课件案例教案

中国铁路网中的第一段交流电气化铁路是1958年开始修建的宝成铁路宝91km，50余年的发展，中国电气化铁路的受电弓和接触网均发生了一定程度的变化，鉴于中国铁路第1章绪 概 第2章受电 概 弓 框 底 接触 第3章受电弓与接触网的几何特 概 限 中性 第4章受电弓与接触网的动态相互作 概 4.6.1和目 输 第5章受电弓与接触网的材料接 概 滑 接触 第6章受电弓与接触网的电接触特 概 第7章受电弓与接触网系统的设计与施 概 吊 第8章受电弓与接触网系统的运营.............................................................................概 受电弓的保 接触网的 修 第9章受电弓与接触网系统的参数测 概 主要参考文 第1本章要点图1.1电气列车所需电能的传输过2a1.2b1.2c 图1.2接触悬挂图1.3电力机车通过受电弓从接触悬挂集图1.4单腕臂链形悬挂接触1.5软横跨式接触。图1.6硬横梁式接触空刚性接触网（又称接触轨）组成的集电系统取流。悬挂在隧道上方的刚性接触网如图1.7所示。1.7刚性接触网（左）及嵌入了接触线的汇流排（右弓网系统的要求与 DropDevice），一旦滑板破损断裂，ADD可快速降下受电弓，尽可能缩小弓网事故范围。运营要弓网系统的与发在年月日举办的德国柏林世界贸易博览会上，维尔纳·冯·西门子(ErnstWernervon年，将此项技术应用于柏林——施潘道的第一辆有轨电车上，不幸的是，马匹穿道同时接车排经常脱轨，对商业运行来说这种集电系统太不可靠。1889年，公司的德国工程师首次采用图1.8第一台电力机 图1.9车辆通过集电器获取电1新干PS200A为双臂菱形、下臂交叉式受电弓，采用弹簧操作式传动系统。上、下框架均采用异形500mm，静态接触力为54N+15N。与PS200A型受电弓相匹配的东海道新干线接触网采用了总张力为29.4kN的带弹性组合吊弦的复链东海道新干线接触网的承力索和辅助承力索分别为80mm2、60mm2的镉铜线，接触线为110mm2的硬时，接触网的标准跨距为50～60m，隧道内和桁架桥上的标准跨距为45m。将列车速度限制在160km/h以下。1.11带弹性组合吊弦的复链形悬挂接触网（单位滑板与接触线均磨损严重，4～5年就需要更换一次接触线。图1.12为新干线500系电动车组上使用的翼形弓头T型受电弓，图1.13为700系电动车组上 图1.12翼形弓头T型受电 图1.13翼形弓头V型受电弓（PS207型2

1.14新干线使用的简单链形悬挂接触构如图1.15所示，弓头长度仅为1450mm，滑板长度为800mm。图1.15AMDE型受电 图1.16东南线的接触网结270km/h时的弓网接触性能良好。但随着列车运行速度的进一步提高，AMDE型受电弓的AMDE1.16所示，接触网为弹性链形悬挂，使用张力14kN、截面积为65mm2的锡青铜承力索和张力为14kN、截面积为120mm2的硬铜接触线，锡青铜线弹性吊索的截面为35mm2，长度和张力分别为15m、4kN。接触网的标准跨距为63m。东南线的弓网系统在投入运行前经历了大量的试运行，并且速度也提升到了当时的世界从1991年起，性能得到优化的受电弓陆续在法国交流铁路投入使用，如Faiveley生产的GPU、CX型允许抬升空间达到了400mm，如图1.17所示。2007年4月3日，在即将开通黎——斯特拉斯堡东部线上，使用CX25型受电弓的V150试验列车最高速度达到了574.8km/h，创造了轮轨铁路速度的世界。图1.18为安装在V150试验列车上的CX25型受电弓。V150型电气列车的总功率为19600kW，使用的CX25型受电弓弓头长度为1450mm，装有一根800mm长、60mm宽的碳材料滑板，高速运行时可以集取700～800A的电流。1.17法国地中海线使用的简单链形悬挂接触网1.18安装在V150试验列车上的CX25AC25kVAC31.5～31.7kV之间。此外，变电所内还增加了电容器，以稳3德国电气化铁路采用单相AC15kV、16.67Hz电流电式。在弓网系统方面，电气列车使用了弓头几何外形最大的通用受电弓，弓头长度为1950mm。弹性尽可能均匀，就需要在悬挂点处安装Y形弹性吊索。Re160、Re200型接触网的标65m。DSA350SEK型受电弓滑板使用斜放的拉力弹簧固定，弓头悬架能够绕顶管中心自动转动，横向定运行的细微裂纹时动作，对其动作灵敏度进行了设定。ADD德国对弓网系统进行深入研究后取得了许多有价值的成果。原德国在20世纪50年始大规模修建电气化铁路时，就同步开展接触网的标准化工作，、AEG、BBC等公司联合先后开发了Re75、Re100、Re160Re200型接触网。2070年代中期，在总结上述四种标准悬挂的基础上，铁路均采用了Re250型接触网。20世纪90年代初，为应对市场的激烈竞争，又开发了Re330型高速接触网，其速度目标值可达400km/h。19916ICE250km/h。198851日，德国铁路为未来城市间开发的一列高速列车ICE/V样车在维尔茨堡——富尔达的新线区段上的试运行速度达到了406.9km/h，这也是铁路列车的运行速度第一次超过400km/h。Re250型接触网的延续性而未采用。4

