第13讲 受电弓及弓网系统的耦合与设计

1、受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12第第14讲讲 受电弓及弓网系统的耦合与设计受电弓及弓网系统的耦合与设计主讲人董昭德主讲人董昭德西南交通大学电气工程学院西南交通大学电气工程学院201112受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12一、受电弓的基本构成和术语（1）框架 （2）底架（3）弓头（4）滑板（5）弓角（6）弓头长度（7）弓头宽度（8）弓头高度（9）弓头支承轴（10）滑板长度（11）下部工作位置高度（12）上部工作位

2、置高度（13）工作范围（14）落弓高度(15) 支持绝缘子.受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12一、受电弓的基本构成和术语(1) 弓头弓头 弓头由滑板、滑板托架、弓角等几部分组成，安装在受电弓框架的顶端，借助框架的伸缩弓头由滑板、滑板托架、弓角等几部分组成，安装在受电弓框架的顶端，借助框架的伸缩作上下移动，并能绕自身的固定转轴作少量的转动。作上下移动，并能绕自身的固定转轴作少量的转动。 滑板是集电元件，与接触线滑动接触完成牵引电能的传输。滑板一旦受损或失效将危及滑板是集电元件，与接触线滑动接触完成牵引电能

3、的传输。滑板一旦受损或失效将危及列车运行安全。列车运行安全。受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12一、受电弓的基本构成和术语弓头悬挂结构(2)弓头悬挂结构弓头悬挂结构受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12一、受电弓的基本构成和术语框架结构简图 框架框架 底架底架 传动机构传动机构 升弓机构升弓机构受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12

4、二受电弓简介1高速受流对受电弓的要求高速受流对受电弓的要求质量轻稳定上下走直线左右不摇摆质量轻稳定上下走直线左右不摇摆2受电弓简介受电弓简介 依据受电弓的支撑结构，可分为单臂弓和双臂弓，双臂弓主要依据受电弓的支撑结构，可分为单臂弓和双臂弓，双臂弓主要用于早期电气化铁路，以日本的菱形受电弓为代表；随着技术的发用于早期电气化铁路，以日本的菱形受电弓为代表；随着技术的发展，单臂受电弓应用越来越多。展，单臂受电弓应用越来越多。 受电弓受电弓单臂、双臂、单臂、双臂、T形形 单臂单臂非对称结构，质量轻非对称结构，质量轻 双臂双臂对称结构，质量重、稳定性好对称结构，质量重、稳定性好 T形形空气动力学特性好空

5、气动力学特性好受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12受电弓形式与发展受电弓形式与发展双臂受电弓双臂受电弓TPS203 500系系 T型受电弓型受电弓1889年德国受电弓年德国受电弓受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12受电弓形式与发展受电弓形式与发展单臂受电弓单臂受电弓德国DSA受电弓法国GPU受电弓法国CX-300受电弓700系用受电弓(日本) 受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDON

6、G 2011.12SWJTUDONG 2011.12弓头框架升降弓装置基本要求：上下走直线上下走直线弓头不偏摆弓头不偏摆静态接触恒定静态接触恒定单臂受电弓单臂受电弓2 受电弓简介受电弓简介弓头跟随性好弓头跟随性好动态响应快动态响应快阻尼合理阻尼合理受空气影响小受空气影响小噪音小噪音小质量轻质量轻动力学性能基本要求动力学性能基本要求受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.4SWJTUDONG 2011.4（1）弓头结构）弓头结构弓头的悬挂形式弓头的悬挂形式圆弹簧圆弹簧直线作用直线作用斜线作用斜线作用板簧板簧橡胶橡胶直线作用直线作用扭转作用扭转作用滑

7、板形式滑板形式单滑板单滑板整体双滑板整体双滑板分体双滑板分体双滑板2单臂受电弓的基本结构单臂受电弓的基本结构三元与二元的区别？三元与二元的区别？受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.4SWJTUDONG 2011.4启动电流大辅助滑板受电弓二受电弓简介二受电弓简介受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12底架：不锈钢焊接结构；下臂：铸铝结构；底架：不锈钢焊接结构；下臂：铸铝结构；上导杆：碳纤维；弓头：高强度钛合金；上导杆：碳纤维；弓头：高强度钛合金；上臂：铝型材

