高速列车受电弓的优化设计
摘要：针对高速列车空气阻力增大影响速度提升的问题，受电弓对高速列车空
气阻力影响较大，通过对高速列车受电弓进行研究，优化受电弓设计，提升弓网
系统的受流质量，进而降低列车空气阻力。本文简单介绍了受电弓模型的建立与
分析、优化设计。
关键词：空气阻力；受电弓；优化设计
1 引言
近年来我国高速列车发展越来越快，方便了人们的出行。对于高速列车而言，其通过受电弓获取电能，这样才能够使其电机得以运行[1]。当然对高速列车进行
提速需要对其进行相应的改造，这样能够使其速度达到要求[2]，但高速列车的速
度越大其所受的阻力越大，针对该问题，通过对受电弓进行优化设计，能够有效
提升弓网系统的受流质量，进而降低列车空气阻力，其对我国高速列车的发展具
有积极的意义。
2 受电弓模型建立与分析
供电属于非常重要的环节，其能够使高速列车保持良好的运行状态，而受电
弓一旦离线则会给列车的运行带来无法预测的影响。对受电弓的运动特性、动力
学特性进行研究具有重要的意义，其能够将受电弓高速运行状态下的受流问题得
以解决，从而使列车更加可靠地获取电力能源[3]。我国很多的专家、学者对我国
高速铁路发展进行了深入的研究、分析，其建立了合理的受电弓系统动力学模型，对其动力学性能进行了研究分析，提出了提高动态流质量的方法与措施。只有使
受电弓网之间保持可靠接触才能够使列车的运行速度得到保证。为了保证高速列
车的速度，高性能的受电弓、线路等能够有效提升高速列车的速度，而且使其稳
定性、可靠性得以提升。
图1 单臂受电弓结构图
图2 受电弓垂向结构简图
受电弓属于从接触网上进行电流获取的装置，其能够通过动态接触的方式进
行电流的获取。当前我国所使用的受电弓为单臂受电弓，其结构主要依赖于电力
机车的运行速度、负荷情况、接触网状况等。单臂受电弓由弓头、框架、底架以
及传动机构四部分组成。当前受电弓模型采用归算质量模型，其是指通过利用动
能等效的原理将原结构简化成多个有集总质量模型，然后通过这些集总质量数目
可以将其分为一元、二元以及多元弓模型。其中一元受电弓模型只能够进行弓网
系统低频振动特性的反映。而二元以及多元受电弓模型可以将高速弓网系统动力
学进行分析。二元归算质量模型属于一种完整的受电弓模型，其质量、弹簧以及
阻尼直接由弓头参数转化，下面质量、弹簧以及阻尼则是由框架部分的质量、各
个构件的转动惯量、重力以及阻尼等参数转换而来。下图图1为单臂受电弓结构图，其框架由摆杆、上臂杆、支撑杆以及平衡杆等组成，各个杆件通过铰连接在
一起。底架支持框架，通过绝缘子固定于车顶。框架通过升弓装置支持弓头。传
动机构作用于下臂杆，这样可以使升弓动作完成。启动装置安装于底座，通过钢
丝绳作用于下臂杆下部的扇形板，从而实现升弓过程。
受电弓框架只有一个自由度，其在运动过程中，框架会相互制约。设下臂杆
的转角为α，其余各参数如图2。这样通过运算可以得出其弓头运动的微分方程，
摘要 自从19世纪铁路运输诞生以来，就一直朝着更高速的方向发展。高速铁路具 有载客量高、输送力强、速度较快、安全性好、正点率高、舒适方便以及能耗较低等明显的经济效益和社会效益，在全世界范围内显示出旺盛的生命力。高速铁路是当今世界铁路发展的共同趋势。 各国高速铁路在运营中发生了一些由于列车设备故障引起的事故，由于高速铁路的运营速度高、密度大，行车事故的发生严重影响了高速铁路系统的安全、正点，一些重大的事故甚至对乘客的生命和财产安全造成了不可弥补的损失。因此，防范行车事故、行车设备故障的发生是高速铁路运营部门的不懈追求。 受电弓作为动车组关键设备，受电弓的好坏直接决定动车组列车能否正常行驶。本文以CRH3型动车组受电弓为研究对象，结合受电弓结构特点和CRH3型动车组运行实际情况进行分析，分析了受电弓的检修方法，在此基础上提出了相应的改进措施和建议，以确保动车组正常运用安全。 关键词：CRH3动车组；受电弓；检修；改进方案 I
目录 摘要 ..................................................................................................................................... I 第1章绪论 (2) 1.1选题背景 (2) 1.2主要内容 (3) 第2章CRH3动车组受电弓 (4) 2.1CRH3动车组介绍 (4) 2.2CRH3动车组SS400+受电弓 (5) 第3章CRH3动车组受电弓故障及检修 (8) 3.1受电弓故障 (8) 3.1.1受电弓自身故障 ......................................................... 错误！未定义书签。 3.1.2外部环境故障 (8) 3.1.3共同作用故障 (8) 3.2受电弓故障发生原因 (9) 3.3受电弓故障对策 (10) 3.3.1库内检修故障对策 (10) 3.3.2路线运转故障对策 (11) 3.4受电弓检修指导 (11) 3.4.1受电弓性能检查 (11) 3.4.2受电弓外观检查 (13) 3.4.3受电弓表面清洁 (14) 第4章CRH3动车组受电弓改进方案 (16) 4.1快速降弓阀的改进方案 (16) 4.2ADD供风阀的改进方案 (17) 4.3受电弓升弓故障改进方案 (18) 4.4受电弓磨损问题的改进方案 (19) 参考文献 (21) 1
高铁用材料的现状与发展趋势 郑州大学材料科学与工程学院 橡塑模具国家工程研究中心 陈静波 2010-12-1
高速铁路是指 通过改造原有线路（直线化、 轨距标准化），使营运速率 达到每小时200公里以上， 或者专门修建新的“高速新 线”，使营运速率达到每小 时250公里以上 的铁路系统。