1.20德国Re160～Re330接触网设年月日投入运营。电压由低向高、电源频率由非标准向工业频率（5060Hz）转换。在设计宝凤段电气化铁路供电系统时，经过反复研究比选，最终确定单相工频AC25kV为中国电气化铁路的固定电流制式。设计处，对电力机车进行了全面设计。1958年底，中国试制出第一台电力机车，即6Y1型干线电力机1.21苏制ДЖ-5型受电的拉出值一般为300mm。2008年6月24日，使用SSS400+型受电弓的CRH3型动车组在京津城际铁的运行速度达京津城际铁路的接触网采用简单链形悬挂方式，跨距约为50m，线索组合为CTMH120型接触线与JTMH120型承力索，结构高度为1.6m，标称接触线高度为5.3m，接触线和承力索的张力分别为27kN、21kN，接触网的结构如图1.22所示。1.22京津城际铁路的2009年12月9日，使用CX型受电弓的CRH3型动车组在武广高速铁的运行速度达到2010928SSS400+CRH380A型动车组在沪杭城际铁路运行试验中，最高速度达到了416.6km/h，有轨运营列车速度试验世界再次被刷新。2010123DSA380 型动车组运行速度达到了486.1km/h，运营列车双弓情况下的最高速度再次被改写弓网系统的问题与本书的内容体材料接口（第5章）及受电弓与接触网的电接触特性（第6章）等内容进行了系统介绍，使读者在充分了态评估以及运营中的技术诊断，又都离不开弓网系统的参数测量（第9章。1.22本书的内容体2本章要点单臂受电弓结构如图2.1所示。滑板托架滑板托架是安装滑板的基座，是弓头质量的主要组成部分。高速运行时，滑板托架图2.2所示的高强轻型薄壁箱形结构。托架两端弧形的弓角通常用轻合金管材制作，也可和托架一起使2.2滑板托螺栓将托架安装到弓头上，如图2.3所示。 图2.3碳滑板的安装2.4是四腕菱形双臂框架的典型结构，由前后左右四个腕臂组成。每个腕臂又分为上腕臂和下腕2.46。这种框架的特点是刚性好，但运行和制造经验表明，当框架的安装面不平或框架底座歪 2.58G型电力机车。

弓的2/3，能有效降低受电弓占用的车顶面积。图1.8为新干线0系动车组使用的PS200A型四腕交高速电气化线的AMDE型双层受电弓。2.7所示，这种传动系统的受电弓设有两种类型的主弹簧：即升弓弹簧和降弓弹簧。升弓弹簧的作用是2.7簧操作式传动系统DSA380型受电弓的升、降动作主要通过空气回路进行控制。当压缩空气进入气囊升弓机构后，使 触力、Fl（降弓时的静态接触力F0=（Fr+Fl）/2。TSI（欧洲互联互通技术规范）能量子系统建议受电弓采用的标称静态接触力为：——AC15kV和AC25kV电流电时，F0=7020——DC1.5kV电流电时，F0=9020——DC3.0kV电流电时，F0=11010N 图2.9静态接触力的允许偏差界限

2.11受电弓运行时的空气动（75～80%基本一致，需在弓头上设置合适的气流调节板。图2.12中的气流调节板安装在受电弓的弓角上。2.12安装在受电弓弓角上的导流板（需要加注和补充导流板的图受电弓的运行速度越高，气动升力、气动阻力就越大。气动升力、气动阻力与运行速度的平方成正比，即运行速度增加为原来的两倍，气动升力和气动阻力会增大为原来的四倍；运行速度增大为原来的三倍，气动升力和气动阻力会增大为原来的九倍。空气密度大，气动升力和气动阻力也越大。空气密度增大为原来的两倍，气动升力和气动阻力也增大为原来的两倍，即气动升力和气动阻力与空气密度成正比。 k

通过Mc和m垂直作用在接触线上。

etesintvte a2esint2 =（2π/T）=（2πv/l)tttt

M

a

M

2e

(2)2v2 2.13动态接触力分力（a）弓网系统的动力学模型1—接触线；2—质量m的弓头；3—刚度为K4—动态视在质量为 的框架；5—静态接触力动力学分析由式（2.2）可知，FDYN与弓头的运行方向相反，与弓头的振动加速度方向一致。FDYN正比于受电低e和（或）Mt，可以有效降低FDYN。 2.14电弓上的FF0FRFAER 当弓头向上运动时，FRFDYN方向向下，一般情况下，弓头运行到最高点时，受电弓施加在接触FminF0FRFAER 同理，当弓头向下运动时，FRFDYN方向向上，弓头运行到最低点时，受电弓施加在接触网上的FmaxF0FRFAER FmF0FAERF0k (1)Vin 280km/h通常采用图2.17所示的方法测量。2.17通过固定滑板用的绳索测量平均H在点与振点之间的动力学响应就越显著。图2.18所为DSA200型电弓的在质量数，其，1～6H主要为整架受电弓的响应范围，7～12H主要为上部框架的响应范围，而12～2H主要为弓头的响应范围。

