電氣化鐵路弓網(wǎng)關(guān)系研究及仿真

王明濤+方俊+王崢

摘 要：列車受電弓從接觸網(wǎng)受流是在動態(tài)運(yùn)行完成的，不同的接觸網(wǎng)-受電弓組合會產(chǎn)生不同的作用性能，良好的弓網(wǎng)關(guān)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(wǎng)受流的性能評價(jià)進(jìn)行分析，建立起仿真分析模型，最后根據(jù)仿真分析結(jié)果對弓網(wǎng)作用關(guān)系進(jìn)行評價(jià)。

關(guān)鍵詞：接觸網(wǎng)；受電弓；受流

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

引言

在受電弓與接觸網(wǎng)組成的供電耦合系統(tǒng)中，受電弓對接觸網(wǎng)進(jìn)行激勵(lì)，振動波沿接觸網(wǎng)傳播，過程中會產(chǎn)生反射，并且列車高速運(yùn)行過程中受電弓會使弓網(wǎng)振動幅度增大，使接觸網(wǎng)的抬升進(jìn)一步增加。受電弓與接觸網(wǎng)的這種動態(tài)相互作用與列車的運(yùn)行速度密切相關(guān)。隨著列車運(yùn)行速度的提高，空氣動力也會參與其中。

因此，在電氣列車運(yùn)行過程中，弓網(wǎng)接觸壓力以及接觸網(wǎng)的抬升是不斷變化的。弓網(wǎng)接觸力和接觸網(wǎng)抬升是受電弓和接觸網(wǎng)兩個(gè)振動子系統(tǒng)相互耦合的結(jié)果，可以用來評估受電弓和接觸網(wǎng)的接觸質(zhì)量。

對于電氣化鐵路，有必要通過弓網(wǎng)仿真有針對性的對受電弓與接觸網(wǎng)的匹配性進(jìn)行研究，在保證弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的前提下，提高弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸質(zhì)量和延長弓網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行壽命，降低弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)營成本，為高速受電弓與剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 主要研究內(nèi)容

本課題從受電弓和接觸網(wǎng)相互作用入手，研究受電弓與接觸網(wǎng)的工作動態(tài)，通過受電弓與接觸網(wǎng)動態(tài)作用仿真分析，給出受電弓與接觸網(wǎng)動態(tài)移動時(shí)，接觸壓力與時(shí)間相關(guān)的特性，以及和接觸網(wǎng)抬升的相互關(guān)系，對相應(yīng)的接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)。

2 研究思路與技術(shù)路線

根據(jù)具體的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)和受電弓技術(shù)參數(shù)，利用有限元的方法建立整個(gè)錨段接觸網(wǎng)的FEM模型；建立受電弓的模型；同時(shí)依據(jù)EN3018或現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)確認(rèn)仿真模型的有效性；最后根據(jù)仿真分析的結(jié)果對現(xiàn)有弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行評價(jià)，若存在問題，則結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用情況給出成因分析及合理化建議。

3 受電弓結(jié)構(gòu)及特性

受電弓是安裝在車輛上，實(shí)現(xiàn)列車從接觸網(wǎng)取得電流的專用設(shè)備，一般由底架、框架、弓頭和傳動系統(tǒng)等組成。受電弓的結(jié)構(gòu)與技術(shù)特性對弓網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行品質(zhì)有著舉足輕重的作用，如果受電弓與接觸網(wǎng)不匹配，就不會產(chǎn)生所期望的結(jié)果。

受電弓的特性包括電氣性能、靜態(tài)接觸力、空氣動力、動態(tài)接觸力、抬升力及動態(tài)特性等方面。受電弓與接觸網(wǎng)組成的系統(tǒng)簡稱弓網(wǎng)系統(tǒng)，弓網(wǎng)系統(tǒng)要求：動態(tài)接觸力和接觸網(wǎng)抬升應(yīng)在允許范圍內(nèi)；通過弓網(wǎng)接觸點(diǎn)的電流應(yīng)能滿足車輛各種情況下的運(yùn)行需要；符合可靠性和使用壽命方面的規(guī)定。弓網(wǎng)系統(tǒng)要求的這些功能可細(xì)分為機(jī)械、材料、電氣、幾何、運(yùn)行和維護(hù)等幾個(gè)方面，各個(gè)方面既相互區(qū)別又相互聯(lián)系。

