高速电气化铁路接触网-受电弓系统的研究-

1、第20卷第1期(总第47期中国铁道科学1999年3月高速电气化铁路接触网受电弓系统的研究于正平张弘吴鸿标昌月朝(铁道部科学研究院摘要:通过接触网受电弓系统的有关研究,对其进行多因素、多参数的分析。分析接触网受电弓的系统特性,高速接触网悬挂型式及参数的配置,以及受电弓的有关性能参数。讨论如何有效地提高接触网受电弓系统的受流性能,为保障电力机车高速、安全、可靠地运行,提供技术参考。关键词:高速电气化铁路接触网受电弓受流1引言高速列车是通过受电弓从接触网获取电能,驱动牵引电机运行的。受电弓与接触网可靠地接触是保证高速受流的重要条件。受电弓弓头的滑板与接触线接触,相对滑动,从接触网上取下电流,输送给电

2、力机车,这一过程称之为受流。在受流过程中,接触网和受电弓在机械和电气上密切相关,只要其中之一出现问题,都会破坏正常的受流特性。受电弓和接触网一旦发生事故,将会带来十分严重的后果,直接造成很大的经济损失。为此,高速电气化铁路必需解决好接触网与受电弓高速受流这一关键问题。我国的电气化铁路的运营还处在低速运营的状态,研制高速接触网、高速受电弓则是发展我国高速电气化铁路的关键技术问题,也是急待解决的问题。国外的一些国家高速电气化铁道的建设发展很快。1964年10月,日本东海道新干线首先实现最高客运速度210kmh-1; 1993年3月,在东海道新干线上应用300系电动车组已将运营速度提高到了270km

3、h-1。1991年6月,德国I CE高速线建成通车,最高运营速度为250kmh-1;1988年5月1日, R e250加强型接触网在维尔茨堡-富尔达区段,I CE试验速度达到了40619kmh-1。法国自1981年开通巴黎-里昂的高速线路以来,行车速度已经提高到300kmh-1;1990年5月18日,法国在大西洋线西南段,T GV电动车组创造了51313kmh-1的试验速度的世界纪录。为了改变我国在弓网受流领域研究的落后状况,国家科学技术委员会于1995年设立了“九五”国家科技攻关计划高速铁路接触网、受电弓性能参数的研究专题,进行这方面的深入研究。目的是改变我国在弓网受流领域研究的落后状况,为

4、我国高速铁路的建设奠定基础。国家科委:“九五”国家科技攻关计划资助项目收稿日期:1998208229于正平副研究员铁道部科学研究院机车车辆研究所北京100081以下介绍的是在这方面的研究与实践,其研究结果可直接用于高速电气化铁路的设计和施工。2我国高速接触网从1995年开始,我国既有线的提速工作提到了议事日程并作为工作重点,当时广州到深圳计划开行160km h -1电气化运营铁路(现改为200km h -1。为了1996年SS 8型电力机车在铁道部科学研究院环行铁道试验基地(以下简称“环行铁道”进行运行试验,我国于1995年在环行铁道对大环进行接触网改造,当时将运行速度定为180km h -1

5、。高速铁路接触网、受电弓性能参数的研究专题项目的研究人员,同时也是“180km h-1大环接触网改造”的设计人员,又是高速铁路试验段牵引供电系统技术条件的制定者,这就给我们提供了理论应用于实践的一个极好的机会。经过对前期接触网受电弓系统的研究成果进行分析以后,将环行铁道的大环接触网的设计由原定的180km h -1改为250km h-1悬挂。使这项研究直接跨入高速领域。在环行铁道的大环接触网改造过程中,德国原奔驰集团的A EG 公司(现更名为AD tranz 公司主动要求与院合作。经协商后,由铁道部科学研究院和德国A EG 公司各自负责环行铁道的半个环接触网设计。施工全部由中方负责。环行铁道大

