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1、4 接触网受流理论,牵引供电系统,接触点（纽带）,固定设备,移动设备,机械作用,电气作用,电能传输！,两个振动子系统,小接触面传输大电流,摩擦磨损,（接触压力与抬升）,（接触电阻与燃弧）,（机械摩擦与电气磨损）,运行可靠性,接触质量,运行寿命,材料匹配,弓网系统的核心问题,1. 弓网系统综述,2. 弓网系统的振动特性,3. 弓网系统的电接触特性,4. 弓网系统的摩擦磨损,主要内容,1 弓网系统综述,高速电气化铁路必须具有的三大要素 具有很高强度的铁路线路及轨道 具有能适应高速铁路速度性能的机车和车辆 具有能适应高速运行条件的接触网及与之相匹配的受电弓,高速受流： 是指高速运行中的受电弓通过与接
2、触线的滑动接触获得电能并传给电力机车的过程。,弓网系统综述,1879年，柏林，第一辆电力机车，300m环形线路，DC150V，西门子,弓网系统综述,1889年，弓状电流集电器，西门子,弓网系统综述,新干线于1964年10月1日，东京奥运前夕开始通车营运，第一条路线是连结东京与新大阪之间的东海道新干线,弓网系统综述,PS200A型受电弓,双臂菱形下臂交叉弹簧上升空气下降铜基粉末冶金滑板,弓网系统综述,带弹性组合吊弦的复链形接触网,弹性均匀，能满足210km/h受流需要振幅较大，侧风时受流恶化,镉铜线80mm2,镉铜线60mm2,硬铜线110mm2,导高:5000mm,弓网系统综述,日本受电弓的发
3、展,PS200A,0系动车组,双臂,铜基粉末冶金滑板,PS201,受电弓,200系动车组,双臂,铜基粉末冶金滑板,PS202,100系动车组,双臂,铜基粉末冶金滑板,TPS203,300系动车组,双臂,浸金属碳滑板,TPS301,700系动车组, Z型弓,弓网系统综述,承力索：St180 24.5kN,辅助承力索：Cu150 11.8kN,接触线：GT170 17.6kN,Max:50m,1500mm,日本接触网,弓网系统综述,承力索：Cu150 19.6kN,接触线：CS110 19.6kN,Max:50m,950mm,日本接触网,弓网系统综述,2007年4月3日，TGV，法国东部线，574
4、.8km/h,弓网系统综述,法国受电弓的发展,AMDE,东南线,最高速度380km/h。Z型子母弓,碳滑板,GPU,受电弓,大西洋线,最高速度515.3km/h。单层Z型弓,碳滑板(也可使用金属滑板),CX,东部线,最高速度574.8km/h。碳滑板,弓网系统综述,东南高速线(1981)速度= 270km/h承力索:锡青铜65mm2,14kN接触线:Cu120,15kN导高:5080,大西洋高速(1989)欧洲北部高速(1993)速度= 300km/h承力索:锡青铜65mm2,14kN接触线:Cu150mm2,20kN,地中海高速(2001)速度= 350km/h承力索:锡青铜116mm2,2
5、0kN接触线:铜合金150mm2,25kN,法国接触网,弓网系统综述,德国受电弓的发展,SBS65,Re160、Re200接触网时使用,碳滑板,DSA350S,受电弓,三元弓,最高速度350km/h，碳滑板,DSA350SEK,标准受电弓，碳滑板,SSS400+,标准受电弓，SSS87改进型，碳滑板,弓网系统综述,德国接触网,弓网系统综述,1961年8月15日，中国，宝凤段电气化铁路开通,接触网接触线TCG100承力索Cu90或Tj70,受电弓-5型，双臂,弓网系统综述,2008年6月24日，CRH3，京津城际客运专线，394.3km/h,中国铁路受电弓,-5(苏)(6Y1),Q3,TSG1(
