电气化高速铁路接触网与受电弓动态性能研究

电气化高速铁路接触网与受电弓动态性能研究

姚莎

姚莎

中铁十二局集团电气化工程有限公司天津300308

摘要：当前，我国进入了高铁发展的黄金时代，其在人们生活中的作用越来越大，相对的人们对高铁的要求也逐渐提升，其中电气化高速铁路接触网与受电弓动态性能的稳定和安全显得越发重要起来。本文将从目前我国高铁接触网设计的实际需求出发，在柔性接触网的精确建模、受电弓与接触网系统的动力学仿真分析等重要技术中对接触网计算模型、高铁受电弓/接触网耦合动力学仿真计算模型进行研究，并以此对多种工况下的接触网动态特性进行仿真研究，以供参考。

关键词：电气化；仿真模型分析；高速铁路；接触网与受电弓；动态性能研究

引言

高速铁路是正在飞速发展的一种现代化运输方式，具有显著的优势：运营速度快，可达200~350km/h，速度仅次于航空；运客能力较强，列车开行密度高，在运客方面发挥着极大的作用；与航空和公路运输相比而言对天气的要求较低，运行时受雨、雪、雾等自然气象因素的影响较小，可全天候运营；使用电力驱动，符合节能减排的环保理念；在列车运营方面，能够实现公式化运营，开行密度班次大，旅客承载便捷，因而具备更广阔的发展和使用潜力。

一、进行电气化高速铁路接触网与受电弓动态性能研究的意义

高速铁路电气化列车是依靠受电弓与接触网的直接接触来获得驱动电能的，而且在不同的区域接触网结构存在较大的差异，不同的受电弓为满足不同线路的开行需求，其花瓣、框架、阻尼器等结构也会存在较大差异。接触线和受电弓之间的相互作用也决定了机车供电的可靠性与供电质量，而电能传输便是限制机车最高速度的一个重要因素。进行电气化高速铁路接触网与受电弓动态性能研究的意义就在于通过研究两者的相互作用机理，为高速铁路的接触网和受电弓设计工作提供相应的参考。不断提升高速铁路的运行速度，清除阻碍，不断总结、提升高速铁路的研究水平，努力提升我国高速铁路的质量水平和发展速度，由此，对电气化高速铁路接触网与受电弓动态性能进行充分的研究无论对我国的交通行业、经济发展还是改善民生工作来说，都有着重要的现实意义，是理应被提上台面来探讨的重要问题。

二、接触网与受电弓之间的相互作用分析

受电弓与接触网系统之间相互作用的好坏直接关系着受流质量和设备的使用寿命以及机车的运作状态。受电弓在运动状态通过相对静止的接触网时，接触网受到外力的干扰，进而在两者之间产生动态的作用力，弓网系统因此产生特定的振动形式。在此振动十分剧烈的情况下，会使受电弓花瓣与接触导线脱离，形成离线，避免产生电弧和火花，加快电器的绝缘损伤速度和程度，对通信造成电磁干扰，甚至会直接影响受流，引发供电瞬时中断问题，进而使列车丧失牵引力和制动力，无法正常运行。而且若弓网之间接触力过大时，会严重降低离线率，但接接触导线与受电弓滑板之间的摩擦增大，缩短其使用寿命。因而在机车运行过程中，必须将接触线与受电弓之间的解除压力控制在合理范围之内，这样才能保证列车的运行速度、稳定性能和使用寿命，提升其运行水平。

三、接触网与受电弓非线性模型的建立

在进行受电弓-接触网系统的方针过程中，也有其自身的标准，受电弓模型与仿真模型和测量系统应当保持一致。能够获得弓网系统的大部分信息，并减少限流测试的成本。受电弓模型一般要满足能够描述其目标频率范围内的动力学特性，设计参数有质量分布、关节自由度、阻尼特性、弹性和摩擦力、刚度、限位、静态力等，若有需要还需引入其他参数（如频率、非线性因素等）综合进行考虑和设计。对于接触网模型来说，则需要依赖所研究的现象选择二维还是三维几何学模拟架空接触网，若有必要，该模型可以包含所有设备以及其他分立部件。仿真过程中需要用到接触网的几种机械参数：接触网的模型长度、结构的高度、吊弦的位置、线索单位长度质量（密度）和横截面、线索的机械张力、质量分布以及吊弦的质量等。

