第13讲 受电弓及弓网系统的耦合与设计

（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
受电弓归算质量
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接触网
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弓网受流
受电弓 ◇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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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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
一、受电弓的基本构成和术语
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（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.
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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。
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五 高速弓网的耦合关系
几何耦合
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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。
受电弓及弓网系统的耦合和设计
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四
弓网系统复杂性
(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。
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五 高速弓网的耦合关系
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◇ 几何耦合（基础） ◇ 电气耦合（核心）
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
弓网耦合
◇ 机械耦合（关键）
◇ 材料耦合（保障） 弓和网的材料匹配关系
受电弓及弓网系统的耦合和设计
五 高速弓网的耦合关系
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
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2 受电弓简介
弓头
基本要求： 上下走直线
弓头不偏摆
静态接触恒定
框架
动力学性能基本要求
升降弓装置
单臂受电弓
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
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2 单臂受电弓的基本结构
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受电弓及弓网系统的耦合和设计
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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
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三、弓网的系统性
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几何
受电弓 接触网 弓网系统图
电气 机械 材料
弓网耦合因素图
弓网间的多重耦合---弓与网的主次
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三、弓网的系统性
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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。
以及以上多种运动机理的复合作用 ◇动态受电弓与动态接触线间的动摩擦。
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四
弓网系统复杂性
(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
（1）弓头结构 弓头的悬挂形式
滑板形式 单滑板 整体双滑板 分体双滑板
圆弹簧 —直线作用 —斜线作用 板簧 橡胶 —直线作用 —扭转作用
三元与二元的区别？
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二 受电弓简介
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辅助滑板受电弓
启动电流大
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二 受电弓简介 1 高速受流对受电弓的要求
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质量轻
2 受电弓简介
稳定
上下走直线
左右不摇摆
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
受电弓的性能表征
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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
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受电弓性能优化
优化目标：
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（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；
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受电弓形式与发展
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1889年德国受电弓
500系 T型受电弓
双臂受电弓TPS203
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受电弓形式与发展
单臂受电弓
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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)
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一、受电弓的基本构成和术语
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(2)弓头悬挂结构
弓头悬挂结构
受电弓及弓网系统的耦合和设计
一、受电弓的基本构成和术语 (3) 框架 (4) 底架 (5) 传动机构
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框架结构简图 升弓机构
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(3) 拉出值与受电弓有效工作长度
受电弓静受电弓的弓头轮廓 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。
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；
中国300km/h受电弓
上臂：铝型材。 设计速度 300 km/h 落弓位伸展长度 2640 mm 最大升弓高度（包括绝缘子） 3000 mm 落弓位高度（包括绝缘子） 588 mm 弓头长度 1950 mm 额定电压 25 kV 额定电流 1000 A 接触压力 70 ~120 N（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
作用相当！
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4 弓网受流对滑板的技术要求
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(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；
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四
弓网系统复杂性
◇“震动”源有五个： 轮轨作用 ◇ 简单抽象地看，过程很简单! 机车自身 受电弓与车体的联体 ◇ 深入了解后，实际很复杂! 风引起的受电弓震动 受电弓摩擦接触线引起的震动； ◇原因： ◇“碰撞”源有两个： (1) 接触过程复杂： 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 复杂震动! 理碰撞”。 受电弓与可能不完好不匹配的接 复杂碰撞! 触线之间存在的因对向震动波引起的 随机“非合理碰撞”。 滑动摩擦!
(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
三、弓网受流的系统性
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
受电弓及弓网系统的耦合和设计
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◇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 ◇ 简单抽象地看，过程很简单! 工程构造结构，先进的工程设备(含 ◇ 深入了解后，实际很复杂! 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 ◇原因： 业时间与作业空间等），先进的工 是一个大系统耦合条件下的弓网系统； 法、工艺，先进的检测和试验技术 是一个试验性科学技术综合性系统： 等软要素。
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一、受电弓的基本构成和术语
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(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。