高速接触网弓网关系研究

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1、华东交通大学毕业设计高速接触网弓网关系研究摘要近年来高速铁路的运行速度不断提高。随着列车速度的提高，除了要解决线路强度及机车车辆的问题以外，还需解决接触网和受电弓之间的接触压力及动态受流问题。论文对接触网的结构特征，振动特性以及受流理论进行了详细的分析，并且在分析的基础上确定了接触悬挂的物理模型和数学模型，并应用MATLAB语言对高速接触网受电弓系统进行了仿真，得到接触网高速运行时的接触压力的变化情况。计算机仿真方法直观易行，且易于更换条件及数据，虽有一定的近似性，但仍不失为研究高速动态受流的主要途径和方法。关键词： 接触网； 受电弓； 接触压力； 动态受流； 仿真The study of c

2、onnection in Catenary SystemsPantograph of the high speed Catenary SystemsABSTRACTThe movement speed of the Mass Rapid Transit increases continuously in recent years. Along with flat-out exaltation in railroad train, besides wanting to resolve the problem between circuit strength and motorcycle vehi

3、cle excluding, and still need solution the problem of contact pressure and dynamic current-carrying between Catenary Systems and Pantograph. The thesis take detailed analysis to the construction characteristic, vibration characteristic and current-carrying theories of Catenary Systems. Made sure the

4、 physics model and mathematics model of contact hangs on the analytic foundation, and apply the language of MATLAB to proceeded emulation to high speed Catenary Systems-Pantograph Systems, get the contact pressures variety circumstance of Catenary Systems in high circulate. The computer emulation is

5、 easy and picturesque, and apting to replacing term and datas, although having certainly similitude, still is the main path and method to study high dynamic current-carrying.KEY WORDS： Catenary Systems; Pantograph; Contact Pressure; Dynamic Current-Carrying; Emulation 目 录1 绪 论 12 高速接触网的振动特性 22.1 接触悬

6、挂的弹性 22.2 接触线坡度对受流的影响 32.3 弓线间的动态接触压力 42.4 高速接触网的振动微分方程 52.5 高速受流稳定性分析 63 高速接触网受流理论分析 83.1 高速接触网的技术特征 83.2 高速受流技术的质量性能指标 93.3 高速接触网的控制参数及理论分析 113.4 弓网动态特性分析 133.5 设计参数对高速受流的影响 143.6 几种高速接触网的悬挂类型比较 154 高速接触网的仿真原理 174.1 高速接触网的仿真假设 174.2 世界各国接触网仿真的基本方法 184.3 接触网受电弓系统的仿真效果 185 接触网受电弓系统仿真 205.1 模型选择 205.

7、2 计算条件选择 205.3 程序说明 205.4 模拟结果及分析 22设计小结 25谢辞 26参考文献 27附录 28第1章 绪 论随着社会及经济的发展，必然对铁路交通提出更高要求，提高列车运行速度是当今世界铁路一项共同追求的目标。我国也在积极推进高速电气化铁路建设，大面积，大幅度的提高现有电气化铁路的运行速度，主要电气化干线逐步达到时速160200km/h。随着列车速度的提高，就需要解决接触网和受电弓之间的接触压力及动态受流问题。在列车运行速度较低时，其接触网和受电弓之间能够保证良好的接触及受流，即弓网间产生机械脱开的几率较小，而随着列车速度的提高，外界扰动力增加，相互冲击，相互影响及相互

8、制约的关系，即在低速下可以运行的受电弓和接触网，在高速时却不能保证受电弓正常的受流。电气化铁路要实现高速，就必须解决接触网与受电弓的相互匹配及对速度的适应问题。在研究和解决高速受流问题的三种途径中，现场试验必须具备高速试验的线路条件及检测设备，周期长、见效慢。若采用建立试验室及试验线路，则耗资大，废置率高。而计算机仿真方法直观易行，且易与更换条件及数据，效果显著。与现场试验相比，不需要耗费巨大的物力、财力及人力，同时，也不受地点、时间及条件的限制，因此，在选用方法得当，构造模型合理、技术假设近似和运行参数接近真实的情况下，其仿真效果具有令人信服的近似性。更重要的是它运作起来比较方便，调整参数灵