8、。上臂：铝型材。设计速度设计速度 300 km/h 落弓位伸展长度落弓位伸展长度 2640 mm 最大升弓高度（包括绝缘子）最大升弓高度（包括绝缘子） 3000 mm 落弓位高度（包括绝缘子）落弓位高度（包括绝缘子） 588 mm 弓头长度弓头长度 1950 mm额定电压额定电压 25 kV 额定电流额定电流 1000 A 接触压力接触压力 70 120 N（可（可调）调） 驱动类型驱动类型 气囊驱动机构气囊驱动机构 升弓升弓 5.4秒可调降弓秒可调降弓4 秒秒 可调可调整弓质量整弓质量 约约109kg 中国中国300km/h受电弓受电弓 受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设

9、计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12受电弓的性能表征受电弓的性能表征额定静态接触压力；额定静态接触压力；同高度压力差；同高度压力差；同向压力差；同向压力差；静态压力曲线；静态压力曲线；工作高度；工作高度；最高升弓高度；最高升弓高度；升降弓时间，升降弓时间，静态接触压力静态接触压力受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12受电弓性能优化受电弓性能优化优化目标：优化目标：（1）确保高速运行条件下的可靠性和安全性；）确保高速运行条件下的可靠性和安全性；（2）受流质量良好，离线率和电

10、火花在容许范围之内；）受流质量良好，离线率和电火花在容许范围之内；（3）平均接触压力不超过）平均接触压力不超过120N；标准偏差不超过；标准偏差不超过24N；（4）应有尽量长的使用寿命，不低于）应有尽量长的使用寿命，不低于150200万架次。万架次。优化内容：优化内容：（1）弓头垂直运动轨迹；）弓头垂直运动轨迹；（2）主轴转矩；）主轴转矩；（3）维持动态平衡及升弓弹簧刚度）维持动态平衡及升弓弹簧刚度（4）归算质量；）归算质量；（5）静态接触压力。）静态接触压力。受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12 受电弓

11、的归算质量是指将整个受电弓的活动部分（如滑板、托架、受电弓的归算质量是指将整个受电弓的活动部分（如滑板、托架、框架等）的实际质量归算到弓线接触点，使整个受电弓具有与受电弓框架等）的实际质量归算到弓线接触点，使整个受电弓具有与受电弓滑板相同加速度的质量，该质量所产生的动能与整个受电弓所产生的滑板相同加速度的质量，该质量所产生的动能与整个受电弓所产生的实际动能相等。实际动能相等。 受电弓的归算质量不是一个常数，它随受电弓的升弓高度变化而变受电弓的归算质量不是一个常数，它随受电弓的升弓高度变化而变化。其算法有多种，但均是根据动能相等的原理进行的。化。其算法有多种，但均是根据动能相等的原理进行的。 实

12、践和研究表明：受电弓的归算质量应控制在实践和研究表明：受电弓的归算质量应控制在825千克之间。千克之间。 受电弓的归算质量越小，它的跟随特性就越好，适应接触网的能受电弓的归算质量越小，它的跟随特性就越好，适应接触网的能力也就越强，能有效降低受电弓的动态振幅。力也就越强，能有效降低受电弓的动态振幅。对受电弓而言，归算质量的作用与接触网的波动速度对接触网的对受电弓而言，归算质量的作用与接触网的波动速度对接触网的作用相当！作用相当！受电弓归算质量受电弓归算质量受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.124弓网受流对滑板