6、环接触网悬挂型式参考了德国R e 250接触网结构,将跨距、结构高度和弹性吊索的长度改为中国方案,标准跨距为60m 、结构高度为116m 、弹性吊索的长度为14m ,接触网按统一标准验收。1996年5月通过了验收。验收时由株洲电力机车厂生产的SS 8型电力机车进行试验,由于当时受环线外轨超高只有125mm 所限,运行速度只跑出了179km h -1。为了提高试验速度,1996年下半年对环行铁道大环的外轨超高进行改造,由原来的125mm 增高到190mm 。1997年1月5日在环行铁道高速试验中,创造了我国铁路的最高试验速度21216km h -1的纪录。受环行铁道的外轨超高和SS 8型电力机车

7、运行速度的限制,接触网没有做250km h -1的速度试验。接触网测点的测量数据显示,列车运行速度为179km h -1时,接触线跨中动态抬高的最大值为7214mm (未经平均的最大值,定位点动态抬高的最大值为5218mm (未经平均的最大值。根据测量数据表明,接触网工作状态良好。在这之后,广深线电气化铁路设计速度由原来的160km h -1改为200km h -1,高速电气化铁路试验段目前也正在筹建之中。图1为环行铁道250km h -1弹性链型接触网悬挂结构 。图1环行铁道弹性链型接触网悬挂结构06中国铁道科学第20卷表1为环行铁道高速接触网技术参数表1环行铁道高速接触网技术参数线、索接触

8、线CA R S 承力索A EG 承力索弹性吊索1106016001630131接触线波动传播速度C km h -1424运行速度v km h -1250v C0159结构高度 m 116接触线高度 m 515标准跨距 m 60拉出值 mm 200300吊弦间距 m710定位点允许最大抬升量 mm2003我国受电弓的现状从我国目前的现状来看,常用的国产受电弓如T SG 1型和T SG 3型受电弓与国外同类产品(日本、法国、德国等相比,存在很大差距。就其受流性能来看,只能满足列车速度100km h-1以下的要求,其中T SG 3型受电弓的性能优于T SG 1型。1997年在环行铁道,对T SG 3

9、型受电弓加装阻尼器后的试验表明,T SG 3型受电弓加装阻尼器后,与环行铁道弹性链型接触网配合,速度可提高到160km h -1。我国目前尚无高速受电弓的生产厂家,高速列车的受电弓还有赖于进口。由于日本、法国、德国等国家的受电弓接触网系统的类型各不相同,各国的实际情况也不相同,如何使引进的受电弓与我国的接触网相匹配,是一个非常实际和非常重要的研究课题。我国也应结合本国国情加快研制和生产高速受电弓的步伐。4接触网与受电弓系统的计算接触网受电弓与电力机车构成的受流系统比较复杂,一般分成接触网、受电弓、电力机车子系统来研究,然后综合起来再进行相关的研究。接触网受电弓系统的计算繁杂,由于篇幅所限,在此

10、只给出部分计算结果。411接触网的静弹性计算图2为环行铁道试验线接触网改造127#128#柱和145#146#柱两跨悬挂方式的理论16第1期高速电气化铁路接触网受电弓系统的研究计算。表2给出了理论计算与实测结果的具体数值。通过与实测结果的比较,计算值与实测值基本吻合,说明这种计算方法具有实用价值 。图2环行铁道试验线接触网改造127#128#柱与145#146#柱两跨接触网静弹性理论计算曲线表2理论计算与实测结果的比较柱号跨距静抬高 mm 静弹性 mm N -1定位点跨中点定位点跨中点弹性差异系数(%127#128#5012m测试值计算值3010281040103810014290140001

11、5100154314131517412单臂受电弓运动轨迹的计算单臂受电弓在上升和下降的过程中,弓头的运动轨迹不象双臂受电弓那样具有竖直的直线轨迹,而是略呈S 形,所以在结构设计时,需优选各杆件的尺寸及支承点的位置,使得受电弓的弓头在工作范围内得到近似竖直的轨迹曲线,并使弓头在工作范围内的角度变化尽可能地小,以利于受电弓与接触线良好地接触,因此,研究受电弓的运动轨迹非常必要。以西门子8W LO 12626YH 69受电弓为例,其受电弓运动轨迹的计算结果如图3所示。413单臂受电弓的空气动力计算当列车运行时,受电弓受到空气动力的作用时,每一部分在该阻力的作用下都对接触压力产生影响。这些影响的总和,