9、活，约束条件可以多样化，因此，世界各国都采取仿真技术作为辅助手段，来探讨本国在高速接触网方面的设计、理论及与受流相关的实际问题。因此，计算机仿真模拟是研究高速动态受流的主要途径和方法。7华东交通大学毕业设计第2章 高速接触网的振动特性2.1 接触悬挂的弹性弹性：就是接触悬挂在受电弓抬升力的作用下所具有的升高性能。即在受电弓压力的作用下，每单位垂直力使接触线的升高。接触悬挂的弹性是表示接触悬挂结构性能好坏的重要标志之一。衡量弹性好坏的标准为：1.弹性的大小。它取决与接触线张力的量值。2.弹性均匀程度。它取决于悬挂结构，悬挂类型和某些附在接触线上的集中负载的集中程度等。确定弹性的方法有：1.弹性计

10、算法；2.静态测量法；3.动态实测法。研究链形悬挂的弹性是在跨距中间施加外力P，分析接触线和承力索升高状态。设有简单链形悬挂，取跨距的一部分为分离体，施加外力P之后，令各力对P的作用点的力矩和为零。可得下列方程：/2P()/2()=0 (2.1.1)式中 Tj接触线张力(KN)； Tc承力索张力(KN)； 所研究的跨距长度(m);q0链形悬挂的自重负载(KN/m);y0接触线无弛度时，承力索在所研究点的纵坐标。在没有P作用时，承力索的纵坐标为，即 =()/() (2.1.2)链形悬挂在外加力P的作用下的升高h为 h=P()/() (2.1.3)链形悬挂的弹性 =h/P=()/() (2.1.4

11、)当=/2时，跨距中心的弹性具有最大值，即 =/4() (2.1.5)当受电弓的抬升力作用在两个吊弦之间时，还必须加上吊弦间距内的弹性分量，此弹性分量与吊弦间距及抬升力P的位置有关，可由下式决定 =()/a (2.1.6)式中 两相邻吊弦间的间距(m)； 抬升力P距左边吊弦的距离(m)2.2 接触线坡度对受流的影响接触线从一个高度过渡到另一个高度时，会有一个过渡区域，在这个区域内，接触线要完成从高到低或由低到高的变化，即形成一定的倾斜度，这个倾斜度就是所谓的坡度。接触线坡度对机车运行速度有很大的影响。如果坡度选择不当，会在该区段内发生离线，起弧等不正常情况。在讨论接触线的坡度计算时，假设接触悬

12、挂具有均匀的弹性，受电弓在通过坡度区段时没有摆动，且沿水平方向等速运动。弓线间的接触压力由下式决定 = (2.2.1)式中 p0受电弓抬升力(N)； pa受电弓压力的动力分量(N)； p弓线间的实际接触压力(N)。式中的“”号表示受电弓上升时的情况，“”号表示受电弓下降时的情况。pa是一个变化的量值，它决定于受电弓在通过坡度区段时的运行状态。确定接触线最大坡度的依据和条件是：按规定速度运行时，受电弓对接触线不发生离线，即接触压力p= p0pa0，若令pa =n p0，则n的变化范围是01。当n=0时，p= p0n p0= p0，表示弓线间实际接触压力等于受电弓的抬升力。当n=1时，p= p0n

13、 p0= 0，表示弓线间的接触压力为零。当n1时，p= p0n p00，表示弓线间的接触压力出现负值，受电弓将与接触线发生脱离现象。当0n1时，pa =n p0，它相对于时间t呈抛物线变化，且随着时间的推移，其绝对值逐渐趋于零。当接触线为水平状态时，受电弓的抬升力完全被接触悬挂的反力R=h0/所平衡，受电弓滑板此时高度不变。认为受电弓归算质量m是常数，而pa对时间t呈抛物线变化，那么pa可由下式决定 =() (2.2.2)其中，系数值由=/2及pa =n p0的条件决定，将和pa值代入可得 =2/3/3 (2.2.3)将=2 =2=4代入上式得 =3/5, =16/5在时间内，列车所通过的线路

14、长度为 =2 (2.2.4)在列车以速度行驶时，接触线最大许可坡度为 =()/=()/=4/ (2.2.5)2.3 弓线间的动态接触压力接触线与受电弓之间的可靠接触，是保证电力机车良好受流的重要条件。在运行中，接触悬挂的运行状况与受电弓的运行状况密切相关。在受流过程中，接触线与受电弓在机械方面和电气方面都是紧密地相互作用着的。这两个装置之一若发生不正常情况，都可能破坏它们之间的正常接触状态，甚至导致弓线间的脱离，即离线。2.3.1 弓线间的相互作用受电弓的抬升力对接触悬挂产生机械作用，使接触线升高，其升高的数值决定于接触悬挂的弹性和受电弓给予它的抬升力，也决定于接触悬挂的结构及受电弓在跨距内的