6、1978),AM51UF(8K),TSG3(1993),DSA系列(200、250)(Stemmann-Technik),8WL0系列(6YH69、SSS400+)(Siemens+Schunk),受电弓,LV-2600(6K),M7(6Y2),AM51BU(6G),TSG15/19,弓网系统综述,中国铁路受电弓,弓网系统综述,DSA200,CED180,WBL88,DSA250,中国铁路受电弓,弓网系统综述,8WL0 127-6YH69型受电弓(TSG15),弓网系统综述,SSS400+型受电弓(TSG19),优化了框架动力学性能、良好的动力学性能、降低收弓高度、双向运行。运行速度350km
7、/h,弓网系统综述,安装在高速动车组上的SSS400+型受电弓,弓网系统综述,弓网系统综述,固定设备与移动设备联系的纽带,弓网系统综述,弓网关系评价指标,评价,相互作用,动态耦合,评价,评价,移动设备,固定设备,接触点,弓网系统综述,评价弓网关系的指标,运行可靠性,接触质量,运行寿命,接触线抬升,接触线横向位置,静态接触电阻,弓网系统电弧,机械摩擦,电气磨损,三方面,（受流质量）,弓网振动,小接触面传输大电流,受流摩擦磨损,（磨耗）,弓网系统综述,弓网系统通过不间断的机械、电气接触向电动列车供电，在满足一定的经济、技术条件下，供电可靠性、接触(受流)质量及弓网系统的运行寿命依赖于受电弓和接触网
8、的设计、安装（施工）、运行维护方案及其大量参数的选取,研究弓网系统的最终目的,弓网系统综述,弓网系统是一个整体，研究接触网离不开受电弓，研究受电弓离不开接触网,研究弓网系统的方法,不同速度段的弓网系统，要解决的问题也不尽相同,高速受流技术的质量性能指标,(1）接触网悬挂的弹性和弹性系数 (x)=y(x)p p 抬升力 y (x) 由抬生力p在x处引起的升高（mm） (x) 接触线在x处的弹性值（mm/N） 德国国铁对不同悬挂所允许的弹性和不均匀度值,为了减小弹性的差异，必须尽量使跨距中部和悬挂点处的弹性均匀一致，一般采用弹性链型悬挂。弹性吊索的长度对悬挂点处的弹性有较大影响，一般为1218m。
9、加大悬挂的综合张力，会改善悬挂弹性的均匀程度，但是实践证明，增加承力索的张力对悬挂点处的弹性影响较小，然而，将接触线的张力从10KN增加到15KN，悬挂点处的弹性系数减小1520。,高速受流技术的质量性能指标,(2)弓线间的接触压力 它是评价与控制受流质量的重要条件。理论研究证明: 对于接触悬挂受电弓系统而言, 其间的接触压力变化幅度越小、变化率越低， 则动态受流质量越好；反之， 则变坏。 1)标准偏差值(标准偏差值曲线如下图) 2)接触压力的平均值： 3)接触压力不均匀系数：,高速受流技术的质量性能指标,(3)受电弓的归算质量与最大振幅 1)受电弓的最大振幅 2e=Hmax-Hmin 通常情
10、况下，e值控制在150mm的范围内。 2)受电弓的归算质量 归算质量越小，受电弓的追随性越好，其运行轨迹越平缓。国外控制在825kg之内，我国TSG1型受电弓的归算质量42kg(4)离线率及持续时间 离线是衡量高速受流的重要方面和重要指标,这个指标可以从一下三个方面考虑. 限定时间或限定距离的离线次数； 一次离线的时间；（0.1-0.6ms) 离线率。(200km/h以上时控制在5）,高速受流技术的质量性能指标,(5)接触线平均抬升量及最大抬升量 静态抬升量 振动抬升量 动态抬升量 一般情况下控制在100150mm范围内，最大不超过200mm。(6) 接触线磨耗比与导线寿命 磨耗：电气磨耗、化
