第13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和设计SWJTUDONG2011.12第14讲受电弓及弓网系统的耦合与设计主讲人董昭德西南交通大学电气工程学院2011·12受电弓及弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.12一、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SWJTUDONG2011.12一、受电弓的基本构成和术语(1)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列车运行安全。受电弓及弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.12一、受电弓的基本构成和术语弓头悬挂结构(2)弓头悬挂结构受电弓及弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.12一、受电弓的基本构成和术语框架结构简图(3)框架(4)底架(5)传动机构升弓机构受电弓及弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.12二受电弓简介1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2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。受电弓—单臂、双臂、T形单臂—非对称结构，质量轻双臂—对称结构，质量重、稳定性好T形—空气动力学特性好受电弓及弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.12受电弓形式与发展双臂受电弓TPS203500系T型受电弓1889年德国受电弓受电弓及弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.12受电弓形式与发展单臂受电弓德国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SWJTUDONG2011.12弓头框架升降弓装置基本要求：上下走直线弓头不偏摆静态接触恒定单臂受电弓2受电弓简介弓头跟随性好动态响应快阻尼合理受空气影响小噪音小质量轻动力学性能基本要求受电弓及弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.4（1）弓头结构弓头的悬挂形式圆弹簧—直线作用—斜线作用板簧橡胶—直线作用—扭转作用滑板形式单滑板整体双滑板分体双滑板2单臂受电弓的基本结构三元与二元的区别？受电弓及弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.4启动电流大辅助滑板受电弓二受电弓简介受电弓及弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.12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；上臂：铝型材。设计速度300km/h落弓位伸展长度2640mm最大升弓高度（包括绝缘子）3000mm落弓位高度（包括绝缘子）588mm弓头长度1950mm额定电压25kV额定电流1000A接触压力70~120N（可调）驱动类型气囊驱动机构升弓≤5.4秒可调降弓≤4秒可调整弓质量约109kg中国300km/h受电弓受电弓及弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.12受电弓的性能表征额定静态接触压力；同高度压力差；同向压力差；静态压力曲线；工作高度；最高升弓高度；升降弓时间，静态接触压力受电弓及弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.12受电弓性能优化优化目标：（1）确保高速运行条件下的可靠性和安全性；（2）受流质量良好，离线率和电火花在容许范围之内；（3）平均接触压力不超过120N；标准偏差不超过24N；（4）应有尽量长的使用寿命，不低于150~200万架次。优化内容：（1）弓头垂直运动轨迹；（2）主轴转矩；（3）维持动态平衡及升弓弹簧刚度（4）归算质量；（5）静态接触压力。受电弓及弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.12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。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。实践和研究表明：受电弓的归算质量应控制在8~25千克之间。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作用相当！受电弓归算质量受电弓及弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.124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；(4)滑板应具有良好的韧性、耐冲击性好，不会因冲击而发生缺损或破裂，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。受电弓及弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.12三、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SWJTUDONG2011.12三、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SWJTUDONG2011.12弓网系统图弓网耦合因素图受电弓接触网几何电气机械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弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.12三、弓网的系统性受电弓接触网弓网受流系统工程的特点◇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SWJTUDONG2011.12◇简单抽象地看，过程很简单!◇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◇“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SWJTUDONG2011.12(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。四弓网系统复杂性受电弓及弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.12(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。◇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。四弓网系统复杂性受电弓及弓网系统的耦合和设计SWJTUDONG2011.12◇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◇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SWJTUDONG2011.12五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合和设计SWJTUDONG2011.12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SWJTUDONG2011.12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2×200mm后所得到的数值)以内。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SWJTUDONG2011.12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600~1050mm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SWJTUDONG2011.12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