12、如果使接触压力随空气动力阻力的增加而加大,将导致滑板与接触导线的磨损严重,使用寿命下降;反之,如果接触压力随空气动力阻力的增加而减小,有可能出现接触压力小到一定值时,受电弓与接触线接触不好,受流质量下降,严重时不能可靠地受流。对S IE M EN S 8W LO 12626YH 69受电弓进行空气动力计算,受电弓与接触线的接触压力26中国铁道科学第20卷随速度变化的关系如图4所示 。图3西门子8W LO 12626YH 69受电弓图4S IE M EN S 8W LO 12626YH 69受电弓升弓运动轨迹高度115m ,接触压力随速度变化的关系414单臂受电弓的振动计算受电弓的动力学特性对接

13、触压力有很大影响,如果弓头振幅增加,使离线率增大,导致滑板受流质量差,产生波状磨损,拉弧烧损也比较严重。通过计算,分析升弓机构、弓头弹簧及各部分阻尼对受电弓动态特性的影响,选择合理的参数,减小动态接触压力变化幅值的标准差,使受电弓的动态特性最佳,是受电弓动力学计算的目标。图5给出的是受电弓取两个自由度的算例。阻尼系数C 01=100时,T SG 1受电弓升弓高度115 m图5幅频特性和相频特性曲线36第1期高速电气化铁路接触网受电弓系统的研究415头车的空气动力计算根据车头绕流数值模拟所得的速度场和压力场,可作为受电弓周围的气动力场对受电弓进行气动力计算,同时也可算出头车的气动阻力系数。图6是

14、从不可压缩的雷诺平均N avier2Stokes方程和2湍流模式出发,应用S I M PL E和动量插值方法,对空气绕高速列车的三维流动进行了数值模拟,计算出的车头绕流流场的速度矢量在纵向对称面内的投影。 图6纵向对称面内车头绕流速度矢量的投影5国外高速接触网悬挂的结构型式及性能参数国外在研究接触网和受电弓系统的最佳匹配方面作了大量的研究工作,成绩显著。以日本、法国、德国为代表的国家的高速接触网受电弓系统在运行速度200kmh-1300 kmh-1时仍具有良好的受流性能,其许多作法可供我国参考。以下介绍几个有代表性的发展高速铁路的国家的接触网概况。511日本新干线接触网51111东海道新干线的

15、接触悬挂1964年10月,日本东海道新干线(东京大阪,全长515km投入运营,首先实现最高客运速度210kmh-1,从此,高速电气化铁路进入了实用阶段。该接触网采用了总张力为30kN的带弹性组合吊弦的复链型悬挂结构,见图7。其接触网悬挂方式的主要特点是,在悬挂点的位置加装专门制造的组合吊弦,以解决支承点与跨距中间的弹性差,来改进高速性能。 图7日本带弹性组合吊弦复链型接触网结构带弹性组合吊弦的复链形悬挂虽能满足速度210km h -1的受流需要,但弹性组合吊弦同样也增大了接触悬挂的振动,尤其是当有强侧向风时,接触网与受电弓的受流特性很坏。当侧向风速高于20m s -1时,受流特性受到严重破坏,

16、此时列车速度不得不限制在160km h -1。因此,通过试验研究和长期的运营实践,日本专家认为带弹性组合吊弦复链形悬挂还不能最终满足高速行车之要求。51112山阳新干线的接触悬挂结构设计速度为260km h -1的山阳新干线(新大阪博多,554km 时,总结了东海道新干线的经验。接触网取消了弹性组合吊弦,改为加大承力索与接触线张力的重型复链型悬挂,见图8。这种接触悬挂方式具有接触线粗、张力大等特点,相应减少了接触线的振动和弛度,也减少了受电弓抬高量和接触线受风偏移值,从而达到适应高速行车的受流需要。 图8日本重型复链型接触悬挂结构表3为日本新干线接触网参数。表3新干线接触网参数带弹性组合吊弦复