11、学磨耗、机械磨耗。 磨耗比 接触线通过万架弓次后，被磨去的横截面 称为磨耗比。 接触线寿命 寿命的直接原因是磨耗及导线疲劳。 TCG100 寿命2530年 Ris120 200万弓架次 约30年,高速受流技术的质量性能指标,2. 弓网系统的振动特性,任何一个可以用时间的周期函数描述的物理量,都称之为振动,力学系统能维持振动，必须具有弹性和惯性。由于弹性，系统偏离其平衡位置时，会产生回复力，促使系统返回原来位置；由于惯性，系统在返回平衡位置的过程中积累了动能，从而使系统越过平衡位置向另一侧运动。正是由于弹性和惯性的相互影响，才造成系统的振动,描述振动的量：位移、速度、加速度等,弓网系统的振动为随
12、机振动只能用数理统计的方法加以研究,2. 弓网系统的振动特性,接触网包括接触线、承力索、吊弦、定位器以及其它零件，既有均布质量，又有集中质量，是一个非常复杂的振动系统,2. 弓网系统的振动特性,与接触网弹性有关的因素,接触网的弹性（单位垂直作用力引起的接触线抬升)与跨距成正比，与接触线和承力索的张力之和成反比 弹性沿跨距的一致性用接触网的弹性不均匀程度表示 弹性及弹性不均匀度与接触线截面、线索张力、接触网跨距、结构高度、预弛度及有无弹性吊索有关，与接触网施工精度有关,2. 弓网系统的振动特性,接触网的弹性,弹性曲线,平均弹性,弹性=抬升量/抬升力,平均弹性,弹性不均匀系数,相对弹性,2. 弓网
13、系统的振动特性,接触网的弹性比较,反定位装置,正定位装置,跨距中心,2. 弓网系统的振动特性,吊弦处,弹性 mm/N,Spt,1,2,3,4,5,6,7,Spt,emax,Re 2500,54 mm/N,Re 3300,39 mm/N,低的弹性 emax,弹性和不均匀性,吊弦处,Spt,1,2,3,4,5,6,7,Spt,emax,Re 25010 %,Re 3308 %,emin,emin,低的不均匀性u,弹性 mm/N,u = (emax- emin) / (emax+ emin) * 100 %,2. 弓网系统的振动特性,两自由度模型,2. 弓网系统的振动特性,当受电弓与接触网接触并高速
14、运行时，受电弓弹簧系统的振动、车体的振动以及风力等因素均参与作用，受电弓弓头在上下、左右、前后三个方向产生运动,接触力将弓与网联系在一起,2. 弓网系统的振动特性,弓网接触力连接两个机械系统（接触网和受电弓），这两部分均能振荡并且具有各种不同的质量模块、弹性系数、衰减系数和自然频率。由于接触网具有弹性、在受电弓作用到接触网上时就使接触线有一定的抬升量。实际上，沿接触线锚段变化的弹性导致受电弓周期性上下运动，这种运动幅度取决于抬升力本身,随着速度的增加，动态部件对接触压力的影响越来越大，为了保持受电弓滑板沿着接触线并不间断地与接触线接触，接触力的值必须保持在一定范围，即动态范围,2. 弓网系统的
15、振动特性,F,AER,F,DYN,F,R,F,0,F,R,F,wind,F = F0 FR + FAER FDYN,受电弓设计,接触网、轨道等,弓网接触压力F受电弓与接触网之间的接触力静态接触压力F0 驱动机构使滑板与接触线间产生的接触压力磨擦力FR 关节间的磨擦力，与弓头运动方向相反空气动力接触压力分力FAER 气流对受电弓的抬升力动态接触压力分力FDYN 由垂直振动引起的惯性力,2. 弓网系统的振动特性,EN50119关于弓网接触力的范围,2. 弓网系统的振动特性,Re200系统v=220km/h单受电弓（DSA250）计算机仿真结果,接触力,抬升量,2. 弓网系统的振动特性,实测结果,2
