动学，线性振动的振幅，在线中静止 的和被动的非均质处，被反射时不会被增大。但是在接触网一受电弓系统中，振动不 仅被运动着的受电弓激发且还会被其反射，这时可能出现振幅增强，振幅增强程度用 增强因数y 表示，它与反射因数，成正比，与多普勒因数口成反比，”，。 反射因数( r e f l e x i o n f a c t o r ) r 一 笪墨：竺三 、3 f t m t 一0 f p mf 式中 m r - 承力索单位长度质量，( k g m ) ； f t 一承力索张力，( k n ) ； ( 2 5 ) 西南交通大学专业学位研究生学位论文 第15 页 曼曼曼曼! 曼! ! 曼! ! ! ! ! 曼曼! 曼曼! 曼! ! ! |。一 一 i i imm i 鼍 最一接触线张力，( k n ) ； m f 一接触线的单位长度质量，( k g m ) 。 多普勒因数用口表示 口：! _ ( 2 - 6 ) c 口+ y 式中c ，一接触悬挂的波动速度，( k m h ) ； 1 ，一列车的运行速度，( k m h ) 。 因此随着行驶速度提高在静念抬升量上还要增加一个动态分量，行驶速度越接近 接触线中横向波的传播速度，这个动态分量就越大。接触线的波动传播速度可由下式 计算得出： ( 波动传播速度- - w a v ep r o p a g a t i o nv e l o c i t y ) c ：生，z s n m ， ( 2 7 ) 式中i n ，一接触线单位长度的质量，单位是k g m ； 疋接触线张力，单位为n ； 高速行驶时接触网的振动是不可避免的。为了使接触网有良好的高速行驶特性， 就要把接触线的振幅控制在尽量小的范围内，并使振动衰减尽量快，为达到这一目的 就要在设计时通过参数选择使增强因数尽量小( 增强因数，英文= r e n f o r c e m e n t f a c t o r ，用y 表示) 。 ，：三( 2 8 )y 2 一l z 一石， 口 因此可以说，增强因数是衡量接触网高速时动态性能的主要标准。从式( 2 - 8 ) 中可 看到，要使增强因数尽可能小，则需减小反射因数和加大多普勒因数。从式( 2 - 5 ) 中看 到，减小反射因数可通过降低承力索张力和提高接触线张力办法达到，但有一定限度。 承力索张力过小会带来其他弊病。增大多普勒因数，根据式( 2 - 6 ) ，需提高接触导线的 波动传播速度。根据式( 2 - 7 ) ，提高波传播速度不能通过增大接触线截面的同时，提高 张力的办法，尽管增大截面，因接触线刚性增强，弹性也会相应降低，但是在安装时， 造成非连续点即“硬点”的危险性也随之增加。只能通过提高接触线的拉应力的办法， 才能达到提高波动传播速度的目的。 西南交通大学专业学位研究生学位论文第16 页 曼