17、链型悬挂重复链型悬挂加重复链型线、索接触线承力索辅助承力索接触线承力索辅助承力索材料硬铜线(Cu 镉铜绞线(Cd (Cu 镉铜绞线(Cd (Cu 铜锡合金线(Cu (Sn 镀锌钢铰线(St 硬铜铰线9180199115111137511450除了接触线张力增加到1916kN 外其它与重双链型悬挂相同接触线波动传播速度C km h -1358355410运营速度v km h -1210240270v C605050山阳新干线运营后,日本铁路发展重型复链型接触网悬挂,逐步取代了带弹性组合吊弦的复链型接触网悬挂。在东北(东京盛岗,497km、上越(大宫新泻,270km两条新干线都采用了重型复链型接触

18、网悬挂结构。1990年,日本在上越新干线的部分区间最高速度已达275kmh-1。1993年3月,在东海道新干线上应用300系电动车组已将运营速度提高到了270kmh-1。512法国高速铁路接触网法国在25kV交流电气化铁路上,选用单链型悬挂。其结构简单,造价低廉,并能够适应于高速受流的需要。因此,多年来为西欧诸国所效仿。近年来法国对这种传统的链型悬挂方式多方研究,采用各种不同结构参数进行高速受流试验比较,又进行了改良,并将其用于速度为270kmh-1的巴黎里昂高速新干线上。法国在1500V直流电气化线路上,对当初设计速度为160kmh-1的链型接触悬挂进行改进后,最高速度也达到了200kmh-

19、1。51211T GV东南线1976年开工兴建T GV东南新干线(巴黎里昂,全长417km,1983年全线通车,最高运营速度为270kmh-1,拟通过改进把时速提高至300kmh-1。其接触网悬挂结构见图9。51212T GV大西洋线大西洋线全长282km,允许的最高运营速度为300kmh-1。取消弹性吊索,采用简单链型悬挂,见图10。接触线的预留弛度为跨距的1 1000。表4为法国T GV高速接触网技术参数。 图9法国82型接触网悬挂结构 图10法国85型接触网悬挂结构法国国铁计算机模拟试验表明,当列车速度超过250kmh-1时,受流质量与其说与接触网的弹性均匀有关,倒不如说与其振动有关。试

20、验还表明,取消弹性吊索后,弹性均匀性不如以前,但通过提高接触线张力,可以使接触网弹性满足470kmh-1运行的受流需要。另外,不设弹性吊索还可以减少安装和维修过程中既费时又不经济的调整工作。如果弹性吊索调整不好,接触网容易发生事故。1990年5月18日,在T GV大西洋线西南段,T GV电动车组创造了51513kmh-1的运行速度世界纪录。在这个试验中,把接触线的张力提高到33kN,该张力的安全系数是112。表4TGV高速接触网技术参数悬挂地点TGV东南线TGV大西洋线线、索接触线承力索弹性承力索接触线承力索型号CdCu120Bz65Bz35Cu150Bz65张力 kN1414420(3314

21、线密度 kgm-1110701605113301605接触线波动传播速度C km h-1412441(567运营速度v km h-1270300(51513v C01660168(0191结构高度 m114114接触线高度 m41955110标准跨距 m6363预留弛度1 10001 1000拉出值 mm200200吊弦间距 m4159定位点允许最大抬升量 mm240400平均动态抬升量(270kmh-1时 mm10059注:括号里的数字为1990年5月18日在大西洋线西南段,TGV电动车组创造51313kmh-1运行速度世界纪录时的数据。51213T GV北方线T GV北方线新线长333km

22、,接触网除接触线的预留弛度为跨距的2 1000以外,其它技术参数同T GV大西洋线。1994年11月,T GV北方线采用T GV“欧洲之星”穿过英吉利海峡到达英国伦敦。北方线的延伸线还将与比利时的布鲁塞尔相连。北方线上最高运营速度为320kmh-1。法国目前保持着世界铁路最高试验速度和最高实际运营速度的记录。513德国高速接触网德国早在50年代就开始接触网的标准设计,经多年的方案比选、试验及运行,提出了R e75、R e100、R e160、R e200(R e后面的数据为接触网适应的速度4种型号的标准接触网。随着高速电气化铁路的发展,在70年代中又推出R e250型接触网的标准设计,最近又研