16、. 弓网系统的振动特性,b无限位抬升量 u最大运营抬升量 s受电弓摆动量,正常运行条件及最大跨距 u 2.0 * b u 1.5 * b 带抬升限位功能,2. 弓网系统的振动特性,波动传播速度Cp在某一点用一个力对接触线加振后将力消除，该点接触线振动经过S秒后传到L，则Cp=L/S,波动传播速度振动沿接触网锚段传播的速度,Tj 接触线的水平张力 Ngj 接触线的质量常数 kg/m,Re 200 Cu 100 10 kN Cp = 376 km/h vmax= 263 km/hRe 250 CuAg 120 15 kN Cp = 427 km/h vmax= 299 km/hRe 330 CuM
17、g 120 27 kN Cp= 572 km/h vmax= 400 km/hEAC-350 CuMg 150 31.5 kN Cp = 553 km/h vmax= 387 km/h,2. 弓网系统的振动特性,r反射因数多普勒因数,放大系数r/反应接触网振动波幅度增强或减弱的系数,m=1kg, V=160km/h, Cp=382km/h,2. 弓网系统的振动特性,多普勒因数反应受电弓运行速度与波动传播速度之间的关系,反射因数r指接触网的振动波在吊弦、线夹等非均质点被反射，是接触网的质量特性,Cp波动传播速度V 受电弓运行速度,gc、Tc承力索的线密度和张力gj 、Tj 接触线的线密度和张力,
18、2. 弓网系统的振动特性,接触悬挂：TJ95+CTHA120接触线张力: 15kN；承力索张力：15kN结构高度：1400，正定位；动车组，速度：200km/h,2. 弓网系统的振动特性,京津城际客运专线 v=310km/h，反定位悬挂方式：Bz120+MgCu120，21kN+27kN结构高度：1600mm,2. 弓网系统的振动特性,硬点是接触悬挂弹性不均质状态的统称。接触悬挂在硬点处的弹性出现极小值。硬点是接触网的固有特征,列车运行时，弓网在硬点部位可能会出现有别于其它地方的升高或降低，弓网间的接触力、振动速度、振动加速度会出现有别于其它地方的变化。速度越高，变化越明显,硬点对受电弓的影响
19、可通过弓头的垂直加速度衡量，1g=9.8m/s2,基本概念,2. 弓网系统的振动特性,硬点,2. 弓网系统的振动特性,由于力、位置、速度或加速度等的突然变化，引起系统的瞬态变化过程称为冲击。在力学上，冲击是一种过渡现象，属于非周期运动范畴,冲击过程可能是单次的、多次的或复合的，但每次持续时间比较短暂（突变）,表征受电弓弓头受到冲击的基本物理量有：位移（或变形）、速度、加速度和冲击持续时间等,基本概念,2. 弓网系统的振动特性,牛顿第一定律 一切物体在任何情况下，在不受外力的作用时，总保持静止或匀速直线运动状态,牛顿第二定律 物体的加速度跟物体所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向
20、跟合外力的方向相同,牛顿第三定律 作用在两个物体的一对作用力方向相反、大小相等、作用在同一直线上、作用在不同的两个物体上,基本定律,3. 弓网系统的电接触特性,“电接触”是研究导体与导体接触过渡区中的物理现象、化学现象的一个专门学科,弓网系统的电接触分三类：固定接触、滑动接触、可分合接触,主要现象和问题： 固定接触接触电阻、接触温升、接触熔焊 滑动接触接触电阻、接触温升、接触熔焊、摩擦磨损、润滑 可分合接触接触电阻、接触温升、接触熔焊、电火花、电弧,电接触的基本任务：传导电流,3. 弓网系统的电接触特性,接触斑点：导体接触面内实际发生接触的点,导电斑点：金属或准金属接触的更小的面,收缩电阻：电