4 弓網(wǎng)相互作用的性能與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

幾何參數(shù)：依照互聯(lián)互通規(guī)則運(yùn)行的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型，車輛受電弓應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的幾何特征?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)的管理者應(yīng)確保架空接觸網(wǎng)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(wǎng)和滑板的磨耗，以及接觸點(diǎn)的允許最大電流，在很大程度上依賴于接觸網(wǎng)和滑板的材料。接觸網(wǎng)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(wǎng)中的電流取決于列車運(yùn)行速度、列車重量、列車間距、線路坡度和接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。受電弓和接觸網(wǎng)的性能應(yīng)滿足于不出現(xiàn)過熱。列車的電流需求應(yīng)服從于接觸網(wǎng)的工作極限。靜態(tài)接觸力應(yīng)滿足于靜止?fàn)顟B(tài)下的可靠取流。靜止?fàn)顟B(tài)下，AC25kV系統(tǒng)的靜態(tài)接觸力通常為60～90N。

動態(tài)相互作用性能：弓網(wǎng)動態(tài)相互作用性能影響到列車的運(yùn)行性能、列車的安全性及接觸網(wǎng)和滑板的磨耗。弓網(wǎng)動態(tài)性能取決于接觸網(wǎng)與受電弓的匹配性以及運(yùn)行環(huán)境。基本運(yùn)行環(huán)境是指列車運(yùn)行速度、受電弓的數(shù)量及位置。

5 受電弓與接觸網(wǎng)動態(tài)作用仿真

受電弓與接觸網(wǎng)動態(tài)作用仿真是要確定受電弓作用在接觸網(wǎng)上的移動接觸力與時(shí)間相關(guān)的特性，以及和接觸網(wǎng)抬升的相互關(guān)系。受電弓與接觸網(wǎng)在弓網(wǎng)接觸點(diǎn)形成了兩個(gè)子系統(tǒng)的耦合，這就需要分別建立合適的受電弓和接觸網(wǎng)的模型，合理模擬接觸點(diǎn)的特性和相互作用，并計(jì)算出接觸點(diǎn)的垂直運(yùn)動和接觸力。弓網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)特性與頻率相關(guān)，應(yīng)針對弓網(wǎng)動態(tài)相互作用仿真所研究的對象確定關(guān)注的頻率范圍，這一頻率范圍應(yīng)該與受電弓模型、架空接觸網(wǎng)模型、仿真模型以及弓網(wǎng)動態(tài)相互作用性能參數(shù)測量系統(tǒng)的頻率范圍保持一致。

為了使弓網(wǎng)動態(tài)相互作用的仿真結(jié)果令人信服，需要對仿真方法進(jìn)行確認(rèn)。將仿真結(jié)果與在線實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較，或與其他已被確認(rèn)的仿真方法進(jìn)行比較是常用的兩種仿真確認(rèn)手段。

建立25kV供電的受電弓及接觸網(wǎng)仿真模型，升起后部受電弓以200km/h運(yùn)行，仿真數(shù)據(jù)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(shí)，受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)性能符合EN50367：2006標(biāo)準(zhǔn)要求，弓網(wǎng)機(jī)械接觸良好，弓網(wǎng)無離線。

6 結(jié)束語

本文探討了受電弓的結(jié)構(gòu)及工作原理，提出了受電弓與接觸網(wǎng)相互作用的性能及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過仿真手段對具體的弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)行分析可以得出以下結(jié)論：（1）提出了受電弓與接觸網(wǎng)相互作用的性能及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，受電弓與接觸網(wǎng)選型要相互匹配；（2）分析的受電弓與接觸網(wǎng)模型的動態(tài)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，弓網(wǎng)無離線。

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