15、位置。在电力机车运行中，受电弓与接触线之间的接触压力是变化的，也就是说，弓线之间的接触压力是不稳定的，而是时大时小，有时甚至是零值或者离线。2.3.2 弓线间的接触压力弓线间的接触压力与接触线的高度变化、悬挂特性、线路状态、运行速度等多种因素有关。在低速运行时，由于受电弓高度变化的速度较慢，受电弓与接触线之间的接触压力可以近似的看成是受电弓的静态压力。在高速运行时，受电弓将受到各种外在及内在，有形及无形的力的影响，受电弓的高度变化迅速，因而产生较大的惯性力pa，加于受电弓上的空气动力pk，在受电弓发生高度变化时，它的自身结构还产生相应的摩擦力pm，要保证机车良好地受流，就要使弓线之间接触压力的

16、变化尽量小，且处于规定的范围内，压力太小时，可能发生离线现象，伴随着产生电弧，烧损接触线；压力过大时，使接触线产生较大升高，因而使弓线间增加摩擦和损伤。在动态过程中，弓线间的接触压力可由下式表示受电弓向上运动时 p= p0pmpapk (2.3.1) 受电弓向下运动时 p= p0pmpapk (2.3.2)式中 p0受电弓的抬升力(N)；pm受电弓铰接处的摩擦阻力(N)；pa受电弓压力的动力分量(N)；pk受电弓压力的空气动力分量(N)受电弓在较高速度的运行中，即在以速度做水平方向运动的同时，因接触悬挂的弹性不同，又随接触线的高度变化作垂直方向的运动，这种复合运动的过程，即接触悬挂的高度化相对

17、于时间的变化曲线，称为接触悬挂的动态特性。在动态过程中，接触压力还与受电弓质量及其他因素有关，特别是受电弓的动力分量对接触压力产生着重要影响，其值可由下式决定 = (2.3.3)式中 m受电弓归算质量()；a归算质量的垂直加速度(/s2)所谓受电弓归算质量，就是把整个活架式的受电弓归算到接触线高度的一个质量，它与受电弓滑板具有相等的加速度，且此质量所产生的动力与受电弓产生的实际动力相等。归算质量不是常数，是随受电弓的升高程度而变化的。空气动力分量Pk对弓线之间的接触压力也有较大的影响。在高速运行时，有时它可使接触压力增至静态压力的一倍以上，有时又可使接触压力趋于零。影响空气动力分量的因素主要有

18、：受电弓结构，运行速度，风速大小和方向以及电力机车顶部的形状等。在高速运行时，惯性分量pa和空气动力都是在变化的，速度越高，量值越大。在高速时，空气动力pk及惯性力pa是接触压力的主要组成部分。在讨论动态接触压力时，为了简化计算，经常先忽略变化较大的空气动力pk及始终起作用的受电弓各关节的摩擦力pm，把与速度有关的pa作为主要的研究目标，于是有下式 = (2.3.4)在机车运行速度较低时，动力分量pa和空气动力分量pk就趋近于零，这时受电弓的压力等于 = (2.3.5)弓线之间的接触压力往往成为衡量受流质量的标准，接触压力的最佳值应保证接触线和受电弓滑板只有最小的机械磨耗，同时还要保证滑板和接

19、触线间有一定标准的过渡电阻，以排除在停车时发生接触线过热或烧熔的可能性。在高速运行中，受电弓与接触线处于复杂的接触状态，其动态接触力的变化是静态值叠加了空气动力和惯性力的部分，它围绕着平均值波动，就其相互作用的机理原因可分为：1.是由于与振动有关的各种激振因素；2.是运行速度与波动速度变化的因素；3.是弓与网两个系统部件的结构因素。因此，在各种外界条件相同的条件下，通过接触力的变化可以评价出接触网的结构形式和受电弓的结构质量。评价的标准是：算术和的平均值，标准偏差值和极限值。2.3.3 受电弓参数对动态受流的影响(1)弓头质量由于在受电弓运行时，弓头沿接触线运动，如果弓头质量过大将会影响弓头的