23、制出了R e330型高速接触悬挂。这里仅介绍适应高速的R e250、R e330接触网,它们均采用全补偿方式,如图11、图12所示。表5为德国高速接触网的技术参数。表5德国高速接触网的技术参数悬挂类型R e200R e250R e250加强型R e330接触线型号R is100R is120R is120R is120张力 kN10152127线密度 kgm-11108承力索型号502Bz 702Bz 702Bz 1202Bz 张力 kN10151521线密度 kgm-10163弹性吊索型号252Bz 352Bz 352Bz 352Bz 张力 kN213、117218218218长度 m18、

24、1418、1418、1418线密度 kgm-10131接触线波动传播速度380426504569最大跨距 m8065、4465、4465预留弛度030无无无拉出值 mm±400±300±300±300吊弦间距 m10左右910左右910左右910左右额定载流量 A5606706701400跨中弹性 mmN-11110162、0140152、01350136悬挂点弹性 mmN-1018015、01350144、0131-注:反定位时的值;隧道内的值;接触线磨耗80%时;试验最高速度第 1 期高速电气化铁路接触网受电弓系统的研究 69 图 11德国 R e2

25、50 型接触网结构 图 12德国 R e330 型接触网结构 1991 年 6 月, ICE 高速线在汉诺威 维尔茨堡的 327 km 和曼海姆 斯图加特的 105 km - 1 建成通车, 最高运营速度为 250 km h 。 1988 年 5 月 1 日, R e250 加强型接触网, 将接触 - 1 km h 。 km h 线 张力由 15 kN 提高到 21 kN , 在维尔茨堡 富尔达区段, ICE 试验速度达到了 40619 6国外高速受电弓简介 国际上研究高速受电弓, 主要代表国家是日本、 德国和法国。 从目前来看, 各国所开展 的受电弓的研究各有侧重, 这与该国的实际情况有关。

26、 从发展的阶段来看, 国外第一代高速 受电弓的典型特征是弹簧升弓, 气动降弓, 弹簧储能调节工作方式, 其典型代表有日本 PS204、 德国 SSS87、法国 AM D E; 第二代高速受电弓的典型特征是气动升弓, 气动降弓, 气动闭环 自调节工作方式, 其典型代表有德国的 D SA 2350S、法国的 GPU ; 第三代高速受电弓的典型 特征是气动升弓, 气动降弓, 智能型自调节工作方式, 其典型代表有法国的 CX 25。 6 11日本受电弓简介 - 1 日本在新干线上采用的是 PS200 系列受电弓。该系列受电弓为双臂菱形受电弓, 采用弹 簧升弓气动降弓的操作方式, 单弓头, 铜基粉末冶金

27、滑板, 上、下框架采用异型钢管焊接, 纵 向 ( 顺线路方向的框架折叠尺寸 为 850 mm , 追踪范围为 500 mm , 受电弓基座加盖整流罩。 而既有线的受电弓纵向顺线路方向的框架折叠尺寸 ( 如 PS16 型、 PS22 型、 PS101 型受电 弓 为 2 900 mm , 弓头结构也与既有线的受电弓有所不同, 结构简单, 重量轻, 可满足 200 以上的受流需要。 下面将分别介绍日本新干线所采用的 PS200 系列受电弓。 PS200A 型受电弓用于 0 系电动车组, 参见图 13。双向作用阻尼器, 单弓头, 弓头归算质 © 1995-2004 Tsinghua Ton

28、gfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 70 中国铁道科学第 20 卷 单弓头, 两滑板相互独立支撑, 弓头归算 质量为 9168 kg, 框架归算质量为 9117 kg, 接触压力为 54 N + 15 N 。 PS204 型受电弓用于 400 系电动车 组。 单向作用阻尼器, 单弓头, 两滑板相 70 N 80 N , 采用碳滑板, 归算质量为 9 kg。 量为 6193 kg, 框架归算质量为 9117 kg。 接触压力为 54 N + 15 N 。 PS201 型受电弓 ( 参见图 14 用于 200 系电动车组, 为单向作用

29、阻尼器, 单弓头, 两滑 板相互独立支撑, 弓头归算质量为 10 kg, 框架归算质量 10119 kg, 接触压力为 54 N + 15 N 。 图 13日本 PS200 A 型受电弓图 14日本 PS201 型受电弓 PS202 型受电弓 ( 参见图 15 用于 100 系和 300 系电动车组, 为单向作用阻尼器, 互独立支撑, 弓头归算质量为 9168 kg, 框 架归算质量为 9117 kg, 接触压力为 54N + 15N 。 6 12法国受电弓简介 法国国铁 ( SN CF 所采用的 160 km h - 1 以上的受电弓有: AM D E 型受电弓 ( 参见图 16 。 法国