13、的技术要求弓网受流对滑板的技术要求 (1) 为防止接触线与滑板间的接触电阻过大，引起发热烧损接为防止接触线与滑板间的接触电阻过大，引起发热烧损接触线和滑板，滑板的材料必须具有良好的导电性能；触线和滑板，滑板的材料必须具有良好的导电性能； (2) 接触线和滑板间必须具有良好的磨擦性和互润性，以减少接触线和滑板间必须具有良好的磨擦性和互润性，以减少维修量、延长设备寿命；维修量、延长设备寿命； (3) 滑板对接触线或接触线对滑板二者间不能造成损伤；滑板对接触线或接触线对滑板二者间不能造成损伤； (4) 滑板应具有良好的韧性、耐冲击性好，不会因冲击而发生滑板应具有良好的韧性、耐冲击性好，不会因冲击而发

14、生缺损或破裂，也不会因工作原因而产生大量粉性物质；缺损或破裂，也不会因工作原因而产生大量粉性物质； (5) 为减小受电弓的归算质量，提高受电弓的跟随特性，降低为减小受电弓的归算质量，提高受电弓的跟随特性，降低受电弓引起的冲击和离线率，滑板的质量要轻；受电弓引起的冲击和离线率，滑板的质量要轻； (6) 滑板为易耗品，为节约经费，其价格应低。滑板为易耗品，为节约经费，其价格应低。受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12三、弓网受流的系统性受电弓接触网弓网受流弓和网是两个独立的机电系统，受电弓高速移动，接触网固定不

15、动；弓网之间的接触耦合是动与静，刚与柔的耦合；受电弓和接触网的设备属性和功能属性相分离； 受电弓和接触网彼此分开后都没有单独使用的功能，二者只有耦合要一起才具有使用价值，因此，弓网是一个整体，必须将二者作为一个系统；影响弓网受流系统的因素众多，弓网受流问题是一个系统工程问题，因此，设计、分析、解决弓网问题必须从系统的认识出发，设计和实施一个整体，以求达到所希望的效果。系统工程是工程技术，是技术就不宜泛称为科学。受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12三、弓网的系统性弓网受流是一个多学科交叉的系统工程；弓网系统

16、的核心任务是完成电能的传输； 弓和网是弓网系统的两个具有独立特性的子系统； 影响弓网耦合的因素很多，具有大系统特征； 系统的研究重点是电接触、振动与波动、检测与评价；仿真与试验；装备制造；受流质量与弓网寿命依赖于弓网系统的设计、制造（施工）、运行维护方案;弓网系统性还表现为电气化铁路大系统的一个小系统弓网系统示意图受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12弓网系统图弓网系统图弓网耦合因素图弓网耦合因素图受电弓受电弓接触网接触网几何几何电气电气机械机械材料材料弓网间的多重耦合-弓与网的主次三、弓网的系统性受电弓及

17、弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12三、弓网的系统性受电弓接触网弓网受流系统工程的特点系统工程的特点是一个由许多部分组成的整体；是一个由相互关联、相互制约的各个部分所组成的具有特定功能的有机整体；一个“系统”本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分；工程技术离不开具体的环境和条件，必须有什么问题解决什么问题；工程技术避不开客观事物的复杂性，必然要同时运用多个学科的成果。受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12 简单抽象地看，过程

18、很简单! 深入了解后，实际很复杂!原因： (1) 接触过程复杂： 复杂震动! 复杂碰撞! 滑动摩擦! 以及以上多种运动机理的复合作用“震动”源有五个： 轮轨作用 机车自身 受电弓与车体的联体 风引起的受电弓震动 受电弓摩擦接触线引起的震动；四弓网系统复杂性四弓网系统复杂性 “碰撞”源有两个： 受电弓与完好匹配的接触线之间存在的因对向震动波引起的随机“合理碰撞”。 受电弓与可能不完好不匹配的接触线之间存在的因对向震动波引起的随机“非合理碰撞”。动态受电弓与动态接触线间的动摩擦。受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011