20、跟随性，在高速运行时，接触压力的变化值较大，若通过降低接触线和受电弓的质量一方面可有效避免离线，另一方面可降低接触压力的变化幅度。因此，减少质量是减小惯性，提高受电弓跟随能力的重要途径。(2)框架质量受电弓框架相当于二系悬挂，对于受流性能而言比弓头质量影响小，但减小框架质量也有利于受流，特别是在1Hz时，将对接触压力有较大的改善。(3)弓头弹簧刚度减小滑板刚度可适当地改善受电弓性能，并可改善高速受流，有利于提高跟随性，改善高速受流质量，模拟结果表明，为有利于高速受流，弓头弹簧悬挂刚度宜控制在4000N/m以内。(4)阻尼值受电弓阻尼实际上包含有滑板阻尼，框架阻尼以及干摩擦等。阻尼能有效地截止受

21、电弓振荡，但阻尼过大又会阻碍受电弓的运动，影响其跟随性。所以应在给定运行速度以后，方可选择合理的阻尼值。2.4 高速接触网的振动微分方程弹性索又称柔性悬挂，是指对接触悬挂忽略了刚性性能。如将其作为一跟“等效”的导线来分析，为了简化分析，认为导线是完全柔软的，导线两端承受张力T=TcTj；导线的每米质量为m（等于每米承力索的质量mc与每米接触线的质量mj之和）。此外，导线上还受有一个运动着的受电弓的恒定抬升力p0得动态方程： (2.4.1)上式就是描述在以速度走行的受电弓在抬升力p0作用下，具有总张力T与每米长度质量为m的单链形悬挂的接触线振动状态的动态方程，而Cp值为振动波在接触线上的传播速度

22、。2.5 高速受流稳定性分析2.5.1 弓线基本振动方程接触悬挂包括接触线，承力索，吊弦，定位器以及其他零件。既有均布质量，又有集中质量，是一个非常复杂的振动系统。当电力机车高速运行时，受电弓弹簧系统的振动，机车车体的振动以及风力等因素均参与作用。因此，精密地定量分析高速状态下接触悬挂振动的特点，是十分复杂的问题。为了抓住主要矛盾，掌握规律，必须忽略一些次要因素，建立基本的振动方程，并进行分析。假定：1.受电弓抬升力为常数。忽略了受电弓升降时各种关节的摩擦力以及其他力的影响；2.线路跨距长度一致。在实际的电气化线路上，跨距长度是不等的，在进行理论分析时，先认为是一致的。3.不考虑风力的影响和接

23、触线的横向偏移。无论在直线区段或曲线区段，接触线都不是正沿着线路布置，这里只按正常形态，不考虑风偏及接触线的横向振动。4.考虑跨距内各点的弹性或弹性系数为理想状态，即完全均匀一致。接触悬挂是一个弹性系统，受电弓在结构上也是一个弹性系统，而且受电弓加给接触悬挂一个抬升力，这个力实际上是这个合成系统的振动源。若将参与振动的整个接触线滑板振动系统用下图所示的振动系统模型表示出来，并据此加以分析研究，则有 =/ (2.5.1)图2.1 高速接触网系统振动模型如图所示的振动系统，若把接触悬挂和受电弓当成一个振动的整体，可以写出如下微分方程： (meMe)K(x)y=P0 (2.5.2)由于接触网具体结构

24、的形式不同，弹性系数在跨距内的分布可能是各式各样的，但是，它总是以跨距为周期的周期函数，为了简便起见，认为机车在正常运行时，它的速度在一定短时间范围内可视为常值，则有 (2.5.3)上式即为电力机车运行时，接触线滑板系统的振动方程2.5.2 高速受流稳定性分析以速度特征系数和弹性差异系数为直角坐标所构成的图形，如图2.2所示，称之为受流稳定图。通过对受流稳定图的分析，可以得出下列结论：图2.2 受流稳定图1.在平面内，包含有稳定性与非稳定性的两个区域，在一定的，数值下，对应着解的稳定区域；而在另一些，数值下，对应着解的不稳定区域。当在一定的接触悬挂结构形式下，有一定的值，在=常数的直线上，有一