世界高铁发展状况 ?世界第一条高速铁路——日本新干线于1964年成功运营，最高时速300公里。 ?目前已有11个国家和地区共14，000余公里高速铁路投入运营。 中国40% 日本17%法国12% 德国9% 其他22% 世界高铁运营里程分布图
日本新干线 法国TGV 德国ICE 京津城际高铁
我国高速铁路现状2010.08.18 来源：人民网 目前，中国大陆投入运营的高速铁路已达到6920公里我国高速铁路运营里程居世界第一位，其中： ?新建时速250～350公里的高速铁路有4044营业公里 ?既有线提速达到时速200～250公里的高速铁路有2876营业公里 ?正在建设中的高速铁路有1万多公里 ?全国铁路每天开行高速列车1000列左右，平均上座率达到101.7%。高速铁路为广大旅客创造了美好生活
中国大陆目前已开通的高铁线路 2008年8月1日，京津城际高铁通车 2009年4月1日，石太客运专线通车 2009年9月28日温福、甬台温铁路通车 2009年12月26日，武广高铁建成通车 2010年1月28日，郑西高铁相继建成通车 2010年4月26日，福厦高铁通车 2010 年5月1日，成灌高铁通车 2010年7月1日，沪宁高铁通车 2010年9月20日，昌九城际高铁通车 2010年10月26日，沪杭高铁通车
高速列车受电弓的优化设计 摘要：针对高速列车空气阻力增大影响速度提升的问题，受电弓对高速列车空 气阻力影响较大，通过对高速列车受电弓进行研究，优化受电弓设计，提升弓网 系统的受流质量，进而降低列车空气阻力。本文简单介绍了受电弓模型的建立与 分析、优化设计。 关键词：空气阻力；受电弓；优化设计 1 引言 近年来我国高速列车发展越来越快，方便了人们的出行。对于高速列车而言，其通过受电弓获取电能，这样才能够使其电机得以运行[1]。当然对高速列车进行 提速需要对其进行相应的改造，这样能够使其速度达到要求[2]，但高速列车的速 度越大其所受的阻力越大，针对该问题，通过对受电弓进行优化设计，能够有效 提升弓网系统的受流质量，进而降低列车空气阻力，其对我国高速列车的发展具 有积极的意义。 2 受电弓模型建立与分析 供电属于非常重要的环节，其能够使高速列车保持良好的运行状态，而受电 弓一旦离线则会给列车的运行带来无法预测的影响。对受电弓的运动特性、动力 学特性进行研究具有重要的意义，其能够将受电弓高速运行状态下的受流问题得 以解决，从而使列车更加可靠地获取电力能源[3]。我国很多的专家、学者对我国 高速铁路发展进行了深入的研究、分析，其建立了合理的受电弓系统动力学模型，对其动力学性能进行了研究分析，提出了提高动态流质量的方法与措施。只有使 受电弓网之间保持可靠接触才能够使列车的运行速度得到保证。为了保证高速列 车的速度，高性能的受电弓、线路等能够有效提升高速列车的速度，而且使其稳 定性、可靠性得以提升。 图1 单臂受电弓结构图 图2 受电弓垂向结构简图 受电弓属于从接触网上进行电流获取的装置，其能够通过动态接触的方式进 行电流的获取。当前我国所使用的受电弓为单臂受电弓，其结构主要依赖于电力 机车的运行速度、负荷情况、接触网状况等。单臂受电弓由弓头、框架、底架以 及传动机构四部分组成。当前受电弓模型采用归算质量模型，其是指通过利用动 能等效的原理将原结构简化成多个有集总质量模型，然后通过这些集总质量数目 可以将其分为一元、二元以及多元弓模型。其中一元受电弓模型只能够进行弓网 系统低频振动特性的反映。而二元以及多元受电弓模型可以将高速弓网系统动力 学进行分析。二元归算质量模型属于一种完整的受电弓模型，其质量、弹簧以及 阻尼直接由弓头参数转化，下面质量、弹簧以及阻尼则是由框架部分的质量、各 个构件的转动惯量、重力以及阻尼等参数转换而来。下图图1为单臂受电弓结构图，其框架由摆杆、上臂杆、支撑杆以及平衡杆等组成，各个杆件通过铰连接在 一起。底架支持框架，通过绝缘子固定于车顶。框架通过升弓装置支持弓头。传 动机构作用于下臂杆，这样可以使升弓动作完成。启动装置安装于底座，通过钢 丝绳作用于下臂杆下部的扇形板，从而实现升弓过程。 受电弓框架只有一个自由度，其在运动过程中，框架会相互制约。设下臂杆 的转角为α，其余各参数如图2。这样通过运算可以得出其弓头运动的微分方程，
第三节高速铁路的受流技术 接触网一受电弓受流系统的受流过程是受电弓在接触网下,以机车速度运动中完成的,受流过程是一个动态过程,这一动态过程包括了多种机械运动形式和电气状态变化：受电弓相对于接触导线的滑动摩擦;受电弓上下振动;受电弓由于机车横向摆动而形成的横向振动;接触网上下振动,井形成行波沿导线向前传播;受电弓和接触导线之间发生的水平和垂直方向撞击;弓网离线发生电弧,受电弓受流中,电流发生剧烈变化等等,所以,弓网受流过程是一个复杂的机械电气过程.随着列车速度的提高,上述各种运动加剧,维持弓网之间的良好接触性能愈加困难,受流质量也随之下降,当列车速度超过受流系统的允许范围外,受流质量将严重恶化,影响列车取流和正常运行.在高速条件下,受流系统的性能与常规电气化铁路的受流质量是不同的,系统所需解决的问题也不尽相同,高速受流技术是高速铁路的关键技术之一. 一、高速铁路中接触网一受电弓受流系统的新特点 1、弓网受流系统必须符合的基本条件 电气化铁路发展100多年来,接触网一受电弓系统在外观的硬件上没有太大的变化,但是,随着列车速度的提高和新技术的采用,受流系统的电流容量、适用速度、安全性能有了相当大的提高,高速铁路的受流系统必须符合的基本条件如下： (1)．