图2.18DSA200型受电弓的视在质2.19升降操作耐久性试验（型式试验装有最大设计质量弓头的受电弓，应能承受 次从落弓位到上部工作高度的连续升降操作。安装弓头的受电弓在上述同样条件下0.1m/s的速度承受75000次连续的（如果装有阻尼器，应事先被断开横向固有频率测量（型式试验75%300N的横向力，使之偏离原来所处的横向振动试验（型式试验10%。当受电弓伸展到上部工作位置 75%时，振动台的振幅应被调整到使弓头支承轴的振动加速 f为7m/s（该值来自于公式0.7g 0，其中f0为受电弓的横向固有频率，单位Hz，且0f20g=9.8m/s2经过107次循环，受电弓的静态接触力和传动系统仍能符合技术要求。垂直振动试验（研究性试验将配有正常传动系统和与服役接触网相适应的受电弓安装在垂直方向能产生正弦振动的受电弓振动试验台上（见第9.2节，振动台的刚度至少比弓头悬架的刚度高10倍。对受电弓施加振动，从0.5Hz到10Hz时，振动频率的最大增加幅度为0.02Hz/s；从10Hz到时，振动频率的最大增加幅度为0.1Hz/s受电弓的静态接触力以及振动台输出的正弦波振幅应根据受电弓的具体情况事先确定。横向刚度试验（型式试验30mm。2.20受电弓横向刚度试每次施加力以后，受电弓不应产生永久变形。落弓保持力测量（型式试验平均抬升力测量（综合试验上所测力的总和（测量方法见第2.3.6节。在最大运行速度和两个旅行方向，且在指定的工作高度范围内，总平均抬升力应与在目标值以内。加热试验（补充型式试验30min试验应在截面积为接触线标称截面积90%的导体上进行。滑板状况“看似新的”，但应对滑板进行加工，模拟出初始磨耗状态。滑板与导体间的接触力等于标称静态接触力。试验中，滑板温度的测量应尽量靠近与导体的接触点。滑板的温度不应超过规定的数值50%的额定电流受电弓铁路的应用与发从1958年修建电气化铁路开始，到2010年高速铁路大面积投入运营为止，中国铁路受电弓的发展大致经历了低速（160km/h以下、中速（160～250km/h）和高速（250km/h以上）三个阶段。11958年仿制的6Y1型干线电力机车使用苏制ДЖ-5型受电弓，这铁路弓网系统的标志性事件。苏制ДЖ-5型受电弓弓头长2260mm，滑板1270mm，弓头轮廓如2.21所示。中国第一2.21ДЖ-5型受电弓弓头外2.2ДЖ-5型受电弓的主要参标称电压弓头长度整弓质量制出TSG1型干线电力机车受电弓，如图2.22所示。主要参数见表2.3。项 参标称电压 弓头长度 滑板长度 整弓质量 约19616Y2型干线电力机车及早期的韶山型电力机车M7型四腕菱形双臂受电弓。M7Faiveley生产，弓头和滑板长度比ДЖ-5型受电弓略小，如图2.23所示，主要参数列于表2.4。2.23M7型受电标称电压弓头长度滑板长度整弓质量19716GFaiveleyAM51UF2.242.5为其主要标称电压弓头长度整弓质量25别为2160mm、1260mm。22001121230台电力机车均使用图2.27所示的DSA200型受电弓。此型受电弓的弓头几何外形遵循国际通用受电弓标准UIC608附件4a的规定，弓头长度为1950mm，滑板长度1576mm，接触线在弓头上的往复运动范围为1030mm。DSA200型受电弓采用纯碳滑板，适合与铜或铜合金接触线相匹配。2.28DSA200型受电弓的结构尺寸参数，其他参数见表2.6。 表2.6DSA200型受电弓的主要参数标称电压整弓质量车顶，在受电弓的四臂连杆机构中充当静臂杆，同时也是传动系统、ADD及其他连杆机构的安装和连矩通过上框架作用于弓头，保证所需要的弓网接触力，同时也是ADD气路的保护通道；与碳滑板相连的腔体内部气压与碳滑板内部毛细气管气压保持一致，ADD阀不动作。2.29ADD构 ADDADD阀会通过一个节流阀不断给碳滑板内部毛细气管供气，确保其气压与气囊气压不出现引起ADD动作的差别。会出现气压失衡的允许限度，ADD阀会迅速打开通向气囊的腔体，短时间内将气囊内部的压缩空气直下，整个过程持续2s左右。ADD的压力开关能根据气压的变化产生一个电信号，列车控制系统接收到此信号后，立刻使受ADDADD工作正常，一旦打开测试阀，受题导致受电弓无法升起时，可利用该阀体临时关闭ADD，不致于因ADD的问题影响正常行车。2007年，中国铁路列车进行第六次大面积提速，高速运行的动车组普遍使用了图2.30所示的DSA250型受电弓。与DSA200型受电弓相比，DSA250型受电弓的下臂采用铝型材焊接结构型式，弓头可以选装导流项 参标称电压 弓头长度 整弓质量 约同一时期，部分电力机车也开始使用符合UIC608附件4a规定的受电弓， 2.31TSG15型受电弓的结构组成，主要参数见表2.8。表2.8TSG15型受电弓的主要参数 标称电压 弓头长度 整弓质量 约3铁路，为满足高速受流要求，当时的动车组选用了图2.32所示的SSS400+型受电弓。2.32SSS400+型受电SSS400+型受电弓弓头轮廓符合UIC608附件4a的规定，主要参数列于表2.9标称电压弓头长度整弓质量UIC608附件4a的规定，主要技术参数见及表2.10。 标称电压 约109标称电压53整弓质量CX-NG型受电弓能够根据接触网的参数和动车组的运行速度自动调整静态接触力，弓头也无需安2.36静态接触力逻辑控制电2.37根据运行需要调整静态接触FB700.58型受电Stemmann-Technik生产，主要组成如2.38所示，弓头尺寸见图2.39，弓头上面安装了一组四列浸金属碳滑板，每列滑板的剖面为35mm×22mm。此型受电弓的主要技术参数见表2.38FB700.58受电弓的组2.39FB700.58型受电弓弓2.12FB700.58型受电弓的主要技术参项参项标称电2880mm-运行电起动电1600A（最大、30秒滑板长最大电弓头长停车电运行速 8WL0296-2YD51型受电弓由 板。此型受电弓的主要技术参数见表2.13。2.138WL0296-2YD51型受电弓的主要技术项参项参运行电停车电Approx.弓头长运行速1.5mTSG18C2.14。DCDC1000V～DC310mm＋10本章要点概限越好，尽管高而宽的车辆可以装的货物、可以拉的旅客。 图3.1机车车辆上部限界图3.2双层集装箱装载上部限图3.3客货共线铁路基本建筑限 图3.4客货共线铁路基本建筑限 图3.5双层集装箱基本建筑限界（电气化区段 受电弓和接触悬挂电弓与带电部件的接触等可能出现的状况进行了假设。图3.7为IEC62128-1规定的受电弓和接触悬挂区在图3.7中，HP是所有运行条件下带电导线在轨道平面上方的最高点。接触悬挂区的范围垂直向受电弓的几何

3.7电弓与接触悬挂区型受电弓的工作范围。以落弓位置为基准，下部工作位置高度为Hmin=300mm，上部工作位置高度Hmax=2400mm，工作范围H=Hmax-Hmin=2100mm

