高速列车受电弓的优化设计

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，

m1YH+C1+（YH-YE）+Bhsign（YH-YE）+k1（YH-YE-YHEO）+m1g+FC=0 其中，m1，

k1，C1，Bh分别为弓头质量、刚度、阻尼与干摩擦。FC，YHEO为弓网间的接触

力与弹簧原长。最终得到的受电弓的弓头归算质量m1与弓头阻尼c1为固定值，结果m1=7.4kg，k1=6913.6N/m，c1=9.2N·s/m。通过实验可得受电弓框架归算质

量与框架阻尼随升弓高度变化而变化。

3 受电弓优化设计

接触悬挂属于空机械系统，当其受到外界绕动力时，会产生一系列周期性的

振动。在受电弓与接触网组成的振动系统中，振动的幅度与频率会受到接触线高度、吊弦距离等因素的制约，振动波的传播也会受到接触网本身结构的多次反射，这样其振动的情况就非常复杂。对于弓网接触系统而言，其间的接触压力变化幅

度越小，变化率越低，这样动态受流质量越高，反之则质量会变差。若其接触压

力过大，其导线和滑板磨耗加剧，寿命缩短。而压力过小或趋近于零，弓网的接

触不良，容易造成离线，甚至会使拉弧、烧毁接触线、滑板情况的产生，这就会

使受流性能产生恶性循环。在低速线路上，受电弓滑板与接触线的接触比较平稳，这样得到的正常受流一般困难不大。而高速线路，受电弓的垂直振动量加剧，接

触线的抬升量会加大，受电弓与接触线会发生与自己固有性能相关的振动，这样

非常容易造成接触线与受电弓机械脱开，使动态受流遭到破坏、恶化。通过对其

接触力不均与系数分析能够得出每个参数都会对接触力的波动产生影响，所以在

进行弓网系统设计时可以根据需要进行参数的选取，这样能够提升弓网系统的受

流质量，也能够将成本降低。受电弓的质量参数不能过小，受电弓的五个状态中，弓头、框架归算质量固定后将其余参数进行优化，这样可以使接触力更均匀，能

够保证高速电力机车的受流条件良好。当弓头质量固定为9.1kg，框架质量为

19.04kg时，可得出其参数k1=8000N/m，c1=60N·s/m，c2=130N·s/m。

4 结束语

高速列车的空气阻力和车速会受到受电弓的影响，而且受电弓会使列车的电

力供应产生影响，所以对受电弓进行优化非常重要，通过建立模型分析相关测试

参数可以得出其最佳弓头刚度、弓头阻尼与框架阻尼，提升弓网系统的受流质量，进而降低列车空气阻力，这对于高速列车的发展具有积极的意义。

参考文献：

[1]张亮，张继业，李田，et al.高速列车不同位置受电弓非定常气动特性研究[J].机械工程学报，2017，53（12）：147-155.

[2]董继蕾，沈火明.高速列车车顶受电弓气动噪声仿真研究[J].四川理工学院学报：自然科学版，2016，29（2）：56-60.

[3]邱星慧，杨建伟.基于GO法的高速动车组受电弓系统可靠性评估[J].北京建

筑工程学院学报，2016，32（4）：47-51.