保证功率传输的可靠性 在高速列车运行的全部接触网区段,必须保证电力机车所需要的最低电压;在高速铁路所有可能的运营条件下,接触网一受电弓系统的电流负荷能力必须保证高速列车的可靠运行.高速列车的电流负荷特性较之常规电力机车有较大的区别,其特征是脉冲负荷占的比例大 ,电流大 ,持续时间短,由于列车速度快,起动和加速获得电流很大 ,在弓网高速相对运动中,整个牵引供电系统均要适应高速列车对电压水平和电流负荷的要求. (2)．受流系统的运行安全性 受流系统的安全运行是高速铁路正常运营的保证.高速受流系统的安全性主要从下面几个方面建立： ①接触网的几何参数(拉出值、导线高度、定位器坡度 )保证受电弓滑板沿接触网安全地滑动; ②接触网的性能参数(硬点、弹性、分相绝缘器、分段绝缘器和线岔结构的平滑性)不损坏受电弓的滑板乃至弓头; ③受电弓的自身性能(受电弓滑板的抗冲击性、耐磨性、横向刚度 ); ④接触网一受电弓的匹配性能(离线、接触导线抬升量、接触导线的弯曲应力).受流系统的安全性能涉及的方面很多,它是接触网设计、施工、运营维护首先要考虑的因素. (3)．良好的受流质量 受流系统的理想运行状态是弓网可靠接触,机车不间断地从接触网上获得电能.运行状态的性能参数为：无离线、无火花.实际线路中,离线率要尽量小 ,系统具有动态稳定性. (4)．保证受流系统的使用寿命 受流系统中,涉及使用寿命的两个主要因素是,接触导线的使用寿命和受电弓滑板的使用寿命.其寿命取决于它们之间的磨耗,磨耗量在一定速度和传递功率条件下,主要取决于弓网接触力的大小 ,保持接触力均匀,即控制接触力的标准偏差以减少接触导线的局部磨耗.接触导线和受电弓滑板在材质上应具有一定的耐磨性能,另外,接触导线应具有抗电化学腐蚀性能. 5．减少对周围环境的影响 受流过程中,产生的电弧会产生电磁干扰和噪音,应采取措施减少对周围环境的影响.
高速受电弓与接触网受流安 全的可靠性分析 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
高速受电弓与接触网受流安全的可靠性分析 2009-6-24 北京交通大学电气学院供稿 目前，高速铁路蓬勃快速发展，并以其稳定性、高速度以及舒适性被各界关注。同时也出现了与高速铁路密切相关的一系列问题，如高速弓网受流稳定性，安全性问题等。为了保证高速动车组的稳定运行，高速接触网需要通过与受电弓之间的接触来提供可靠的电力供应。随着速度的提高，高速接触网的动态变化显著增大，受电弓与接触网之间会出现离线现象，受电弓会因为磨损等产生划痕甚至损坏。因此，需要对高速受流的动态特性以及进行这种动态变化的范围进行研究，以保证受流的安全性。 接触线与受电弓的相互作用决定供电可靠性和供电质量。其相互作用依赖于受电弓和接触网的设计方案及大量的参数。当列车由普通速度提高到高速运行时，受电弓与接触网的相互作用显得极为重要，因为电能传输是限制实现最高速度的一个因素。评价和预测接触特性需要通过线路试验进行计算并确定其客观标准。通过模拟方法和新的测量方法，对接触特性的理论研究，已经有所进展和发现。因为受到对实物进行试验和试运行范围局限，所以模拟方法的采用特别有助于开发新系统并提高性能要求。 受电弓—接触网系统要求通过连续的，即不中断的电气和机械接触给牵引车辆供电，同时要使接触线和滑板的磨耗保持尽可能低的程度。电能传输系统，特别是接触网投资高，期望其能达到使用寿命长，维修少的目标要求。检测既有接触网接触特性，可作为评价和检测接触网设备的一个方法，同时也是一种检测局部缺陷的途径，以便消除缺陷。 鉴于对相关文献的参考，本文在可靠性工程理论基础上，对高速下受电弓与接触网的监测及弓网受流的可靠性分析方法进行研究，基于FTA建立了接触网与受电弓的可靠性模型，提出了一套评价高速弓网关系的可靠性指标体系。 弓网受流系统的可靠性模型 接触网的可靠性模型
世界电气化铁路发展概况及我国电气化铁路跨越式发展 目录 一、世界各国电气化铁路发展概况 二、高速电气化铁路牵引供电技术要点概述 （一）受流技术 （二）供变电系统 （三）安全监控与检测技术 （四）与相关专业的配合技术 （五）运行管理 三、我国电气化铁路实现跨越式发展之我见 （一）关于运行管理理念 （二）关于接触网检修管理方式 （三）关于提高接触网设备可靠性的基本要求 （四）关于实现信息化管理 （五）关于劳动组织 （六）几个可能会遇到的新问题 四、结束语--展望世界电气化铁路的发展 世界电气化铁路发展概况及我国电气化铁路跨越式发展 当前铁路跨越式发展是个热门话题，各级领导干部都在运筹帷幄、出谋划策，广大技术人员和管理干部也在议论纷纷、献计献策。今天我想就我国电气化铁路如何实现跨越式发展谈谈自己的一些想法，仅供参考。 一、世界各国电气化铁路发展概况 十九世纪二十年代，1825年世界上第一条铁路在英国建成。而后，1879年5月31日在德国柏林举办的世界贸易博览会上，由西门子和哈尔斯克公司展出了世界上第一条电气化铁路，迄今已有120多年的历史。目前，世界上共有68个国家和地区修建了电气化铁路，总里程已达258566km，约占世界铁路总营业里程（约120万km）的22.5%，承担世界铁路总运量的50%以上。也就是说仅占世界铁路总营业里程不到四分之一的电气化铁路承担着世界铁路总运量的一半以上的运输任务。 最初，电气化铁路都修建在城市近郊线路和一些工矿线路上。后来，随着工业的发展，才逐渐发展到城市之间和运输繁忙的干线铁路上来。 20 世纪60～70年代是世界电气化铁路发展最快的时期，平均每年修建达5000多公里。在此期间，工业发达的西欧、日本、前苏联，以及东欧等国家，运输繁忙的主要铁路干线实现了电气化，而且基本上已经成网。1964年10月日本建成世界上第一条高速电气化铁路--东海道新干线，以210km的时速令世人瞩目。1961年8月15日我国第一条电气化铁路在新建的宝成线宝鸡～凤州段正式通车。之后，由于种种原因，电气化铁路建设处于停顿状态，直到60年代末，宝成线凤州～成都段才重新上马，于1975年7月1日全线通车。与此同时，阳安线于1973年9月开工，1977年6月25日建成通车。由此可见，在世界电气化铁路发展最快的时期，我国的电气化铁路建设是非常缓慢的，整整20年的时间，只修建了宝成线和阳安线两条电气化铁路，合计仅1033km，平均每年还不到52km。另外襄渝线刚刚开始动工，进度缓慢。