19、.12(2) 弓网存在四重动态耦合(几何、电气、机械、材料) 弓网的复杂性还表现在弓网的接触过程中接触力的不断变化，存在静态作用力与动态作用力两种表现形式。 静态下的(指静止或低速情况下)弓网作用力来源于受电弓升弓后对接触线的垂直压力，反映了接触网和受电弓的静态特性； 静态作用力越大，滑板和接触线的机械磨耗越大，使用时限越短； 静态作用力越小，机械磨耗越小，但不利于受电弓克服风、震动等惯性，难以稳定取流，必然产生不合适的电弧，增大滑板和接触线的电气磨耗，滑板和接触线的合理使用时限也会缩短。四弓网系统复杂性四弓网系统复杂性 受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDO

20、NG 2011.12SWJTUDONG 2011.12(2) 弓网存在四重动态耦合(几何、电气、机械、材料) 动态下的弓网作用力，表现为运行中的受电弓对接触线的瞬时作用力，反映了受电弓和接触网的动态特性动态特性。 当弓网动态作用力大到超过一定数值后，一方面造成接触网和受电弓的不合理磨耗，降低其使用时限；另一方面还会引起接触线的过度抬升，加快接触线的机械疲劳，甚至造成弓网事故； 当弓网动态作用力低于一定数值后，取流效果下降，甚至引起电弧，烧损滑板、接触线，大的电弧甚至可烧断承力索。 四弓网系统复杂性四弓网系统复杂性 受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2

21、011.12SWJTUDONG 2011.12 简单抽象地看，过程很简单! 深入了解后，实际很复杂!原因： 是一个大系统耦合条件下的弓网系统； 是一个试验性科学技术综合性系统：工程要素工程要素是指形成工程所必需的材质、地质、基础、零配件、构件、设备、工机器具等硬要素和合适的工程构造结构，先进的工程设备(含零配件、构件)的制造手段和工艺，合理的建设条件（投资、工期、作业时间与作业空间等），先进的工法、工艺，先进的检测和试验技术等软要素。四弓网系统复杂性四弓网系统复杂性 轮轨关系既有独特性，又有基础性和一定的制约性；弓网关系既有独立性，又有综合性和被动性；随着列车运行速度的不断提高，轮轨系统对弓网

22、系统的影响呈现出高次幂函数的变化规律，具有特殊复杂性；任何一个内在工程要素的变化，都会带来工程技术（包括设计、建设、制造、施工各环节）上大的差异；这些差异，甚至无法仅依赖一门或几门科学技术理论来指导、解决，必须依靠先进的工程科学技术试验方法手段来不断的试验研究后，才可能进行调整。受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12五 高速弓网的耦合关系 几何耦合（基础） 材料耦合（保障） 电气耦合（核心） 机械耦合（关键）弓网耦合弓和网的空间几何关系弓和网的电气关系弓和网的动态关系弓和网的材料匹配关系受电弓及弓网系统的耦

23、合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12几何耦合的重点问题垂直方向的：高度与坡度、坡度变化率；水平方向的：拉出值、跨中风偏移综合作用的：纵移与横偏 锚段关节非支抬高、偏移； 线岔始触区和无线夹区； 受电弓与附加导线间的距离。五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12几何耦合几何耦合表征接触线在轨平面方向的主要参数是拉出值和风偏，接触线应总是处于受电弓弓头的工作范围(受电弓弓头的工作长度减去至少2200mm后所得到的数值)以内

24、。为此，应考虑以下因素：受电弓偏离机车车辆的设计位置；机车车辆的左右晃动以及轨道偏差；接触线移动的极限位置值。接触线移动的极限位置主要为风偏，任何架空导线在风的作用下都要偏离自己的起始位置，接触线也不例外。受电弓静受电弓的弓头轮廓(3) 拉出值与受电弓有效工作长度五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12几何耦合几何耦合始触区接触线无线夹区 对于1950mm受电弓，距受电弓中心6001050mm的平面和受电弓最大动态抬升高度（200mm）构成的立体空间区域为始触区，在该区域内，一般不允许安

