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1、2022/12/3,第二节,高速接触网受流理论分析,华东交通大学电气学院电气化教研室刘仕兵,2022/12/3,概述,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触线的滑动接触获得电能并传给电力机车的过程。,2022/12/3,钢轨的重要性,2022/12/3,高速铁路对钢轨的要求,2022/12/3,钢轨技术的发展,2022/12/3,钢轨的技术标准,2022/12/3,选轨标准,2022/12/3,钢轨的力学问题,2022/12/3,轮轨
2、滚动接触疲劳,2022/12/3,轮轨噪声,2022/12/3,轨道力学,2022/12/3,道岔,2022/12/3,2022/12/3,国外高速铁路道岔发展情况,2022/12/3,我国秦沈铁路道岔情况,2022/12/3,2022/12/3,2022/12/3,2022/12/3,2022/12/3,2.1高速接触网的技术特征,全补偿悬挂结构整体吊弦设置附加预驰度锚段关节轻型定位器减小接触线坡度采用自动过分相装置,2022/12/3,2.1高速接触网的技术特征,关于预驰度,没有附加预驰度时受电弓轨迹 有附加预驰度时受电弓轨迹,2022/12/3,弹性差异导致受电弓不能沿轨面等高的水平线运
3、行，这种差异也是受电弓在高速运行时产生垂直加速度的原因之一。取跨距长度的l/5001000。预驰度应设计合理。速度的提高，预驰度的效果也减小了。,2.1高速接触网的技术特征,关于预驰度,2022/12/3,2.2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,2022/12/3,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1218
4、m。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。,2.2高速受流技术的质量性能指标,2022/12/3,2.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：,2.2高速受流技术的质量性能指标,2022/12/3,2.2高速受流技术的质量性能指标,
5、2022/12/3,3.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42kg4.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）,2.2高速受流技术的质量性能指标,2022/12/3,5 接触线平均抬升量及最大抬升量 静态抬升量 振动抬升
6、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,2.2高速受流技术的质量性能指标,2022/12/3,2.3高速接触网的控制参数及理论分析,高速接触网的控制参数，就是接触网自身影响高速运行的基本因素，研究这些参数的最终目的是保证良好稳定地受流及使接触线具有较长的寿命。3.4.1波动速度,2022/12/3,3.4.2反射因数
7、理论分析表明，接触网适应高速的性能与接触线、承力索及吊弦三者的偶合及参数因素有关，即接触线的振动波在遇到非均匀质点时被反射，这种反射的影响用反射因数r表示,反射因数r越小，表明接触悬挂的偶合性能越好，其波动速度会大为提高。,V,M,x0,y,2.3高速接触网的控制参数及理论分析,2022/12/3,3.4.3多普勒因数 受电弓在高速运行时，会受到接触悬挂等各种结构因匹配及参数不同造成的干扰及影响，其被扰动力激发的接触悬挂形成的振动波与高速运行的受电弓形成了非常复杂的振动状态，是相互影响及制约的。这种相互影响、制约及其相互作用的关系称为多普勒效应，用 表示,2.3高速接触网的控制参数及理论分析,
8、2022/12/3,3.4.4增强因数 受电弓在高速运行中，在通过定位点或跨距内等距吊弦点时，还会同期地激发接触线的振动（以波动形式表示）。这种接触线被激发的振动波在传播和反射中时而被增强，振幅的增强程度用增强因数表示。,2.3高速接触网的控制参数及理论分析,2022/12/3,右图中，受电弓驶向非均质处，一个力P0突然出现在0点，然后在0开始抬高接触线。这种抬升在非均质处反射。反射的波迎着受点弓相向运动，并由此受电弓以能量输入方式再次反射回去。此过程不断重复直至 为止。若r/1，每个随后突变量都大于产生它的前一个量，这个系统强烈的振动持续到受电弓达到 为止。相反，如果r/1则接触线的摆动变缓