世界各国高速动车组技术的发展现状 １．１概述 先来介绍一下“动车组”这个概念：把动力装置分散安装在每节车厢上，使其既具有牵引力，又可以载客，这样的客车车辆便叫做动车。而动车组就是几节自带动力的车辆加几节不带动力的车辆编成一组。带动力的车辆叫动车，不带动力的车辆叫拖车组.动车组技术源于地铁，是一种动力分散技术。一般情况下，我们乘坐的普通列车是依靠机车牵引的，车厢本身并不具有动力，是一种动力集中技术。而采用了“动车组”的列车，车厢本身也具有动力，运行的时候，不光是机车带动，车厢也会“自己跑”，这样把动力分散，更能达到高速的效果。 １．２动车组分类 按照动力排布：动力集中，动力分散 按照用途：客运，货运（比如日本M250，法国TGV行邮），特殊用途（轨道检测等） 按照性能：高性能，低性能。 １．３牵引方式 动车组有两种牵引动力的分布方式，一种叫动力分散，一种叫动力集中。 动力分散电动车组的优点是,动力装置分布在列车不同的位置上,能够实现较大的牵引力,编组灵活。由于采用动力制动的轮对多,制动效率高,且调速性能好,制动减速度大,适合用于限速区段较多的线路。
另外,列车中一节动车的牵引动力发生故障对全列车的牵引指标影响不大。动力分散的电动车组的缺点是:牵引力设备的数量多,总重量大。动力集中的电动车组也有其优点,动力装置集中安装在2～3节车上,检查维修比较方便,电气设备的总重量小于动力分散的电动车组。动力集中布置的缺点是动车的轴重较大,对线路不利。 1903年7月8日，在德国柏林诞生了一种“动车+无动力车厢+动车+动车+无动力车厢+动车”这样编组的列车。这种无动力车厢不会隔断动车之间的联系，因为它安装了重联线。与动车相对，这种专门为动车组准备的无动力车厢叫从车，中文翻译为拖车。 8月14日，由接触网供电的单相交流电动车组问世。 10月28日，西门子公司制造的三相交流电动车组进行高速试验，首创时速210. 2公里的历史性记录。 一战结束，内燃机车开始普及，内燃动车出现。 二战结束，内燃机车也能重联了，内燃动车组出现。 60年代，日木决心新建高速客运铁路网，于是有了世界上首列运营用高速动车组—新干线—0系。 70年代，法国试制了燃气轮机高速动车组—TGV-0。 80年代，高速铁路网在欧洲延伸，风驰电掣的各系TGV以300km/h 的速度成为法国人的骄傲。 90年代，TGV试验速度突破500km/h。 新世纪，TGV试验速度突破500km/h 。 ２．１国外动车组状况
高速铁路受电弓V型槽滑板 项目建议书 一、项目概论 1、项目名称：高速铁路受电弓V型槽滑板 “专利名称：一种高速铁路不间断输电装置， 专利号：20110105292.7（附件1） 2、项目发明人：傅元韬 3、项目总策划人：张勇 4、项目实施人：傅麟 5、项目特征： 本项目“高速铁路受电弓V型槽滑板”涉及高铁技术弓网受流的“咽喉部件”，这是高铁运行的核心关键技术之一。 当代高速铁路受电弓工程实践，存在严重的“带电弧运行”问题，这是制约高速铁路发展的瓶颈。 现有受电弓技术仅仅适用低速电力轨道交通，已经完全不能适应高速铁路工程实践。 通过本项目，改变受电弓的滑板结构，技术结构，增加弓网受流的稳定性，改善抑制弓网系统有害振动,确保受电弓与接触网系统相互适应、合理匹配,可以降低运行电弧（支持时速600公里，根本消除二级以上电弧），改善弓网关系，
提高受电弓及接触网线的运行寿命。进而提高机车运行速度，提高高铁安全系数。 六项目具备的条件： 实现本项目的滑板生产条件成熟（自润滑浸金属碳滑板材料或导电陶瓷）、技术条件成熟（铝钛型材散热器、限位滑动轴承），组合成产品就是中国创造，这是当今中国高铁的迫切需要。 二、项目提出依据 电力机车速度不断提高，原来使用在低速轨道交通的导致弓网，由于提高速度，受流过程电弧加剧,已经严重制约了高速铁路的发展。京沪高铁频频弓网事故就是证明。现有受电弓结构已经不能适应中国高铁的发展需要，必须改革，脱胎换骨，从根本上解决问题。 本项目涉及“弓网受流”，这是高铁十大关键技术之一。 究其原因，为什么受电弓电弧打火严重？ 一则承载巨大电流的接触网导线工作面是一个圆弧，滑板是一个平面，两者受流结合只能是一个微小的以每小时300公里以上速度迅速跳跃滑动的象刀刃一样时续时断细窄的线。 二则弓网受流过程不可避免存在相互受力波动。当机车以时速300公里以上的速度，受电弓用约7公斤的压力，在不断波动震荡的细线上划过，把巨大的电能传输下去，这只