25、装任何零件和线夹（特殊需要时可安装吊弦线夹）五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12电气耦合电气耦合接触线与受电弓滑板之间的电气匹配关系。弓网安全运行的核心!所有改善弓网性能的最终目的都是为了实现牵引电能的稳定传输，保证弓网在动和静两种工况下的电气稳定性和合理的电气磨耗。(3) 研究目的:保证弓网间电能传输的稳定性和安全性，保证接触线与滑板这对电气藕合在材料性能、电气指标上的匹配，保证弓网在相互高速运行中或相对静止两种工况下的电气稳定性和合理的电气磨耗；(2)表征参数： 最大允许通过电流

26、 接触线和滑板的电阻率 接触电阻 散热性能 电磨耗五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12电气耦合电气耦合 当工作在可分合(从分离到接触或从接触到分离)的过程时,在一定条件下会产生电弧或其它放电现象； 滑板和接触线在大气中脱离接触时，被断开的电流超过0.251A，断开瞬间加在滑板与接触线上的电压超过1220V，在滑板与接触线的间隙中通常会产生一团温度极高、发出强光和能够导电的近似圆柱形的气体这就是电弧 产生电弧的最小电流如果小于一定数值，则开断时只能产生一为时极短的弧光放电通常称为电火花

27、(4) 滑板和接触线间的三种工作方式 接 触 可分合 分 离电火花电弧五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12电气耦合电气耦合(5) 电弧和电火花的区别 电火花：电火花：过热的表面毛刺或导电班点飞溅形成的火花状物质； 电电 弧：弧：滑板和接触线脱离接触，使处于滑板和接触线间的空气游离击穿所产生的温度极高的耀眼光斑。 本质区别：高温的能量接续者；低温的润滑剂。 弓网电弧的危害： 电气磨损； 导线失效； 降低上级电网的电能质量； 高频电磁干扰； 铁路噪音。电火花电 弧五 高速弓网的耦合关系受

28、电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12电气耦合电气耦合(6)弓网静态接触电阻 对于滑板和接触线间点状接触的粗糙表面，依据电接触理论，单个导电斑点的接触电阻导电斑点附近电流线收缩现象 当温度达到接触线或滑板材料的软化点和熔化点时，导电斑点及其附近的接触线或滑板材料就会发生软化和熔化。121244ceeffRRRRRaa弓网系统总的静态接触电阻为124cRna124cHRF滑板与接触线间的接触斑点五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SW

29、JTUDONG 2011.12电气耦合电气耦合(7) 接触点的温升 根据电位温度理论可知，导电斑点超过接触点外的温度与接触电阻及通过接触点的电流成简单的函数关系滑板与接触线间的接触斑点2212()128HInF导电斑点超出接触点以外区域的温度，即接触点温升 U接触压降 I通过接触面的总电流 滑板与接触线材料的热导率与电阻率乘积的平均值五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12电气耦合电气耦合电弧热功率导致滑板和接触线温度升高，温升到一定程度时，滑板和接触线的表面会发生熔化和气化在弓网相对运

30、动过程中，滑板和接触线的接触位置不断变化，电弧位置也在不断变化，位置变化的速度与接触线的拉出值、列车的运行速度有关相对运动阻止了电弧能量引起的弓网系统固定位置的温度升高。(7) 接触点的温升弓网间的电流弓网间的电弧列车停车时的取流:热效应,接触电阻、接触面积 散热 电气磨耗列车高速运行时的取流:热效应,接触电阻、接触面积 散热五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12电气耦合电气耦合(8) 过分相产生过电压的问题受电弓滑板脱离有电区前受电弓滑板脱离有电区后过渡状态：电压和电流波动性很大三大

31、耦合：静电（电容）、感应电（电感）、阻性（纵向电阻）三个过程：接触、分离、可分离中性段上的感应电压只与两个电源的相位关系有关， 平衡变压器接线方式下，感应电压有效值约为17kV； Yn,d11接线方式下，感应电压为12kV。五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12机械耦合机械耦合(1) 机械耦合的研究内容弓网机械耦合是指受电弓与接触网的动态匹配关系，它研究的是高速运行下的受电弓与接触网间的动态匹配和动态稳定性问题。主要表征参数 弓网接触力、 弓网振动特性、 接触网波动特性， 受电弓追随特