21、流路径收缩，有效导电面积减小，出现附加电阻,膜电阻：准金属接触时，电子通过极薄的膜时产生附加电阻,接触电阻：收缩电阻与膜电阻串联相加,接触压降：通过斑点的电流与接触电阻之积,超温：接触电阻产生焦耳热，使收缩区温度超过区外导体温度,接触面状况,导电斑点,3. 弓网系统的电接触特性,弓网接触电阻为,接触电阻与滑板及接触线材料的电阻率有关，与材料硬度及接触力有关 导电斑点数目与材料硬度、接触力有关 材料一定、接触力F不变时，接触电阻基本与两者的电阻率之和成正比,H弓线两者中较软材料的接触硬度F弓线间接触力1、2接触材料电阻率,3. 弓网系统的电接触特性,滑板的电阻率与硬度,3. 弓网系统的电接触特性
22、,注：IACS为国际标准退火纯软铜的导电率，记为100% 温度不大于100的抗拉强度 20时的电阻率,接触线的导电率和抗拉强度,3. 弓网系统的电接触特性,接触线与滑板的接触电阻比较,3. 弓网系统的电接触特性,实例,3. 弓网系统的电接触特性,实例,3. 弓网系统的电接触特性,实例,3. 弓网系统的电接触特性,由于接触电阻的存在，列车取流时，接触点的焦耳热使接触点局部区域温度升高，严重时可达到弓线材料的软化点 根据电位温度理论可知，导电斑点超过接触点外的温度与接触电阻及通过接触点的电流成简单的函数关系,导电斑点超出接触点以外区域的温度，即接触点温升U接触压降I通过接触面的总电流,滑板与接触线
23、材料的热导率与电阻率乘积的平均值,3. 弓网系统的电接触特性,受电弓滑板与接触线从分离到接触或从接触到分离时，如果能满足一定的条件，滑板与接触线之间便会产生电弧或其它放电现象,弓网系统的电弧现象,滑板和接触线在大气中脱离接触（弓网离线）时，如果被断开的电流超过0.251A，断开后加在滑板与接触线上的电压超过1220V，在滑板与接触线的间隙中通常会产生一团温度极高、发出强光和能够导电的近似圆柱形的气体这就是电弧 产生电弧的最小电流如果小于一定数值，则开断时只能产生一为时极短的弧光放电通常称为电火花,3. 弓网系统的电接触特性,弓网系统的电弧现象,3. 弓网系统的电接触特性,弓网系统的电弧现象,3
24、. 弓网系统的电接触特性,弓网系统的电弧现象,持续40ms的电弧,3. 弓网系统的电接触特性,电弧热功率导致滑板和接触线温度升高，另一方面，滑板和接触线的热量也会向周围介质传递，当输入热量大于输出热量时，滑板和接触线的温度才会升高，并在温升达到一定程度时，滑板和接触线的表面才会发生熔化和气化,弓网相对运动过程中，滑板和接触线的接触位置不断变化，引起的电弧也在不断变化位置，位置变化的速度与接触线的拉出值、列车的运行速度有关 相对运动阻止了电弧能量引起的弓网系统固定位置的温度升高,3. 弓网系统的电接触特性,(1) t=1.210-7s(2) t=0.910-7s(3) t=0.610-7s(4)
25、 t=0.310-7s,(1),(2),(3),(4),取典型的电弧电流密度qw=1011A/m2。对铜接触线，松弛时间0为10-10s；导热系数为380W/(m)，密度为8900kg/m3，比热容cp为390J/(kg)，热扩散率或导温系数,m2/s。铜接触线的熔点为1083,弓网系统电弧的影响,3. 弓网系统的电接触特性,弓网系统电弧的影响,曲线从上到下排列，作用距离x依次是0、1.010-6m、2.010-6m、3.010-6m,3. 弓网系统的电接触特性,弓网系统电弧的影响,曲线从上到下排列，列车运动速度依次是:5m/s、15m/s、30m/s、 40m/s,点M处接触线表面温度变化规