25、些值处在非稳定区域中，然后由=/就可以算出不稳定的运行速度。2.较大时，对应的非稳定区域较大；减小时，非稳定区域变窄；=0时，相当于跨距内各点弹性系数完全一致，它对应于受流稳定图的纵坐标轴，全部位于稳定区域内，这即是前面所讨论的最佳受流状态。3.由于1，在一定的值下，多对应的不稳定区域宽度是不同的。在较小时，不稳定区域如同一条没有宽度的线段；在较大时，不稳定区域越来越宽。这就意味着当机车以较小的速度运行时，不稳定的速度范围是极其狭窄的，加上振动中的一些摩擦阻尼因素，实际上在低速时的不稳定因素是不明显的，因而可以不考虑。当机车在高速运行时，不稳定区域较大，因而在这些速度附近，由于振动振幅过大，而

26、产生的离线现象将大大增加。4.由于稳定区域和非稳定区域是相间排列的，因此，当机车运行速度达到某一数值时，可出现受流不稳定的共振现象；而当机车运行速度在提高时，又可能进入另一个稳定区域中。2.5.3 谐振速度的近似解法对应于=0.317和=0.158附近是两个较严重的不稳定区域，但是=0.317对应着高达300km/h以上的机车不稳定运行速度。因此，在现阶段机车所能达到的运行速度范围内，探讨=0.158及=0.28附近的谐振速度数值是具有重要意义的。谐振速度是应该避开的运行速度，对一定型式悬挂和受电弓，其谐振速度由链形悬挂弹性系数（取决于Kmax和Kmin）和悬挂单位长度质量以及受电弓的换算质量

27、共同决定的。因此，改变这些相关参数，就是发展高速电气化铁路，改善受流条件应研究的内容。第3章 高速接触网受流理论分析在电气化铁路运行速度日益提高的情况下，一般将时速达200km/h或高于200km/h的电气化铁路称为高速电气化铁路，将适用与高速电气化铁路运行的接触网称为高速电气化铁路接触网或高速接触网。高速电气化铁路必须具有的三大要素：1)具有很高强度的铁路线路及轨道；2)具有能适应高速铁路速度性能的机车和车辆；3)具有能适应高速运行条件的接触网及与之相适应的受电弓。由此可知，高速接触网是构成高速电气化铁路的基本条件之一。因此，在高速运行时，对接触悬挂的要求很高，概括起来有如下几点：1)具有能

28、够传递强大的牵引电流的能力；2)沿跨距内，接触线对轨面的高度相对保持一致，受电弓沿接触线的运行轨迹基本呈水平状态；3)电弓的抬升力作用下，甚至在双弓或冲击力作用下，接触悬挂不发生较大振幅的低频振动。因此，高速接触网在基本结构，基本参数及线材材质等方面都有特殊的要求和鲜明的特征。3.1 高速接触网的技术特征1.全补偿悬挂结构由于接触悬挂是露天装置，因此，大气温度对它将产生较大的影响，在温度发生变化时，线性伸长不应影响张力的变化。为保证接触线和承力索的恒定张力，通常采用全补偿的链形悬挂结构。计算表明，综合张力过大，其弹性性能变低，受流质量下降。2. 整体吊弦在高速接触网接触悬挂中，吊弦是其中的主要

29、环节，为适应高速的要求，吊弦向整体式的轻型化发展，过去采用的环节吊弦逐步被淘汰，而改为采用整体体式吊弦，同时相应的加大了吊弦的密度。3. 设置附加预弛度弹性链形接触悬挂尽管在支柱点处增加了弹性吊弦（索），但是在悬挂点处和跨中，其弹性仍然有一定的差异，使受电弓不能沿距轨面等高的水平线运行。同时，这种差异是使受电弓在高速运行时产生垂直加速度的重要原因之一。为了克服这种弊病，在进行接触网设计时，使接触线根据跨距的大小，设置必要的预弛度，其目的是期望受电弓在高速运行时，其轨迹为距轨面等高的水平线。实践证明，在一定的速度段，附加预弛度对改善受流状态有明显的效果，但随着速度的提高，接触线张力需相应提高，接

30、触悬挂的特性反应不明显，附加预弛度的效果也减小了。4. 锚段关节随着列车速度的提高，在锚段关节处，有一个区段是受电弓同时接触两组悬挂，这时悬挂重量相对加大，在高速运行时，受电弓的抬升量就要减小，相应的会增加接触线和受电弓的磨损，缩短其使用寿命。因而不同的运行速度，其锚段关节的结构参数也应有相应改变。在高速接触悬挂中，一般采用五跨锚段关节作为电分段的形式，这时的转换点在跨中，有效的避免了硬点的产生。5. 轻型定位器在每个定位点处，都必须设置定位器。显然，定位器是集中负载的汇集点，在低速运行时，一向很小；在高速运行时，该处就是一个几的硬点。而且，速度越高，所反应的硬点越明显。为了解决这个问题，各国