高速受电弓概况及发展 侯艳1袁张武2 (1.西安铁路职业技术学院牵引动力系,陕西西安710014;2.西安科技大学机械工程学院,陕西西安710054) 摘要:本文以高速铁路受电弓的特点为出发点,主要以高速铁路技术比较先进的德国、日本和法国高速受电弓为例,介绍了当今主流高速受电弓的特性及优点,同时对我国高速铁路目前所使用的受电弓的状况进行了分析,最后为我国高速受电弓的研发方向提出了几点建议。 关键词:高速铁路;受电弓;特性 0引言 无论是从交通运输是经济进入现代增长所依赖的最主要 的基础产业、基础结构和环境条件这一运输发展理论,还是从 我国正处于经济社会持续快速发展的重要时期,铁路“瓶颈” 制约矛盾非常突出这一国情世纪出发,以及世界铁路历史的 发展证明,高速铁路是经济社会发展的必然趋势。因此我国现 已制定出一系列发展规划,大力发展高速铁路。 然而由于高速铁路开行速度高(设计开行时速250公里 以上,初期运营时速200公里以上),高速铁路需要一系列配 套技术的支持,如适用于高速铁路的路网及信号系统、高速受 电弓、高速转向架、符合动力学性能的车体等[1],其中受电弓作为机车的受流器件,在弓网系统中占有举足轻重的地位,其受 流性能的优劣直接影响所取电流的可靠性,直接影响电力机 车的工作状态。 1高速铁路受电弓概况 电力机车在中高速运行状态下会出现比常速下严重的一 些问题,如:弓网系统接触压力变化大、离线率高、拉弧现象严 重等等[2],为克服这些问题,各国研究人员已经研发出了适合各国自己国情的高速受电弓。 德国ICE1、ICE2系列高速列车使用的DSA350SEK型 受电弓,精选合金制成,通过合理选择等臂平衡杆弹簧及组 装,减轻了受电弓的质量,其质量轻(仅为106kg),并且在其 上臂杆与等臂杆的适当位置安装有可变化的导风板,通过调 节导风板活节距离及角度,便可使受电弓升浮力稳定,从而保 证了良好的受流效果。该受电弓上还装有自动降弓装置(AS),当弓网发生故障而损坏碳滑板时,压缩空气经碳条滑板下与控制受电弓的压缩空气直接相连的通道释放,在不到1秒的时间内便可将弓头将至落弓位,及时避免受电弓及接触网继续受到损害,同时,该装置还可将故障信号迅速传给在牵引系统重联的令一台机车,使其受电弓降落,切除整个故障。DSA350SEK型受电弓在机车运行速度为280km/h时双机牵引能达到规定要求。 ICE3系列高速列车使用的DSA380型受电弓弓头支撑部分采用钛合金,并有独特的空气动力翼片设计,受电弓弓头长1950mm,滑板长1576mm,质量不超过130kg,受电弓控制单元将来自车两侧的压缩空气调整为适合受电弓正常工作的气压,安装在阀板上的压力开关能够将受电弓的工作状态反馈给车辆,其控制系统性能良好,在运行过程中未出现过由于控制系统原因而导致其它设备损害的现象。另外,该型受电弓的自动降弓装置可对碳滑板的使用情况进行监测,当滑板受损时压缩空气会通过自动降弓装置的快速降弓阀(SV1)中迅速排出,实现自动降弓,避免事故扩大化[3]。 日本新干线上所采用的的PS200A型受电弓,滑板材料为铜基粉末冶金,上下框架用异型钢板焊接,弓头结构简单,质量轻,弓头归算质量6.93kg,可满足200km/h以上的受流需求,且能较好地抑制弓网电弧的发生,在受电弓上放置有小型受电弓的二段式受电弓,减小了归算质量,同时加大了接触导线的张力,从而提高了框架的上下振动固有频率及弓头上下振动的固有频率,降低了离线率[4]。 法国国铁大西洋新干线中采用的GPU型单层受电弓最高运行速度可达515.3km/h,CX型受电弓可根据车速的变化自动调整接触压力,使得弓网的跟随性大大提高,从而减少了电弧的产生,X系列受电弓采用合成纤维弓头,使得质量减轻了30%—40%,采用气垫支撑装置和高性能空气调整装置,使用有限元分析法及模拟技术提高了动态重量和受流质量。 我国高速动车组目前使用的DSA250型高速受电弓,设计速度200km/h,试验速度250km/h,滑板材料为纯碳质,能很好地与铜合金接触线相匹配,该型受电弓采用气囊驱动,装有ADD自动降弓装置,精密调压阀可以用来调节受电弓与接触网之间的静态接触压力,单相节流阀可以调节升降弓时间。通过吸收德国SSS400+型受电弓技术国产化的TSG19型受电弓,优化了框架的动力学性能,降低了受电弓高度,能满足双向运行350km/h的要求。 我国目前受电弓的生产仍以中外合作为主,虽对受电弓的部分部件能够进行国产化,但核心部件仍依赖国外[5]。因此要想在受电弓研发生产技术上独立,同时开发出性能更加优越、适用于更高速列车的受电弓,我们必须进一步进行技术创新,研发新型的高性能受电弓。 2高速铁路受电弓发展方向 (1)缩小弓头尺寸 相比于法国交流铁路所使用的高速受电弓,我国目前使用的受电弓弓头轮廓较大,因此弓头质量和空气阻力就比较 作者简介:侯艳(1988-),女,陕西渭南,西安铁路职业技术学院牵引动力系助教,硕士。研究方向:机车车辆电器及控制技术。 173 2016年第2期
电力机车主电路的发展概述 电力机车（electric locomotive）本身不带原动机、靠接受沿线接触网送来的电流作为能源、由牵引电动机驱动车轮的机车。所需的电能，可以由多种形式（火力、水力、风力、核能等）转换而来。电力机车具有功率大、热效率高、速度快、过载能力强和运行可靠边等主要优点，而且不污染环境，特别适用于运输繁忙的铁路干线和隧道多、坡度大的山区铁路。 发展概况【top】最早造出第一台标准轨距电力机车的是苏格兰人R·戴维森，时间是1842年，由40组蓄电池供电，但没有实用价值。1879年5月，德国人W·VON西门子设计制造了一台能拉乘坐18人的三辆敞开式“客车”的电力机车，它由外部150V直流发电机通过第三轨供电，这是电力机车首次成功的试验。1881年,法国在巴黎展出了第一条由架空导线供电的电车线路，这就为提高电压，采用大功率牵引电动机创造条件。1895年，美国在巴尔的摩—俄亥俄间5. 6 km长的遂道区段修建了直流电气化铁路，在该区段上运行的干线电力机车自重97 t，采用675 V直流电，功率为1 070 kW。1903年德国的三相交流电力机车创造了每小时210km 的高速记录。 中国最早使用电力机车在1914年，是抚顺煤矿使用的1 500 V直流电力机车。