9、和。,2.3高速接触网的控制参数及理论分析,2022/12/3,增强因数、反射因数及多普勒因数三项因素，影响最大的为增强因数。理论分析证明，减小增强因数对改善受流质量是有利的。减小增强因数的途径是减小反射因数，即采用增大接触线张力，减小承力索张力的方法，以改善高速受流质量。 增强因数及反射因数，从机论上讲，它们都是有悬挂自身的内在的及外在的因素所决定的，例如其结构一致及弹性均匀程度都可以影响振动波的发展，接触线制造工艺的精细、平直及线索质量、张力的一致以及承力索、接触线及吊弦的偶合关系等，这些内在及外在因素可以减少非周期振动的次数及强度。 通过长期的研究和实践表明，受电弓的离线率是和接触线振动
10、波的传播速率密切相关的，当受电弓的运行速度与其的比值接近1时，受电弓的离线率将显著提高，因此要减小离线率，必须提高波动传播速率。,2.3高速接触网的控制参数及理论分析,2022/12/3,3.4.5 接触线应力 接触线使用应力超过了许用应力，在高频振动作用下会产生疲劳断裂。受电弓作用点处接触线应力方程式为： 抬升力P越大，运行速度越大，则应力越大；而接触线张力较大时，应力变小；接触线刚度EI大时，应力变大；抗弯截面模量变大时，应力变小。 v=cp时，接触线加大工作疲劳，缩短其使用寿命。,2.3高速接触网的控制参数及理论分析,2022/12/3,2.4设计参数对高速受流的影响,接触线和承力索的张
11、力 高速接触悬挂要求弹性小且均匀，根据关系式 提高线索张力的两种途径：一 增大其截面，二 提高使用拉力。 加大截面积会相应地减少弹性，接触压力的标准偏差较低，对动态性能更有利；但大截面在安装时会形成硬点，使单位长度质量增加，波动速度降低。 承力索拉应力对反射因数有影响，为达到较小的增强因数应降低承力索拉应力。,2022/12/3,图(b)比图(a)的动态接触压力的带宽大大降低，力的峰值减小。提高接触线拉应力是接触悬挂与高速电气化铁路相匹配的主要手段。,2.4设计参数对高速受流的影响,2022/12/3,跨距长度 技术角度 经济角度结构高度 结构高度具有较好的动态性能，这一点反应在标准偏差上，在
12、时速为280km/h时，标准偏差从23N降为19N。弹性辅助索的长度及张力 一般而论，辅助索的长度越长，所改变的弹性区域越长，越使整个跨距内的弹性趋于一致。,2.4设计参数对高速受流的影响,2022/12/3,2022/12/3,2.5 关于弓网受流质量的评价标准,评价原则,安全运营可靠运营寿命影响,评价因素,接触线相对于受电弓中心线位置,材料配置、接触面,接触压力、电流、电弧,电弧,2022/12/3,2.5 关于弓网受流质量的评价标准,弓网关系评价参数的确定 关键值的计算（如：弹性、波动传播速度） 可操作性强 仅适用于理想化问题 不依赖于所有参数 测量（如：接触压力、火花、抬升） 需要测量
13、设备 测量费用昂贵 对于多种测量系统的测量结果对比较困难 仿真 数学方程复杂 必要的计算机编程 优化具体参数,2022/12/3,2.5 关于弓网受流质量的评价标准,日本,最高运营速度与接触线波动传播速度之比控制在70%以下 一次离线时间不应大于200ms，离线率最好不超过5%，在最差的情况下，应不超过20% 导线的最大允许抬升量 180mm 在设计中应妥善处理使用应力与疲劳振动关系,2022/12/3,法国,速度超过250km/h时，受流质量与接触网的弹性均匀度关系不大，而更大程度上取决于接触线的振动。 可见电弧控制标准：1次/160m 接触力标准偏差与平均接触压力的比值不大于33% 定位器点的允许抬高与最大抬高的比值2倍以上,2.5 关于弓网受流质量的评价标准,2022/12/3,德国,接触网的静态弹性跨中0.36mm/N（Re330）接触网静态弹性不均度8%（Re330）最大接触力（N） 250（Re330）最小接触力（N）50（Re330）接触力标准偏差与平均接触压力的比值 20%离线率5%以下,2.5 关于弓网受流质量的评价标准,2022/12/3,秦沈线弓网关系评价标准,导线最大抬升量： 120mm;弓网间最大接触压 力:200N;弓网间最小接触压 力:40N;接触压力的标准偏 差：24N,2.5 关于弓网受流质量的评价标准,