31、都采用铝合金的轻型定位器，这样，既减小了硬点，又提高了定位器的灵活性。同时，由于速度的提高，接触线也会产生相应的动态抬高，为了不产生打弓，有些线路还采用弓形定位器。根据不同线路，多数是加设限位装置和防风装置，以便在高速运行时，防止过多抬高个保持相对稳定。6. 减小接触线坡度在高速运行时，若接触线的坡度较大，在变坡点必然会引起火花或对受流的破坏，影响十分，高速接触网对坡度值要求是较为严格的，其值不应大于0.3%,一般应控制在1.5以内。7. 采用自动过电分相装置高速电气化铁路接触网的电分相装置，是保证安全，可靠运行的一个关键性因素，为了使高速接触网能良好运行，各国都根据自己国家的实际情况，采用了

32、相应的自动过电分相的装置，只不过其形式不完全相同。3.2 高速受流技术的质量性能指标在高速电气化铁路中，其接触悬挂向电力机车传递电能的过程，称为高速受流。高速受流是指高速运行的电力机车通过受电弓与接触线的滑动接触取得电能并传给电力机车的过程。在低速线路上，由于受电弓滑板与接触线接触较平稳，通常能够得到正常受流。在高速线路上，受电弓的垂直振动加剧，接触线的抬升量也加大，受电弓与接触线均发生与自身固有特性相关的振动。因而，接触线与受电弓产生机械性脱开的现象是不可避免的，这就是所谓的动态受流被破坏或恶化。高速接触网最主要的任务是保证良好受流。如何评价接触网的受流性能及其优劣，一般是从以下几个技术方面

33、来评价和评述的。1.接触网悬挂的弹性和弹性系数接触悬挂的弹性，不仅是评价高速接触网受流质量的重要指标，而且是对高速受流质量产生重要影响的因素，其值用下式表示 (x)= (3.2.1)式中 P抬升力(N); y(x)由抬升力P在x处的弹性值(mm/N)。弹性或弹性系数仅表示点对点的接触悬挂的弹性性能，不具备悬挂的整体概念，因而对一个跨距或对一个锚段的悬挂而言，一般用弹性不均匀度表示。为了减小弹性的差异，必须尽量使跨距中部的悬挂点处的弹性均匀一致，一般采用弹性链形悬挂，弹性链形悬挂的特点是在悬挂点加弹性索。2.弓线间的接触压力接触线与受电弓一起组成一个阻尼很小的振动系统，随着运行速度的提高，受电弓

34、会产生振动，从而使接触线和受电弓之间的接触压力变化 。这样，除了接触线的固有特性以外，所用的受电弓对接触压力也产生很大影响。弓线间的接触压力是描述在高速运行下，受电弓与接触线之间的接触程度与状态，它是评价与控制受流质量的重要条件及内容。3.受电弓的归算质量与最大振幅1) 受电弓的最大振幅受电弓在高速运行时，应具有良好的平稳性，也就是受电弓的最大振幅及最小振幅，其差值不可过大。2) 受电弓的归算质量受电弓的最大振幅与受电弓的性能及归算质量有关，也就是说，减小受电弓的归算质量，能够相应减小受电弓的动态振幅，既受电弓的归算质量越小，它对接触网的适应能力越好。归算质量越小，受电弓的追随性能越好，其运行

35、轨迹越平缓。4.离线率及持续时间离线是指受电弓和接触线产生的机械性脱开。离线时受电弓失压，接触线和受电弓间产生电弧；同时，离线时电压波形产生畸变，引起对无线电及通信线路的干扰。离线次数表面弓线间机械性脱开的频率，显然，在同等条件下，离线次数越多，其受流性能越差，这是一个相对的指标。离线率是表示离线的综合指标，表示弓线间的接触状态，对于200Km/h及以上的高速电气化铁路，离线率一般控制在5%，其最大离线时间应小于100ms。5.接触线平均抬升量及最大抬升量接触线在静态状态下，由于受电弓抬升力的作用产生抬高，这时抬升量称为静态抬升量，受电弓在高速运行时产生振动由于接触线的振动形成的抬升量，称为振