1958年中国成功地生产出第一台电力机车，从采用引燃管整流器到硅整流器，机车性能不断改进和提高，到1976年制成韶山型（SS1型）131号时已基本定型。截止到1989年停止生产，SS1型电力机车总共制造出厂926台，成为中国电气铁路干线的首批主型机车。1966年SS2型机车制成。1978年研制成功的SS3型机车，不仅改善了牵引性能，还把机车的小时功率从4 200kW提高到4 800kW，载止到1997年底，共生产了987台，成为中国第二种主型电力机车。1985年又研制成功了SS4型8轴货运电力机车，它是国产电力机车中功率最大的一种（6 400kW），已成为中国重载货运的主型机车。以后又陆续研制成功了SS5、SS6和SS7 型电力机车。1994研制成功了时速为160 km的准高速四轴电力机车等。至此，中国干线电力机车已基本形成了4、6、8 轴和3 200、4 800和6 400kW功率系列。1999年5月26日，中国株洲电力机车厂生产出第一台时速超过200km的DDJ1001号“子弹头”电力机车，标志着中国铁路电力牵引已跻身于国际高速列车的行列。为追踪世界新型“交—直—交”电力机车新技术，从20世纪70年代末开始，中国铁路一直在进行中小功率变流机组的地面试验研究和大功率的交—直—交电力机车的研制，也已取得了阶段性成果。 类型【top】电力机车是从接触网上获取电能的，接触网供给电力机车的电流有直流和交流两种。由于电流制不同，所用的电力机车也不一样，基本上可以分为三类： 直—直流电力机车采用直流制供电时，牵引变电所内设有整流装置，它将三相交流电变成直流电后，再送到接触网上。因此，电力机车可直接从接触网上取得直流电供给直流串励牵引电动机使用，简化了机车上的设备。直流制的缺点是接触网的电压低，一般为1 500V或3 000V，接触导线要求很粗，要消耗大量的有色金属，加大了建设投资。 交—直流电力机车在交流制中，目前世界上大多数国家都采用工频（50Hz）交流制，或25Hz低频交流制。在这种供电制下，牵引变电所将三相交流电改变成25 kV工业频率单相交流串励电动机，把交流电变成直流电的任务在机车上完成。由于接触网电压比直流制时提高了很多，接触导线的直径可以相对减小，减少了有色金属的消耗和建设投资。因此，工频交流制得到了广泛采用，世界上绝大多数电力机车也是交—直流电力机车。 交—直—交电力机车采用直流串励电动机的最大优点是调速简单，只要改变电动机的端电压，就能很方便地在较大范围内实现对机车的调速。但是这种电机由于带有整流子，使制造和维修很复杂，体积也较大。而交流无整流子牵引电动机（即三相异步电动机）在制造、性能、功能、体积、重量、成本、及可靠性等方面远比整流子电机优越得多。它之所以迟迟不能在电力机车上应用，主要原因是调速比较困难。改变端电压不能使这种电机在较大范围内改变速度，而只有改变电流的频率才能达到目的。因此，只有当电子技术和大功率晶闸管变流装置得到迅速发展的今天，才能生产出采用三相交流电机的先进电力机车。交—直
高速铁路受电弓的技术要求 受电弓是靠一定的抬升力让滑板与接触线保持接触的。当列车高速运行时，受电弓的滑板就像一个小小的飞机机翼，在气流的作用也会产生一个动态的抬升力，抬升力随列车运行速度的升高而增大。当列车运行时，接触线在受电弓抬升力的作用下产生上下振动，振动波向前传播，这就给受电弓和接触线保持良好的接触带来困难。受电弓前进的速度和接触线波动的传播速度越接近，受电弓和接触线就越容易失去接触。 受电弓与接触线脱离失去接触的现象称作离线。要避免离线现象的出现。高速列车的受电弓从接触线获取的电流值很大，离线时产生的电弧会加快受电弓滑板和接触线的磨耗，引起电磁干扰，同时还伴随着噪声污染。离线发生的次数越多，时间越长，表明受流质量越差。所以，一般用离线率来评价列车受流质量的好坏。离线率用离线时间占列车区间运行时间的百分比来表示，如京津城际铁路要求离线率低于0.14%，离线时间小于100 ms。 如何才能降低离线率呢？在接触悬挂方式已定的情况下，要从接触线和受电弓两方面进行努力。接触线的波动传播速度和列车速度越接近，就越容易发生离线。因此，可以提高接触线的波动传播速度，尽量让它远远地“躲开”列车速度，就可以大幅度降低离线率。波动传播速度要“躲”多远呢？经验表明，列车速度与波动传播速度的比值为0.6～0.7，就可以保证良好的受流质量。 高速弓与普通弓的最大区别在于高速时高速弓的离线率较小，受流较稳定，主要是靠较轻的弓头质量和较好的弓网接触性能来保证的。当电力机车在常速下运行时，受电弓与接触网之间可以保持可靠的接触，因而能够保证受电弓与接触网间良好的动态受流。然而，随着高速电力机车运行速度的提高，受电弓的振动加剧，频繁出现的离线现象，使受电弓的受流质量恶化，机车速度受到限制。随着新材料的不断研发成功和开发应用，受电弓滑板（碳滑板、铜基粉末冶金滑板和浸金属碳滑板等）所采用的材料必将逐步向碳纤维、金属纤维、带有润滑功能的金属基和无机非金属基复合材料发展。目前广泛使用的接触网导线（铜银接触线、铜锡接触线、铜镁接触线）将向铜合金化和复合金属化方向发展。在接触网