32、性等。弓网动态耦合矩阵图就弓网系统本身而言，影响受流稳定的因素就有接触网波动和振动、单弓取流的谐振速度、双弓取流的谐振速度等。 波动速度及单弓取流的谐振速度与受电弓参数关系不大，主要取决于接触网的结构与参数，而双弓受流的谐振速度与受电弓安装间隔密切相关，具有较大的可变性。另外，路基及桥梁特性、接触线和钢轨的不平顺度、风速和风向、覆冰等都直接影响弓网系统的振动。五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12弓网间的动态耦合弓网动态特性综述 弓网动态特性是指列车高速运行时受电弓和接触线之间所表现的

33、而在低速阶段表现不出来的异常特殊现象，主要体现在接触线弯曲应力、弓网接触力、弓网抬升量等值。弓网接触力弓网接触力=0 +AERRDYN 静态接触压力0、空气动力分力AER、摩擦力R动态接触压力分力DYN 气流主要作用在滑板上（7580%），其余部分（2520%）作用在受电弓框架上。弓网接触压力P受电弓与接触网之间的接触力静态接触压力P0 驱动机构使滑板与接触线间产生的压力磨擦力PR 关节间的磨擦力，与弓头运动方向相反空气动力接触压力分力PAER 气流对受电弓的抬升力动态接触压力分力PDYN 由垂直振动引起的惯性力sincos)cos(212fkVVsP五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦

34、合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12平均接触压力目标值平均接触压力目标值04080120160200240280km/h36004080120160200NSpeedFmF= 0,00097 * + 70 (1)Vm2(1) in km/hV弓网间的动态耦合弓网接触力大量测试数据的统计、积累和分析表明：受流质量良好的弓网系统，其接触力的统计规律均符合正态分布曲线ppPSPS3 3ppPSPS22ppPSPS68.30%95.50%99.70%S标准压力偏差五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦

35、合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12弓网间的动态耦合弓网动态特性综述 max3pPPSmin3pPPSS标准压力偏差五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12211 (/)PEIZTV C应力应力 速度特性速度特性AgCu120（波动速度为540km/h）的速度应力特性曲线 接触线内的应力过大对接触线的寿命不利。关于接触线接触线内的应力过大对接触线的寿命不利。关于接触线寿命问题，影响因素较多，但主要有两点：磨耗与疲劳应寿命问题，影响因素较多，但主要

36、有两点：磨耗与疲劳应力，对于高速运行条件下的接触线，其寿命的决定性因素力，对于高速运行条件下的接触线，其寿命的决定性因素还在探导之中。还在探导之中。弓网间的动态耦合弓网动态特性综述 五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12弓网间的动态耦合弓网动态特性综述 抬升特性 在200km/h及其以下速度运行时，静态抬升量明显高于实测的动态抬升量；当运行速度超过230km/h 时，动态抬升量明显超过了计算值，显示出动态特性增强的特点，动态抬升部分随着运行速度的增加很明显地大于静态值，这就是弓网动态抬

37、升特性的具体体现。速运行时的动态抬升量 五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12弓网间的动态耦合弓网动态特性综述 多普勒因数、增强因数与运行速度的关系 动态特性的机理分析 振动波在接触线上的传播特性对受电弓的受流性能起着主导作用，以波的形式振动着的接触线与移动着的受电弓相互作用，形成非常复杂的运行状态。该状态可用各种动态因数来表征。多普勒效应的强弱用多普勒因数来表示，越小或越接近于零，多普勒效应就越强；反射因数r反映了承力索与接触线通过吊弦的耦合情况，反射因数r越小，承力索与接触线振动波

38、的传播匹配性就越好；通常情况下，增强系数值越大，说明含反射波的多普勒效应就越强，受电弓与接触悬挂相互作用的动态性能就越差。由于反射因数r不易控制，降低无量纲系数值就成为提高弓网相互作用稳定性和可靠性的主要途径。由图可见，运行速度越接近波动速度，多普勒因数就越小，而增强因数就越大。增强因数是一个重要的动态特征参数，它充分显示了对接触悬挂的重要影响，正是由于这种影响，使接触悬挂在悬挂点处的动态抬升量与运行速度呈现非线性关系。五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12弓网间的动态耦合频谱特性接触