26、律,3. 弓网系统的电接触特性,弓网系统离线间隙较大时，由滑板和接触线传导的热量相对较少，绝大部分由弧柱直接散向接触区域上部，导致接触线上部设备烧损程度较大大电流起动的列车，由于滑板与接触线相对移动的速度较慢，电流引起的焦耳热量及电弧引起的电弧热量容易在局部积累，温升有可能超过滑动接触材料的允许工作温度,电火花与电弧是造成滑板和接触线电气磨损的主要原因，这种电气磨损包括气化蒸发和液体喷溅两种形式 日积月累，电弧及强劲电火花引起的电气磨损会导致接触线表面坑坑洼洼,3. 弓网系统的电接触特性,弓网系统的电弧不可能模拟，测量已经表明不可能重现反复试验运行的结果。即便在相同线路、相同的条件下，重复进行
27、试验也会产生不同的结果。因此，利用电弧评价弓网系统的受流质量有一定的局限性在一定条件下利用弓网系统电弧的次数和持续的时间评价弓网系统的受流质量还是可行的，毕竟，由接触电阻的上升和开始燃弧能够确定可接受的弓网系统动态接触压力最小值,3. 弓网系统的电接触特性,接触线是通过浇铸轧制过程将铜或铜合金杆材拉制而成 连续通过数个圆形模具沟槽式模具修整模具来进行控制，将导线冷拔成最终的尺寸和外形 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纤维状结构 晶状体结构的不均匀性增加了剪切抗力并使材料硬化。铜经受了数个冷拔过程，增加了变形抗力，但同时降低了其导电性和可塑性,3. 弓网系统的电
28、接触特性,温度对接触线的影响,3. 弓网系统的电接触特性,槽2,串联轮轴,电解铜,保温炉,熔解炉,槽1,LNG燃烧器,铸造机,大线盘,冷却还原线,铜粗料杆,接触线材料卷线机卷线直径：18.530.0mm,高温压延成型机,3. 弓网系统的电接触特性,拉丝模示意图,绕线盘,拉丝(带槽模具),拉丝(圆形模具),剥皮,开槽辊,材料供应机(托盘或电缆盘),精加工模,材 料,拉丝机本体,成品盘,3. 弓网系统的电接触特性,冷拔铜导线的长期发热造成其晶状体结构重新回到冷拔过程前的原先结构状态。转变到稳定的晶体状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 当超出再结晶温度时，微结构开始发生变
29、化并伴随着抗拉强度的损失。在此过程中，晶体状颗粒恢复到稳定的圆形，由冷拔形成的微结构几乎全都转化了,3. 弓网系统的电接触特性,接触线抗拉强度与温度关系,3. 弓网系统的电接触特性,在所有架空接触网设施的损坏中，有相当比例是因为接触线和受电弓滑板两者之间的不良电气接触带来短期热效应造成的，导致接触线损坏的过程伴随着铜的局部再结晶和形成孔洞及凹痕 有几个发生在受电弓滑板和接触线间接触点上的物理过程，是它们促使接触线失去功效:在接触点处接触线和受电弓滑板的电流分布在这些区域里的热分布接触线的机械应力在接触点处接触线中产生的塑性变形磁场,车辆静止不动或缓慢移动高额取流或接触滑板磨损和损坏时都可能发生,3. 弓网系统的电接触特性,实例,3. 弓网系统的电接触特性,实例,3. 弓网系统的电接触特性,实例,4. 弓网系统的摩擦磨损,滑板与接触线在工作过程中由于机械的、电气的（包括热的）和化学的原因使材料从滑板和接触线表面移走，这个现象称为滑板和接触线的磨损,磨损主要有两种形式：机械磨损、电气磨损,4. 弓网系统的摩擦磨损,1 机械磨耗2 粘结磨耗3 移动4 粘结5 硬粒磨耗6 二元磨耗7 三元磨耗8 夹在中间的硬质粒子9 疲劳磨耗10 疲劳破坏11 化学磨耗12 腐蚀磨耗13 腐蚀、氧化14 电气损耗15 金属离子移动16 电弧熔损17 电弧,