高速受电弓一接触网系统动态受流性能的仿真分析 吴 燕，吴俊勇，郑积浩 （北京交通大学电气工程学院，北京１０００４４） 摘要：采用了ＭＳＣ－ＭＡＲＣ软件对受电弓．接触网系统的动态受流性能进行了仿真，分别建立了接触网和受电弓两个子系统的有限元模型，通过接触实现了两个子系统的耦合，进行弓网的动态分析．通过仿真，将低速下得到的结果与国外的结果相比较，验证了软件分析结果的正确性，针对高速铁路一种受电弓．接触网的设计参数，对弓网之间的相互作用进行了分析，得到了高速下接触网的动态抬升量，接触压力和离线率，通过参数的调整保证弓网可靠作用达到良好的受流，对高速受电弓与接触网的相互作用进行了大量的仿真并对结果进行分析，为进一步研究高速下受电弓与接触网不同参数的配合奠定了基础． 关键词：受电弓；接触网；动态接触；弓网受流；有限元 中图分类号：Ｕ２２５．１；Ｕ２６４．３４ 文献标志码：Ａ Ａ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ Ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ－Ｃａｔｅｎａｒｙ ＷＵ Ｙａｎ，ＷＵ Ｊｕｎｙｏｎｇ，ＺＨＥＮＧ Ｊｉｈａｏ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ） 随着高速铁路的大力发展，电力牵引以其速度高和牵引力大的优点已越来越被世界各国公认．高速列车牵引供电的新型接触网系统不同于传统的接触网系统，当列车由普通速度提高到高速运行时，受电弓与接触网的相互作用显得极为重要，接触线与受电弓的相互作用决定了供电的可靠性及供电质量，弓网受流成为限制最高速度的一个重要因 素［１］．弓网相互作用依赖于受电弓和接触网的设计方案及大量参数，评价接触特性需要通过仿真计算和线路试验来确定其客观标准，因为受到实物试验和试运行范围的限制，计算机仿真的方法是模拟两者相互作用一条捷径，模拟方法的采用有助于开发
高速列车架空线与受电弓之间的动态接触分析 摘要：用于高速列车的架空线与受电弓之间的动态接触分析，提出了解决接触条件下接触线与受电弓的运动方程的数值方法，考虑到增广拉格朗日乘子法条件下导线和受电弓的接触运动方程的严格应用、速度和加速度的解除条件以及位移来考虑高速接触点移动形变。特别表明了科氏力和线性加速度的接触点对形变丝起重要作用及稳定性。数值模拟结果是基于由接触线和受电弓组成的实际模型。 关键词：接触导线受电弓多体动力学数值稳定性高速电气化铁路 1简介 高速列车的架空线与受电弓之间联系的基本特征已经利用一个相当简化的模型来进行研究（如[1]），所以可以准确的完成对接触网的运动方程与接触条件的严格应用求解，输电线和受电弓的运动方程可以轻易通过基本的有限元法和多体动力学求得。然而，由于接触的条件施加的代数约束和接触点移动变形丝具有非常高的速度方程，所以弓网解除条件完整的运动方程求解非常困难。因此，传统的接触网分析技术例如拉格朗日乘子法和罚函数法，因数值不稳定性一般发生在运动方程的时间积分阶段而不能轻易的运用在运动方程中（罚函数法和拉格朗日乘子法采用人工高刚度弹簧的接触点，介绍了未知的接触力作为拉格朗日乘子，在文献中参考[2]，约束模型数值不稳定性的动力学参考文献）。根据文献调查，即使collina、bruni和harell等人[4]采用传统的罚函数方法求解输电线-受电弓接触问题，他们的计算只专门考虑罚函数参数值，但是不能说接触约束力严格限制是因为罚函数选定的刚度和实际弹簧的作用。Arnord和simeon得到的代数接触约束、传统的拉格朗日乘子法和DAE-解决输电线-受电弓接触条件的运动方程，然而他们只得到了一个简单的低速受电弓基准模型。据笔者所知，接触网与受电弓之间的接触限制由于接触点上变形丝的迅速移动而与传统的运动约束不同，从而在如此高的运动速度下，运动方程不能按照正常的时间集成和接触条件来考虑。
中国铁路受电弓的发展与展望 韩峰，吴积钦 摘 要：弓网系统是一个整体，研究接触网离不开受电弓，研究受电弓离不开接触网。作为固定设施的架空接触网是受电弓的路，受电弓是接触网方案选取的重要依据。本文对中国铁路受电弓低速、中速和 高速3个发展阶段进行了回顾，并对中国铁路受电弓的未来进行了展望。 关键词：中国铁路；受电弓；发展与展望 由受电弓和接触网组成的系统（以下称弓网系统）是一个整体，研究接触网离不开受电弓，研究受电弓离不开接触网。 架空接触网是电气化铁路的固定设施，安装在车辆上的受电弓沿接触网运行。弓网系统的可靠性、接触质量和寿命取决于受电弓和接触网2个子系统的特性。接触网设计时应考虑受电弓子系统的特性，反过来，设计受电弓时也应考虑接触网子系统的特性。要使所设计的接触网获得令人满意的性能，设计人员就应了解掌握在该接触网上所使用的各类型受电弓的特性。 经验和理论研究均已证明不可能为了优化与特定接触网设计的相互作用而单纯设计受电弓。更何况标准的接触网设计没有均衡的动态特性，因为跨距、质量和张力均会随线路实际情况和运行条件发生变化。然而，受电弓必须有一定的基本特性，并适合于规定的应用范围。试运行表明，完善的受电弓设计应能保证其在各种不同的接触网系统上实现其良好的运行性能[1]。 作为固定设施的架空接触网是受电弓的路，受电弓是接触网方案选取的重要依据，为了接触网设计、施工及运营维护工作更有针对性，有必要对中国铁路受电弓现状与发展进行深入了解。1中国铁路受电弓的发展 从1958年修建电气化铁路开始，到2010年实现高速化，中国铁路受电弓经历50余年的发展，走过了一段不平凡的路，大致可分为3个发展阶段。 1.1第1阶段 这一阶段始于中国铁路开始电气化，止于广深线电气化改造。 1958年仿制的6Y1型干线电力机车使用苏制ДЖ-5型受电弓，这是中国铁路弓网系统的标志性事件。苏制ДЖ-5型受电弓弓头长度不大于2260mm，滑板长度不大于1270mm。中国第一条电气化铁路的接触网（宝鸡——凤州段）依照此型受电弓的几何轮廓设计。中国铁路弓网系统的几何特征就此确定。此型受电弓所需运行空间较大，但接触网的许用跨距也较大。 苏制ДЖ-5型受电弓为四腕菱形双臂受电弓，安装尺寸大，笨重，静特性差，升降弓不稳定。1960年，株洲电力机车厂研制出Q3型单臂受电弓。Q3型受电弓运行性能良好，各项技术指标基本达到设计要求。在Q3型受电弓的基础上，株洲电力机车厂又研制出TSG1 型干线电力机车受电弓，但此时已是1978年了[3]。TSG1型受电弓在相当长时间内，是中国电力机车使用的主要弓型。弓度长度为2160mm，滑板长度为1260mm。 作者简介：韩 峰，吴积钦，西南交通大学电气工程学院，成都：610031