中国高速动车组的受电弓弓头几何外形遵循UIC608（国际通用受电弓标准）附件4a的规定，外形尺寸如图3.9所示。弓头总长度为1950mm，弓头的工作范围是指弓头总长度减去至少2×200mm后所得到图3.10为SSS400+型受电弓弓头的几何外形，滑板总长度为1576mm，工作面呈现为R=10m的圆图3.10SSS400+型受电弓弓头的几何外接触网的几何

图3.11电弓的动态包络3.12链形悬挂的线3.13悬挂1—下的横向偏移会小一些。斜链形悬挂的安装和运行比较复杂。3.14链形悬挂的线（a）平面布置；（b）在支柱A上；（c）在支柱B上3.153.163.15

3.16双接3.1力等00123456789运营状态时的风速，应采用空旷地区、地面以上10m、10min自动记录的、15年发生一次的平均最大值。结的风速观测数据进行统计分析，确定50年一遇的风速最大值为基准风速。wqs式中：vw——风偏移设计风速wqs

pv2d 3.2；μs——导线风载体型系数（3.3）μz——风压高度变化系数（3.4）d—m；p——导线单位长度的风负载（kN/m3.2导线风压不均匀系计算风速 3.3导线风载体型系 3.4风压高度变化系ABCD5 3.17在pjx(lyw(x)

（N/m；Tj——接触线的张力（N。y(x)(aiai1)(lx) 式中：ai——左定位点接触线的拉出值（ai+1——右定位点接触线的拉出值（m

ey(x)y(x)pjx(lx)(aiai1)(lx) jj lTj(aiai1

ppl T(a a i 2pjl

pl

pl

jjR2(xl2yR(xR2(xl2

yl

y(x)(ai1ai)x e(x)y(x)

(x)(ai1ai)x

x(x

曲 x) (x)

(x)(ai1ai)x px(l

j jxlai1 l(1pj (1pj)l a a i 2l w 22l

ewmax e(x)y(x)

(x)

(x)(ai1ai)x

x(xli)pjx(l

xl(ai1ai

(1pj)l

l(1pj a a i 2l w 22l ewmax

(1R

pj)l 8

（3.11吊弦有着相同的垂直于铁路线的平面偏移角，如图3.19所示（图中SH为结构高度，该假设适应于结构高度大于1.4m的情况。图3.19接触线比承力索偏移大时的接触网设备倾斜偏py 侧

pCWpj

pMWpd 式中：pc——承力索单位长度风负载（N/m不同偏移产生的横向偏差为ee

eCA(pjpd)l2(

)l

cce2pd

jc c jc c 16TjTc

TcTj

3l2m3.5接触悬挂方案参——弹性吊索张力——说明，本例的风负载单位均为kN/m。3.6接触悬挂线索参外径负载ptd和吊弦单位长度风负载pdiao进行计算。p0.72251.81.2512.1v )12.284v 0.72251.81.2514v

7.5v /(16001000)14.224v/(16001000)7.6201v

0.72251.81.254.5v /(16001000)4.5721v 30～35m/sq0.5625s1.25z1.8pj0.56251.81.2512.1v )9.5634v 0.56251.81.2514v /(16001000)11.074v

0.56251.81.257.5v

/(16001000)5.9326v

pdiao0.56251.81.254.5v

/(16001000)3.5596v 30～35m/sq0.49s1.25z1.8pj0.491.81.2512.1v )8.3308v 0.491.81.2514v /(16001000)9.6469v

0.491.81.257.5v

/(16001000)5.1680v

0.491.81.254.5v /(16001000)3.1008v

2(mmm)cSH

（kN/m；（kN/m；（kN/ml——跨距（m）；N3.7均吊弦长ptd_Span ptd/annc /其中：n——一跨内吊弦的数目；m；3.8触悬挂风负载的附加2(×10-6×vmax2(×10-6×vmax2(×10-6×vmax2(×10-6×vmaxptd_000000pd_p(pTpT)/(TT16TTSH/(3ml2 j c j 3.9弦偏移引起的附加负------------pj_finalpj0.5(pd_Spanptd_Span) 3.10触线的风负20-30-pc_finalpc0.5(pd_Spanptd_Span) 3.11力索的风负风 方案 方案

max

（×10×vma

max

max l

ejmax

j_

l

j_ l

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c_

pc_finall (

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ptd_

pd_

)l

2a2(TT ocs

T (pp

)l

td_

d_计算出四种接触悬挂方案的容许风速，计算结果列于表3.12中。3.12大偏移时的容距，而张力的提高和/或跨距的缩小均可增强接触网的抗风偏能力。因此，高速接触网的跨性限值平面高度的差与跨距的千分比。如果两个相邻定位点的接触线高度分别 HA、HB，跨距 l，则接触iHAHB1000 l不003.5.5及其工作状触线抬升达到最大时，下沿的轮廓形状应能保证受电弓顺利通过。此外，的结构应能方便(a)直矩形铝合金限位（b）弯矩形铝合金限位图3.21常用的结受到的力可以分解为水平分力和垂直分力，如图3.23所示。图3.23的受力分arctan 其中：G——所受的垂直分力（N）；F——所受的水平分力（NGGGdw9.8(mjd1mjd2) ；—重量（N）； （kg/m；d2——定位点距右侧最近吊弦的距离（m；GR=0。图3.24直线区段的因接触线之字形布置受到水平力作 FF1F2T(a0a1a1 受电弓中受电弓中E受电弓图3.25曲线区段的因接触线折线布置受到水平力作F3F1F2Tcos1Tcos2T(L1L2 j