30、东南新干线采用 AM D E 型受电弓于 1981 年 2 月 26 日, 创造了 380 km h - 1 的当时 的世界记录, AM D E 型受电弓为双层小开 度型 ( 或称子母弓 受电弓, 接触压力为 图 15日本 PS202 型受电弓 GPU 型受电弓 ( 参见图 17 。 为了更好地适应 400 km h - 1 以上速度的受流需要, Fa iveley 公司研制了新式的 GPU 型单层受电弓, 法国国铁 (SN CF 在大西洋新干线采用 GPU 型受电 弓于 1990 年 5 月 18 日, 创造了 51513 km h - 1 的世界记录。 CX 型受电弓是 Fa iveley

31、 公司研制的 X 系列受电弓的一种 (X 系列受电弓为: 电动车组采 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 第 1 期高速电气化铁路接触网受电弓系统的研究 71 用 SX 型受电弓、 速度在 220 km h - 1 以上的电力机车采用 A X 或 CX 型受电弓 , 它可以随车 速的变化而自动调整。为此 Fa iveley 公司采用了两种技术, 一是在一定速度范围以预先设定 的控制技术对接触压力进行调节; 二是采用电子控制和空气伺服阀的反馈控制技术。Fa iveley 公司

32、研制的 X 系列受电弓自 1990 年以来经历了长期的试验过程。 这些受电弓采用合成纤维 弓头、 重量减轻了 30 % 40 % 。 有限元分析法和模拟技术使动态重量和受流质量得到了显著 的改善。 系列受电弓均采用气垫支撑装置和高性能空气调整装置。 关节式结构不受运行速度 X 和方向的影响。为适应特别需要, 既可安装高上升度弓头滑板, 又可安装低上升度弓头滑板。 X 系列受电弓的设计使维修量大为减少。 CX 型受电弓, 弓头质量 10 kg, 框架等效质量为 17 kg。 图 16法国 AM D E 型受电弓图 17法国 GPU 型受电弓 德国的高速线路采用 ICE 电力机车, 采用 SB S

33、65 型受电弓。 为了进一步提高行车速度, Do rn ier 公司研制了新式的 D SA 2350S 型受电 6 13德国受电弓简介 弓, 见图 18。该弓具有以下特点: 备有用于 控制高速时空气抬升力的稳定器。 尽可能减 小滑板的重量, 导角也用薄壁管子制成。 两 个滑板互相独立, 由框架支持。 滑板的支持 为伸缩型, 行程可达 50 mm 。 滑板采用碳滑 板。 重量较轻。 采用气垫支撑装置和高性能 图 18德国 D SA 2350S 型受电弓 空气调整装置。 该受电弓设计速度为 350 km h - 1 , 可以随车速的变化在一定速度范围内对接触压力进 行自动调整, 采用了空气伺服阀的

34、反馈控制技术, 使动态重量和受流质量得到了明显的改善。 而且所采用的关节式结构不受运行速度和方向的影响。 © 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 72 中国铁道科学第 20 卷 7小结 我国高速铁路采用电力牵引已是定势, 解决时速为 250 km 及以上的接触网和牵引受电 弓及其相关的系统特性则是关键课题, 由我们自行设计并悬挂于环行铁道的新型的接触网, 已 经经受了我国目前最高速度 ( 21216 km h - 1 的运行试验考验。根据各种检测数据显示, 其 弓系统的受流性能, 以保障电力机车的取流质量。 接触网2受电弓系统又是机械和电气耦合系统, 在研究、分析和计算上还要综合考虑其相 互影响。 运行状态良好, 这表明在此领域内我们已具有为我国的高速铁路服务的实力。 接触网和受电弓系统的特性, 取决于接触网结构参数和受电弓的类型。 在今后电气化铁 路的新线建设中应对接触网受电弓系统进行理论分析和计算, 并在分析系统各种参数影响 的基础上, 设计