本刊特稿 Special Contribution 1 工程简介 1.1 概况 京沪高速铁路线路自北京南站至上海虹桥站，新建铁路全长1?318?k m 。全线共设北京南、天津西、济南西、南京南、虹桥等21个车站。设计速度350?km/h，初期运营300?km/h。线间距5.0?m；一般最小曲线半径7?000?m；最大坡度20‰；到发线有效长度650?m；列车类型为动车组。规划输送能力为单向8?000万人／年。1.2 特点 一是技术复杂。高速铁路涵盖多学科、集成多种高新技术、采用大量新材料和新工艺，是庞大复杂的系统工程。我国高速铁路发展既立足国内又博采众长，使引进技术和自主研发相结合。其中京沪高速铁路是由我国自行设计、自行施工，通过引进消化吸收 京沪高速铁路工程概况 再创新提高设备自主化水平。高速铁路动车组将采用在国内制造并适应我国国情的新车型。 二是工程规模大。京沪高速铁路是世界上一次建成线路最长、标准最高的高速铁路，也是新中国成立以来一次投资规模最大的建设项目。线路穿越华北和长江中下游两大平原，跨越海河、黄河、淮河、长江四大水系。沿线工程地质复杂。全线桥梁总长1?061?km，铺设无砟轨道1?196?km。 三是涉及方面广。京沪高速铁路途经7省市的66个县、11个百万以上人口的大城市，沿线道路及河网密集，电力通信线路及地下管线纵横。项目建设将征地4?460?hm 2，拆迁房屋419万m 2，需要沿线各级党委、政府和广大人民群众的大力支持，需要交通、航运、水利、林业、环保、文物、公安、财税等各个部门的积极配合。 四是预期效益好。根据预测运量、设计方案和投
本刊特稿Special Contribution 资总额，如按照0.4元／人.km的票价方案计算，京沪高速铁路财务内部收益率达到7.4%，盈利能力较强。该项目经济效益收益率为14.4%，经济效益合理可行。从社会调查和分析情况看，该项目将产生良好的社会影响和效益。 1.3 主要工程数量 京沪高速铁路全线重点控制性工程有北京南站、南京南站、上海虹桥站及南京大胜关长江大桥、济南黄河大桥。 正线路基长241?km，占线路总长18.3%。正线桥梁1?061?km，占正线总长80.5%。全线简支箱梁30?731孔；全线各种特殊结构桥梁395座。正线隧道22座16.1?km，占正线总长1.2%。轨道工程：无砟轨道双线1?196?km，占91%；正线铺轨单线2?618?km，联络线及动车走行线铺轨单线160?km，站线铺轨355?km；道岔1?007组。牵引变电所27座，接触网4?000条km。 1.4 建设工期及计划 （1）工期安排。项目建设总工期5年左右。目前控制性工程之中的北京南站及动车段、南京南站及大胜关长江大桥工程已开工建设。 （2）)关键线路。经过对全线工程特点分析和多种施工组织方案比较，安排全线开工建设施工关键线路为：施工准备（征地拆迁）→桥梁下部、路基施工和预压沉降、梁场建设与制梁及运架设备准备→架梁及桥面系施工→无砟道床施工→铺轨施工→“四电”工程施工→全线联调。 1.5 运输组织模式 京沪高速铁路运输组织模式采用本线旅客列车和跨线旅客列车共线运行的客运专线模式。初期本线列车及部分跨线列车最高运行速度300?km／h及以上，部分跨线列车运行速度200?km／h及以上；近、远期全部列车最高运行速度300?km／h及以上。 京沪高速铁路仅运行旅客列车，且全部为动车组列车；既有京沪线承担所有货物列车及部分普通旅客列车的运输。高速铁路主要承担本线大站间旅客交流和跨京沪线运行的衔接路网的主要大站间交流(跨线交流)；既有线以货运为主，并承担本线小站间交流和剩余跨线交流。2 重点工程项目 2.1 主要车站 北京南站、天津西站、济南西站、南京南站、虹桥站。 2.2 重点桥梁 北京特大桥、跨济兖公路特大桥、黄河特大桥、淮河特大桥、大胜关长江大桥、镇江京航运河特大桥、丹阳至昆山特大桥。 2.3 重点隧道 西渴马一号隧道是全线最长的隧道，全长2?812?m，地势起伏较大，隧道最大埋深201?m。隧道洞门考虑与周围环境和谐统一，并考虑满足空气学效应的影响，采用缓冲结构洞门。 2.4 重点路基 全线主要路基工点类型有软土和松软土地基路堤、浸水路堤、软质岩石及硬质岩石路堑、黄土路基、下蜀黏土路堑、岩溶路基及路堤支挡等。 3 技术创新 3.1 总体技术路线及设计原则 按照铁道部确定的适合国情、路情、具有自主知识产权的高速铁路技术标准体系，认真贯彻“以人为本，服务运输，强本简末，系统优化，着眼发展” 的建设理念，采用先进、成熟、经济、实用、可靠的工程结构和技术装备，瞄准世界水平，博采众长，自主创新，实现建设世界一流高速铁路的目标。 （1）重视解决移动和固定设备的匹配兼容，具备本线旅客列车和跨线旅客列车共线运行条件，实现路网资源最大化。 （2）选线设计避免高填、深挖和长路堑等路基工程，并绕避不良地质条件地段。无法绕避时，采用桥涵通过或选用其他适宜的工程措施处置。线路基础设施、不易改建的建筑物和设备为远期发展预留条件。 （3）最小曲线半径、最大坡度、到发线有效长度、动车组类型、列车运行控制方式、运输调度方式、追踪列车最小间隔时分，根据行车速度、沿线地形地质条件、输送能力和用户需求等，经技术经济比 京沪高速铁路工程概况 铁道部政治部宣传部