39、网是一个有大量的自由振荡和无数个固有频率的机械系统。对称振荡：相对于参考点对称的两个点是同相位振荡；非对称振荡：相对于参考点对称的两个点是同相位振荡；12pCfll2pCfl1l离支持点最近的两吊弦之间的距离 212(2 )lll结构系数 五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12机械耦合机械耦合(2) 波动波动速度一定的条件下，不同列车运行速度的接触线振动波形3.6jjTCm不同 值下的接触线抬升 五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTU

40、DONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12机械耦合机械耦合(3) 振动弓网振动方程弓网振动方程（a）受电弓的抬升力为一常数；（b）接触网跨距一致；（c）只考虑垂直面内的一维振动、不考虑风对弓网系统的横向吹动；（d）将弓网系统的质量归算为弓网接触点的恒定质量M；（e）悬挂弹性为水平位移x的函数，表示为K(x)。弓网简化振动模型202( )d yMK x yPdt012( )cosnnnK xKKxlmaxmin02KKK2200212(cos)nnd ynMVKKx yPdxl0000cossinKKPxxyABMVMVK五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及

41、弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12机械耦合机械耦合(3) 振动 弓网振动方程弓网振动方程（a）受电弓的抬升力为一常数；（b）接触网跨距一致；（c）只考虑垂直面内的一维振动、不考虑风对弓网系统的横向吹动；（d）将弓网系统的质量归算为弓网接触点的恒定质量M；（e）悬挂弹性为水平位移x的函数，表示为K(x)。弓网简化振动模型0000cossinKKPxxyABMVMVK当接触悬挂弹性一致时，弓网振动是一振幅有限的简谐振动，无论机车运行速度如何变化，受电弓滑板都可与接触线以同样的振幅协调运行而不会产生离线。实际上，悬挂弹性不可能完全一致，因此，实

42、际弓网受流系统的振动不可能是一个的简谐振动，这仅是一种理想状态。 五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12机械耦合机械耦合(3) 振动 弓网振动方程弓网振动方程实际上，悬挂弹性并不均匀，可近似表示为弓网振动模型02( )(1cos)K xKxlmaxminmaxmin1KKKK弹性不均匀系数220022(1cos)d yMVKx yPdxl令0KVlMxlz2022K laMV20222K lqMV0)2(22yqadzyd周期变参数振动问题的典型方程 五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网

43、系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12机械耦合机械耦合(3) 振动 弓网受流稳定区示意图弓网受流稳定性区 2022K laMV1a20222K lqMVaq2速度特征系数弹性不均匀系数五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12材料耦合材料耦合 从受流角度看, 用纯铜或铜基合金构成接触导线和受电弓滑板系统为最佳方案,但相同材料进行匹配会引起严重的粘着磨损，并非最佳方案。接触网的特性决定了接触导线应是以纯铜或者铜合金材

44、料为主的长大件, 无更多的选择，因此、为增加弓网系统的使用时限，减少接触线和受电弓滑板间的磨耗,寻求滑板与接触线间的最佳匹配关系的重任就只能由尺寸较小, 试验容易,试制容易的受电弓滑板来承担了 磨耗的种类和特征五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12材料耦合材料耦合磨损工程系统示意图机械作用下的磨损；强电流作用下的磨损；机械和强电流综合作用下的磨损；滑板与接触线的材质及其匹配；列车运行速度与电流接触压力悬挂类型与接触线的平滑性线路(主要是钢轨)的平顺性环境条件五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12材料耦合材料耦合影响接触线与滑板磨耗的各种因素五 高速弓网的耦合关系受电弓及弓网系统的耦合和设计受电弓及弓网系统的耦合和设计 SWJTUDONG 2011.12SWJTUDONG 2011.12材料耦合材料耦合滑板磨耗的速度特性