为FF3T(a1a0a1a2)T(L1L2)T(a1a0a1 j （3.33，

tan 3.26触网的锚段和锚段关直图3.28关节45m＜图3.29线区段的五跨锚段关图3.30叉式线 图3.31无交叉线岔 通在道岔区域增加辅助接触悬挂会增加投资和维修成本，接触网出现故障时需要花费的时间与精中性段（又称电分相）是一段两端都有电气分段的接触网，可以防止不压、相位或频率的连续3.34a3.34b3.34性段设计的变中性段长度图 中性段的符号表3.36短中3.37长中（条件：L′＜400m、在图3.37的布置段的长度大于互联互通列车上距离最远的两架400m3.38两端为绝缘器件的3.39断口式中性（条件：L’＞D+2l、D＜142mL+2l＜D’1、L”＞143m在图3.39的中性段布置中，中性段的总长度D小于3架连续受电弓的间隔，该间隔L”为143m间不能设置电连接。受电弓在车辆上的布置如图3.40所示3.40受电弓在车辆上的布图3.40的受电弓布置与图3.37和3.39的中性段方对于图3.36和3.38的解决方案，受电弓的布置应得到接触理部门的同意，条件是L’=L1＜400、有多条线路并行的情况下，中性段应尽量设置在紧邻馈电上网点处，避免架设过长的馈电线。典型高速铁路的弓网几德国铁路、新干线、法国交流铁路及中国铁路的弓头几何外形见 3.14表表 备 弓头总长度为1800mm，滑板长度为遵循UIC608附2的规定，弓头总长度

1450mm作长

950mm，滑板长度为

遵循UIC608附4a1950mm，工作长度为1450mm，滑板长度为1030mm德国铁路、新干线、法国交流铁路及中国高速接触网的主要几何参数见 3.15表 Re160Re200桥处为45m-50m左本章要点概接触网的弹性与弹性不（mm/N；（mm；F0——抬升力（N

e

4.1触悬挂的参跨距承力索单位长度质量接触线单位长度质量承力索张力接触线张力—弹性吊索张力—555拉出值

式中：l——跨距（m）；—接触线张力（kN）；（kN；

em

Tc

uemaxeminemax

（4.3高接触网的动态图4.2（a）为接触线初始受到受电弓抬升力P0作用时的示意图；（b）（t＝0）触线在受电弓抬升力作用后产生的沿接触线的横向初始波示意图；图（c）为t=t+△t时刻，波以4.2沿设受电弓抬升力作用下的接触线的张力为T、单位长度质量为m，长度为dx的接触线微分段的受力分析如图4.3所示。4.3触线微分段的受力分FyTsin2Tsin

yx y

1x FTy Ty

x x y 2FyxTxdxmdxt2

m2 t令Cp 2 2x2

Cp tCp

yf(xCpt 4.4单链形悬挂的受力分PP0xvt =0（t=l/vPxa、bT。设a、bFa、Fby轴方向的运动，根据牛顿第二定律，Fy

T

T

yTx

yTx

Ty Ty

Ty

x

x x

y

2x Fy dx 2x 由式（4.8）可知，受电弓施加在微分段上的作用力为P·dx=P0δሺx‐vtሻdx。微分段的质量为mdx，微分段的加速度为2y，依据牛顿第二定律得t2mdxt

2Tx2dxP0(x Cp 2t

2Cpx 2 mCpx

4.5电弓沿接触式（4.13）δ（x-vt）δ(x-vt=0)=1δ(x-vt≠0)=0特性的狄拉克三角函数，应用已

2l

sinnx0/l

（4.132y 22y2P

t Cp

ml

sinnx0/ sinnx/ y(x,t)yn(t)sin(nx/（4.15

&y&(t)C2(n/l)2y(t)(2P/ml)sin(nx/ yn(t)C1ncos(nCpt/l)C2nsin(nCpt/l)Ansin(nvt/利用边yn(0)0y&n(0)0，得出C1n=0，因而

y&(0)C(nC/l)2Pl/[m(n)2(C2v2)](nv/l)

pppp

vm(n)2(C2v2)

nCpy(x,t)m2(C2v2)n2 p

T/需要特别说明的是，在式Cp 中，T包含了承力索张力Tc和接触线张力Tj，mT/mC （m/s）或 m 触线的波动速度Cp=158m/s，相当于569km/h。波动速在式（4.21）中，Cp为波沿接触线的速度，即单位时间内波沿接触线的距离接触线的波动速度是弓网系统电能传输的物理限量。受电弓运行速度v与接触线波动速度Cp的差距不同，接触线的挠曲程度也不同。图4.6是三种情况下接触线挠曲状态的示意图：（a）是将三种情（b曲状态。P为抬升力的作用点。曲线（b：v<Cp时，波在P的前后没有较为明显的改变，只是由于阻尼作用，P右方的振幅有一定程度的衰减，P对接触线应力和弓网接触质量几乎不产生影响。曲线（c）：vCpv趋近Cp时，波在P（衰减），此时，P对接触线（d：v=Cp行速度与波动速度的关系可表示为vmax （km/h； 4.7遇到集中质在图4.7中，集中质量M刚性地固定在接触线的x=x0处，沿着接触线的横波在x0处遇到M出现反射和透射，一部分波通过M后继续前进，一部分波则被反射，波动能量引起M振动，振幅用y0(t)表示，即y0(t)是波动作用的结果。用f1(x0-Cpt)和f2(x0+Cpt)分别表示M左边和右边的波，则y0(t)y(x0,t)f1(x0Cpt)f2(x0 接触线上反射被激发，反射波与到达的波相反。接触线波的反射在数学上通过引入边界条件y(x0,t)2mt

2Tx2q(x,在x=x0时，与接触线相连接的集中质量M对入射波形成干扰性反射。从左边到达的波为y0(t)=f(x0-Cpt)MPr(t)，该力从相反方向作用在接触线上，接触线在x=x0点的速度达到y&r(t)Pr(t)/(2mCp

yr(t)y(t)y0yt(t(xx0)/Cp)y0(t(xx0)/Cp)yr(t(xx0)/Cp

y(t) yˆ0(1)(122)ejtM/(2mCp

yr(t)y(t)y0

Pr(t)2mCp&r(t)yˆM2(1j)/(122)e 0 ryˆ/yˆ(j)/(122 0由式（4.30）可知，低频时的反作用力Pr(t)的振幅等于yˆM2。频率较高时，该振幅应为04.8（a GBA—基波；NA—传输波；EF和EA—二次波；NZ—吊弦线也增添了一Pj2mjCjy&y&0)。此外，由于吊弦的质量而出现惯性力M&y&。吊