36、动抬升量。高速运行时，在受电弓作用下，接触线的静态抬升量和振动抬升量之和形成动态抬升量。振动抬升量波峰值与静态抬升量呈现正叠加，就出现接触线动态抬升量的最大值。在通常情况下，振动抬升量小于静态抬升量，所以在低速状态下，一般是不会发生离线的；相反，若在高速运行情况下，振动抬升量波峰值出现大于静态抬升量时，也会产生离线的情况。在正常情况下高速运行时，总是限制接触线的动态抬升量，一般情况平均抬升量限制在100150mm范围内，最大允许抬升量为200mm。6.接触线磨耗比与导线寿命1)磨耗在受流系统中，受电弓和接触线高速滑动接触，必然产生磨耗。从成因上可以分为电气磨耗、化学磨耗和机械磨耗。电气磨耗是指

37、电离子转移和电弧烧损。电离子转移是金属离子沿着电流方向转移产生粘结磨耗的因素；电弧烧损是因电弧烧熔而引起的磨损。化学磨耗上指在腐蚀环境下溶解、锈蚀。因表面粗糙而造成导线的加速磨损，越易产生锈蚀的导线（如钢铝接触线），呈现化学磨损。机械磨耗又分为粘结磨耗和硬粒磨耗。粘结磨耗是导线凸现部分经滑板摩擦，其原子间相互结合造成的；硬粒磨耗是导线凸现部分在滑动接触过程中相互切削或第三种硬质粒子夹在界面之间引起的切削磨耗。电气磨耗、化学磨耗与机械磨耗是互相有关联的。化学磨耗会加重电气磨耗，同样，电弧的烧熔作用会加剧机械磨耗，同时，电弧的烧熔使表面粗糙易形成锈层，它又会恶化及加速化学磨耗。高速接触网的运行特点

38、是运行速度高，电流强度大，如若离线率增大，电气磨耗必然加大。从磨耗机理中知道，电气磨耗是磨耗的只要成因。2)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，磨耗比是直接反映运行状态的参数，磨耗比大，则直接表明了弓线间的接触情况不好，或者接触线与滑板的材质不匹配，使接触线磨损加剧；反之磨耗比小，则客观表现弓线间具有良好的匹配关系，也说明接触悬挂和受电弓都具有良好的性能。3)触线寿命接触线寿命是评价受流质量一个重要因素，如果一个接触悬挂磨耗严重，寿命达不到应有的指标，那么其受流质量也一定存在严重的问题。因而接触线的寿命与受流质量有直接关系，寿命的直接原因是磨耗及导线疲劳。动态接触压力增加，有

39、利于减小电气磨耗，电气磨耗是导致导线寿命缩短的主要原因，因而，实现高速稳定受流，是延长接触线寿命的主要途径，导线的疲劳程度也与导线寿命有关，接触线的振动频率和振幅越大导线越易疲劳，寿命也就越短。7.接触线坡度接触线坡度是指一个跨距两端的支柱悬挂处，接触线距轨面高度的高差与跨距的千分比，其表达式为 I=1000 (3.2.2)随着运行速度的提高，接触线坡度要求越来越小。根据运行速度的不同，其坡度值也不一样，在200300km/h时，接触线坡度应限制在13以内。如果具有良好稳定的受流状态，在坡度区段将不会产生弓线脱离和突变性的接触压力增加及接触线的局部磨耗的加大。3.3 高速接触网的控制参数及理论

40、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,稳定的受流及使接触线具有较长的使用寿命。3.3.1 波动速度 当列车在教低速度运行时其弓线脱开的现象不严重，受流质量能够得到保证。但是随着列车运行速度的提高，影响受流质量的一个至关重要的因素是振动波的传播速度，当受电弓在高速运行时，受电弓就给接触悬挂一个外界抬升力。在受电弓作用下形成的振动波沿接触线向两个方向传播；同时，随着时间的推移，振动波的幅值在衰减；另外，从这种振动波的传播中可以知道，在有多个 受电弓同时在线路上运行时，后续受电弓在遇到前弓形成的振动波时，会产生对受流不利的影响。设受到抬升力