3.1接触网系统模型的建立分析

接触网系统模型的建立方便与人们寻找接触网系统的初始平衡状态，有助于人们获取其较为精确的结构尺寸，而且接触网系统的精确静态模型能够作为接触网的刚度计算和各种气象条件下接触网的变化和弓网动态仿真等其他研究的分析基础。本文选用接触网系统的有限元模型进行分析。在该模型中，选用锚段作为独立单元，研究对象为以完整的锚段为计算模型，其次将接触网系统简化成简单的平面模型，另外重量荷载则通过重力场和单元质量实现模拟，并以梁的横截面积（A）、单元长度（L）、原材料的杨氏弹性模量（E）、界面惯性矩（I）作为元素表示单元刚度矩阵如图一所示，其中φ按照图二所示公式进行计算（G为梁的剪切模量，Fs代表剪切变形常数）。使用该模型可以精确模拟多种线路条件下的接触网静力平衡状态，如简单链型悬挂接触网的静平衡计算，能够获得精确的吊弦长度，可以指导高铁的整体吊弦操作。

四、受电弓/接触网系统动态仿真方法的建立

在目前的方针方法中，一种较为经济和有效的研究弓网相互作用的动态性能的方法当属数值计算仿真方法。而动态仿真的根本目的就在于明确弓头滑板与接触线之间的接触压力与实践的相关特性以及与接触线抬升之间的关系。按照上文所述，建立接触网系统的预应力和受电弓的非线性有限元模型，并在受电弓弓头和接触线单元之间设置接触单元，因而用Fc表示接触压力、Kc表示接触刚度，g表示接触对在接触面的法向间隙，可以将接触压力表示为：g小于等于0时，Fc=Kcg；g大于0时，Fc=0。该模型的动力学问题实质是典型的结构力学问题，弓头滑板在受电弓静态抬升力和空气动力的双重作用下与接触网的接触线直接接触，而在受电弓以电气化机车的车速运动时，两者之间的接触压力便是时间的函数。

不同工况下受电弓/接触网系统的仿真：在不同的条件下，仿真的方式有所不同，在350km/h车速下不同工况的仿真过程中，涉及的不同工况的仿真有：（1）不同张力体系的仿真；（2）不同跨距的仿真；（3）不同弹性吊索长度的仿真；（4）不同结构高度的仿真；（5）不同受电弓间距的仿真；（6）锚段关节的仿真等几种。而大于350km/h车速下的仿真为大张力超高速接触网系统。

五、结语

目前，中国的高速铁路正处于大规模发展阶段，新的铁路线接踵而至，里程也不短延伸，但对高速铁路的各种弓网测试或理论数据对高速铁路的知道作用还停留在理论层面，缺乏可靠的数据，而先进理论研究和计算机模拟技术得到了空前的发展，因而仿真方法成为了研究弓网受流特性的重要手段也不足为奇，而我们所要做的就是发挥一切才智、使用一切手段明确弓网系统的作用机制，为超高速铁路的发展提供接触网/受电弓系统的改进理念和方法。

参考文献：

[1]吴燕，吴俊勇，郑积浩，等.高速受电弓-接触网动态受流性能及双弓距离的研究[J].铁道学报，2010-08-15.

[2]赵云云.高速铁路弓网系统电磁力的计算与仿真分析[D].西南交通大学，2014-05-10.

[3]吴燕，吴俊勇，郑积浩.高速受电弓-接触网系统动态受流性能的仿真分析[J].北京交通大学学报，2009-10-15.