Tc/Tj/ 其中，Cc 和Cj 相同的类型。对于入射的正弦波y(tTc/Tj/ y(t)2m cj yr(t)y(t)y0(t)(2mccMj)/(2(mccm

Tcmc r

mcCcmjC

加速度为g，吊弦上的初始张力为mjgl，在以下条件成立时，吊弦会出现松弛现象。(mcCcmjCj)y&mjCjy&0mj 合并，并假设吊弦质量 时，反射系数就小。图4.8显示了吊弦NZ是如何对入射的波进行反射的，其中方波P·△t使接触线产生系数为r=0.4的直线波前GA，同时显示了这种波在接触线和承力索中的。吊弦NZ的抬升在吊弦右对称向左移动，在接触线中反射波EF将叠加到进入的波前GA上，导致接触线BN段的坡度变陡。波前NABAEAEFy&P/2m

j 1yr＝r∙y0朝着受电弓前进，并迫y&1y'(Cv)&0r(Cpv)/(Cp P2mCy&P j 0(Cpv)/(Cp 为r/α，比值r/α称为放大系数，常用γ表示

Mev驶向非连续点，虽然与接触线接触，但不对接触线施加任何力。在通过量带到接触线上。此过程往返重复，直到受电弓到达xr。从图4.9可以看出，如果γ＞1，每续力的增加都大于初始力，系统的振幅在受电弓到达xr之前不断增加。相反，如果γ＜1，则连续力变化就会减弱，接触线的振动逐渐变缓和。γ=1时，振幅4.91kg的质量块以接触力P压向具有P0的接触线上多普勒系数а是运行速度v的函数，如果将γ=1时的速度定义为限定速度va，则v低于va时

r(Cpva)CpvCp(1r)/(1

rr Tcmc则vCp/(12Tcmc/Tjmj C2Tj j图4.9中的xr点为非连续点，入射波被全部反射，而实际运用的接触网避免了此种情况的出现，放在v=350km/h时，可以计算出α=0.210、γ=2.209。振动次数又称振动频率，用Hz来表示。在5s内振动一次接触网可能需要非常大的外部激振力，如果把振动频率提高到1Hz左右，用很小的4.104.10接触线受到激振时的形式，振动波节（振幅为0的点）位于对称铀上；若是跨数为偶数的链形悬挂，对称轴在定位点处。fC(TcTj(TcTj)/(mcmj(TcTj)(TcTj)/(mcmj2

2l

2l悬挂接触网而言，依据式（4.46）和式（4.47）计算出的固有频率f1f2分别为1.50Hz1.36Hz。表4.3中的参数值为京津城际、武广高速和高速接触网的动态特性参数，波动速度介于4.3接触网的动态特性参数波动速度无量纲系数多普勒系数反射系数放大系数限定速度固有频率——武——武——京——武——京多普勒多普勒系放大系 运行速度4.11多普勒系数α和放大系弓网动态相互作用的性接触线的动态抬升可由式（4.20）进行计算。在式（4.20）中，第一项和第二项均含有f(,) (1/n2)sinn

4.12接触线变形后的状态（图中符号需要改

P0 p m2(C2v2p

Kfx,vt

c Kvf x, tc 4.13作图法求解动态抬升（图中符号需要改x2l 即v 2l对于式（4.48）来说，假设v=βCp，则 P l 2

第2章已对弓网接触力作过介绍，这里需要着重强调的是，弓网接触力为受电弓施加在接触网上的垂直力。对于运行中的弓网系统，由于惯性力FDYN的存在，弓网接触力与接触网反作用于受电弓的力FDYN的矢量和。FR与受电弓弓头运动方向相反，FDYN与弓头运行加速度方向相同。在弓网系统运行过触力则呈现为最大值Fmax。可见，弓网接触力为电气列车运行速度的函数，应维持在Fmin和Fmax之间，并围绕着受电弓的平均抬升力Fm=F0+k·v2波动。——接触力统计最小值Fm-Fm((xiFn

x 式中：xi——接触力的采样值，i=1、2、…、触力平均值Fm、标准偏差σ以及接触力的概率分布。也可用标准偏差作为评价弓网接触性能的标准：4.14三种接触力概率的正态分布（纵坐标箭头4.15所示的标准正态分布Fm3Fm

4.15接触力概率的标准正态分m95.44%的接触力数值在F2Fm2之m4.16弓网接触力的动态范围与速度的关围，这也相应改善了受电弓的动态性能。需要着重的是，当运行速度提高时，Fm3的值不应接量进行评价。燃弧率NQ可用下式进行计算NQtarc 时，燃弧率不应超过0.1%；高速运行时，燃弧率不应超过0.2%。同时集流的两架受电弓不设电气连接，且两架受电弓的距离介于200～400m之间。500500受电弓运行位置0电弓运行位置弓网接触力弓网接触力0弓网接触力弓网接触力084.17双弓情况下的弓网接触m10M1010kN5m.m30mhSSS400+293N415N，最小值85N8N。标准偏差也有显著不同，分别31N59N。可见，前200km/h240m350km/h。弓网动态相互作用的测10N（所有力传感器的总和，测量系统的最大误差应小于10%。测量系统对弓网接触力的改变不应超过5%。 n ( (fnf1)i1Fapplied——弓头上施加的激振力（N）；（Hz，i=1，2，…，n

误差应小于10%的要求一致。为实现这一目标，可以采用滤波器对测量结果进行修正。测量系统的采样频率应大于200Hz，或使采样点的间隔小于0.40m——对直流受电弓，从0N～700N位移带来改变，这种改变不得大于被测位移量的3%。220nm～225nm323nm～329nm。为了保证电弧的准确测量，测量系统应免疫于波长大于330nm的可见光的影响。

——通过下式确定新的功率密度阈值（xd）与新的距离（d）的关

dxdxy

速度的误差在±2.5km/h以内。常规值是5ms。弓网动态相互作用的仿包含10跨接触网；——接触力标准偏差14.4仿真值的偏参 接触力的标准偏差 2如果仿真速度超过了确认速度，且增加的值在被确认模型的接触线波动速度的5%以内，这种14.8给定的范围之内，则可以使用测量值对该仿真方法进行24.19受电弓模4.5受电弓数刚度（N————为使静态接触力等于120N，应对质量m2施加一个恒定的力接触网数据接触网为一支接触线的链形悬挂系统。该模型由10个相同的跨组成，如图4.20所示。4.20悬挂系4.6吊弦位1234567894.7线索机械参——关注频率范围为0Hz～20Hz34.8参考模型的结果范-00本章要点概接触材料的1线加以表示。这种曲线因材料的组成、组织不同而有所不同，大体上可分为图5.1所示的五种类型。5.1几类材料的应力与应变曲线示意低碳钢，见图5.1（a）]。裂[如铸铁，见图5.1（b）]。5.1（b）]。再次增加而断裂[如硬而粘性大的塑料，见图5.1（c）]。断裂[如软质橡胶，见图5.1（c）]。 征物体变形的难易程度，用E（Pa）表示，即E2(/2)D(DD(/2)D(DD2d2 其中—作用载荷（N； HB （mm；mm需要使用不同载荷的锥进行压痕。图5.2是上述三种硬度测试方法的示意图。3

5.2三种测试硬度方法的示意4（Ω·m

RS

接近于零；导体的ρ为10-8～10-5Ω·m；半导体的ρ为10-5～107Ω·m；绝缘体的ρ为107～1020Ω·m5.1几种材料的电阻银5.2.3J/（kg·K5.2几种材料的比热容铝铜银碳（1/K，积变化量的体膨胀系数。表5.3为部分材料的线膨胀系数。5.3部分材料的线膨胀系数铁铜热能力的常数，称为热导率或导热系数，单位W/（m·K，即单位时间内在1K温差的1m3或1cm3正5.4列出了一些材料的在常温下的热导率，显然，与5.4几种材料的热导率热导率铜铝碳子互相的频度增加，并变得难以活动，金属的热导率λ因而随温度升高而下降。金属内的杂质会妨碍自由电子的运动，减少传导作用，所以，合金的热导率明显变小，约相当于母相金属的15%～70%。5.5几种材料材耐热性是材料应用中的重要性质，材料的可反映材料的耐热性。材料熔焊时的温度称为，一般情况下，材料结构中的分子间作用力越大，就越高。表5.5几种材料材滑

石 5.3粉末冶金滑板外形（单位5.6粉末冶金滑板结构尺I IIL1（mm）

0

05.7粉末冶金滑板的机械及电性能要—5.3.3观、密度和等也不同。温条件下，碳能与许多金属反应，生成金属碳化物。碳具有还原性，在高温下可以冶炼金属。2%以下，达到封孔和防水5.8碳滑板应满足的机械与电性能要制托架上，制成一列整体碳滑板。图5.4为一种高速受电弓的整体碳滑板。5.4整体碳滑浸金属碳滑板的制造方法为：将碳素粉料模成胚料碳基条，送入高温培烧炉后按照一定的升温5.9浸金属碳滑板的机械与电性能要接触以（u（Ag、锡））（Cu（CuAg）（）1：110mm2铜接触线为示例4：120mm2铜镁合金[ω（Mg）=0.2%]接触线为示例6：150mm2铜锡合金接触线为CTS150。5.10铜与铜合金接触线化学主成分材OP其他————CTA、余————余————余————余—————5.5接触线截面形状及合金识别沟规 面积

+4%～-

度2纯度大于99.9%的电解铜为原料，经连铸—轧制—拉拔成线材后不经退火处理而直接使用的接触线。具有非常好的效果，同等合金含量的铜锡接触线的使用约是铜银接触线的1.2倍，但铜锡接触线的5.12铜与铜合金接触线的导电率与抗注：IACS（IACS—InternationalAnnealedCopperStandard）用于表征金属或合金的导电率（参比于标准退火纯铜。规定标准退业纯铜的导电率为100%IACS，即电导率为58.5×106（1/Ω·m）。18~24mm的铜杆拉制而成的，此材料连续通过5.6所示。这就将几乎是圆形的材料微结构拉拔成长形，最后排列为与导线拉伸方向一致的5.6铜或铜合金杆拉拨成接触微结构称之为再结晶，并伴随着丧失冷拔接触线的全部典型物理特性。图5.7示出了再结晶对Cu、5.7温度对接触线抗拉强度率约为46％IACS中国改进生产的CGLN-250铝包钢接触线和研制开发的TA-196铝包钢接触线的抗655MPa60.2％IACS493MPa81.1％IACS300km/h的高速接触网中应用（CS的铜复比约为60％，CSD的铜复比为80％左右。铜复比为铜与复合导线截面积（插入图滑板与接触线的材料10倍。如果碳滑板和金属滑板在同5.8200N，直流区段的接触线约3年更换一次。5.8意大利高速电气列车牵引单元上的受电 图5.9流磨擦磨损

速度为图5.12CuMg0.5合金接触线根据速度变化的磨损率，接触力为250N，电流图5.10为CuAg0.1合金接触线和CuMg0.5合金接触线的磨损情况比较。可以得出这样的结论：由 图 接触线的磨损本章要点概弓网静态电 图6.1电接触形式6.2所示。即使有很6.3 图6.2滑板与接触线接触斑 图6.3电流经过导电斑

R Re2 R12

式中：Rce——单个导电斑点的收缩电阻（Ω R——膜电阻（ 、——分别为滑板和接触线的电阻率（Ω·m； 1 R1 的硬度，定义接触硬度H为HF n（N/m2；F——弓网接触力（N

S——接触面积（m2

HaH（6.5R1 1 HR1 1H

或浸金属碳等，部分滑板材料电阻率如表所示。接触网主要使用铜或铜合金材料的接触线，铜或铜合金接触线的导电率及电阻率如表6.1部分滑板电阻1列、24列断面为矩形的滑板，滑板表面基本为平面。新安装及较少使用的6.4为文献[21]计算出的接触电阻与接触点数目的关系曲线，表明收缩电阻与接触斑点数目不呈864收缩收缩电 接触面内的接触斑点数目6.4收缩电阻与接触斑点数目的关6.5所示的最佳值，弓网电电气磨损为主机械磨损为6.5磨耗BvF的关将式（6.8）的Rc代入式（6.10）式中：——导电斑点的接触温升（K；

U2(IR ()2HI ——接触材料的热导率与电阻率乘积的平均值（V2/K弓网静态电接触6.6为使用了CY280型滑板的弓头与刚性接触网的静态电接触试验接线和温度测量板与接触线的接触力可以调整，试验电流可以精确设定。接触线的容许温度为150℃。 6.6弓网静态电接触试接触线的型号为CTA120，物理机械性能如表6.4所示。6.3CY280型滑板的物理机械性型

接触点的距离均为5mm。160N150A、180A、240A、220A时，1#、3#、5#、7#、9#测温点的温度—时间关系如图6.7所示。电流 220A、不同接触力时的接触点温度—时间关220A图6.8所示。温度温度触力分别为90N、120N时，1＃、2＃、3＃、4＃测温点的温度变化如图6.10所示。6.9无汇流排的接触线与滑板的静态电接触试温度温度温度温度由图6.7可知，试验电流接通一段时间后，5＃测温点的温度趋于平稳，但1＃、3＃、7＃、9#测温点试验电流时，7＃测温点的温度—时间关系如图6.11所示。温度6.1120min内，试验电流越大，7＃测温点的温度上升速度就越快，而达到了151.4℃。温度6.11不同试验电流时，7＃测温点的温度—时间关温度趋于平稳，而1＃、3＃、7＃、9#测温点的温度却出现波动。406080100120140406080100120140160180时间(分钟温度时间（分钟温度6.12接触力改变时，7＃测温点的温度—时间时间（分钟温度6.13接触力改变时，8＃测温点的温度—时间关系60N～120N范围内变化时，接触点温度—时间关系基本趋势相同，——由结论（1）和式（68）可知，接触力在60N～120N范围内变化时，接触斑点数目n与接触力F之积为常数。说明接触力虽然增加，但滑板与接触线的接触斑点数目却在减少。也可以理解为，较大614，这种现象持续的时间较短（从几秒到几十秒，试验电流越大，出现此类现象的概率越高。图6.14接触斑点熔焊现 图6.15滑板表面的烧灼痕

Rc 2221222

SS

()2I 2128

将RS代入式（6.15）

Iq

q1282(12)2 =150A约为130K。取接触线的电阻率1=0.01777×10-6Ω·m、滑板电阻率2=35×10-6Ω·m，接触线和滑板材料的热导率分别为1=380W/m·K、2=160W/m·K，则11 （6.12（6.14（6.16接触区域等效面积S=0.93×10-6m2、热流密度q=68.8×106W/m2。弓网滑动电6.1节分析了滑板与接触线稳定状态下接触区域内的温度及其分布问题，并进行了接触力—接触研究弓网暂态热效应的目的在于防止因电气列车起动或短路电流引起的焦使弓网接触区域的（的建后扰变间松时因以度大础起种快速高强度的瞬态热传导过程将在第6.5节讨论。6.60的半无限大物体，在时间τ>02a x

T(x,

x

q(

T(x,

0 d2T(x; T(x;p) dT(x;dT(x;p)

q(x x

T(x;p) limT(xp有界，所以C2=0C2

x（x;p）=C1

C1q(p)q(p) q( T(x;p) pa pa

]eT(x,)1q(,或

xd e (,a a

T(x,)

0

,

4a

当热流密度T(x,)或

x(,e4a((,axa

T(x,)

e4a,d

x a

q T(x,)

e4a0erfc(

式（6.20）可以看出，温度分布函数T(x,是作用时间τ、距离研究点x这两个变量的函数。 6m2/s温度分布如图6.17所示。 图6.16焦源静止不动时的热过起动电生的弓网暂态热效 2826242220010

10203040506070809010V

102030405060708090图6.18SS1型电力机车的取流特 图6.19SS3型电力机车的取流特电气列车起动时的暂态热过程如图6.20所示。当列车从O点起步时，弓网接触点引起的焦源以速vOM点移动，热扰动导M点的温度开始上升，这种温度上升过程直到热源到N点时停止，因为热源越过N点以后，热扰动对M点的影响已经可以忽略不计了。6.20热源移动时的暂态热过

S1a假设O点距离M点为S0，列车起动加速度为a，则热源与M点的距离

1

(S00

a 020

S0

S0 T(x,)

e 4 式（6.21）中，电气列车起动a为常数，S0及τ可从6.17中选S0=0.5×10-3m，M点的温度。不同起动电流时，M6.21～6.23中。线的表面温度仅为40℃；小起动加速度为0.005m/s2时，接触点温度达到了160℃，超过了铜接触线容许温度150℃；3为，所到最度同当加依为0、.20150052时弓触最高温度分别达到 和1200℃。电气列车起动加速度最小时，接触点的最高温度超过了铜接触线。短路电生的弓网暂态热效1700A～4500A1700A时，利用式（6.20）计算出的接触点温度分布如图6.24所示。6.241700A1×10-2、2×10-2、3×10-24×10-2s时，接触的地方表示温度最高。此幅红外热成像图形中的滑板局部最高温度接近200℃。6.25滑板发热现弓网可分合电12～20V，则在触头间隙中通常会产生一团温度极高、发出强光且能够导电的近似圆柱形的气体——减小