41、作用的接触线具有张力T及单位长度质量m, Cp为接触线所形成的振动波的传播速度，Cp与悬挂综合张力T成正比，与悬挂的质量m成反比关系，故接触悬挂柔性索的波动速度Cp值可表示为 Cp= (3.3.1)式中 T、m分别为接触线的张力(N)及接触线的单位长度的质量(kg/m)； 、分别为接触线的应力(N/ mm2)及接触线线密度（kg/mmm）电气化铁路接触网链形悬挂，从无限长概念考虑，更多地表现为柔性索的性质，利用柔性的概念来计算波动速度Cp值已具有足够的准确性。根据国外的大量运行实践及试验表明，在运行速度为波动速度的65%72%时，具有最佳的运行效果。要想提高运行速度，从设计角度考虑，必须相应提

42、高接触线的波动速度。 3.3.2 振动波的反射与反射因数接触网适应高速的性能与接触线、承力索及吊弦三者之间的耦合及参数因素有关，即接触线的振动波在遇有非均匀点（如吊弦点、线夹点、分段绝缘器处）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，表明接触悬挂的耦合性能越好，其波动速度会大为提高。1.沿着接触线传播的连续振动波在硬点处的反射接触线上有一个非均质的硬点或结点，若在接触线上产生振动波，则这个沿着接触线连续传播的振动波在一个点xo处被阻止继续前进，但是，这个传动的波相当于一个移动的力，引起硬点响应的升高，并且有一定的波通过硬点而继续前进，一部分波则被返回。对于极短的波，质点的作用如

43、同接触线的固定拉紧一样。2.沿着接触线传播的振动波在吊弦处的反射在链形悬挂中，接触线和承力索通过吊弦相连，在吊弦处将产生反射横向波。设接触线的拉力为Tj，承力索的拉力为Tc，其质量参数值为mj或mc,吊弦的质量为M，接触线传播的波为yo(t-x/Cj),因而软索的运动方程式可由下式表示 2（+）+M=2 (3.3.2)吊弦的压弯条件为 2（g）/r (3.3.3)式中，r是反射因数，它是接触悬挂的一种特性3.3.3 多普勒因数受电弓在高速运行中，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

44、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，用多普勒因数表示。它是一个与波动速度及运行速度有关的系数。对于链形悬挂，处于静止状态时，其固定质量或其他非均匀性硬点处有横向波的反射，不会发生振幅变大。振幅放大是发生在移动的受电弓上的，受电弓以速度v沿着接触线移动，而在吊弦或定位器上的横向波在反射后迎着受电弓的方向又回去了。假定受电弓和接触线之间的接触压力由于干扰而升高p0，接触压力升高的力线性的叠加到接触线和受电弓的其他运动上。得出具有与p0成比例的速度的运动方程 = /(2) (3.3.4)在下一个吊弦点，波前沿以反射因数r1被反射，以斜率yr=ryo朝着受电弓前进，并迫使受电弓

45、具有以下运动速度 =r(+v)/(-v) (3.3.5)式中 Cp接触悬挂的波动速度； v列车的运行速度。3.3.4 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，还会周期性的激发接触线的振动（以波动形式表现），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。反射因数r、增强因数与多普勒因数的关系可用下式表示为 =r/ (3.3.6)反射因数r、增强因数与多普勒因数三项因素，影响较大的为增强因数。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r，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。通

46、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波的传播速率密切相关的，随着受电弓运动速度与接触线振动波的传播速度的比值逐渐提高而接近于1，受电弓的离线率将显著提高，因此提高接触线振动波的传播速率是减小受电弓离线率，提高机车运行速度的有效途径，3.3.5 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。接触线在受电弓抬升力的作用下，会有一定的升高（变形），这时，接触线本身必然在力的作用下产生应力的变化。抬升力越大，运行速度越大，则应力越大；而接触线张力较大时，应力变小。接触线的刚度大时，应力变大；抗弯截面模量变大时，应力变小。根据双链形悬挂的计算结果，受电弓作用点处

47、接触线前后变形是相同的，接触线在力的作用下，以受电弓所在位置为中心的附近，其应力变化加剧。高速铁路接触网及其受流被称为高速铁路三大难题之一，因而高速接触网和其相匹配的受电弓，组成了一个复杂的机械和电气系统。解决好高速接触网的一系列技术问题，对于提高运营质量及效益，减少故障，实现安全运营以及减少维修工作量，延长设备使用年限都是很有意义的。3.3.6 链形悬挂的固有频率链形悬挂是一个具有多自由度的振动系统，此系统存在大量的固有频率。对于由相等跨距组成的链形 ，存在着对称和反对称振动方式。前者是每两个镜像位置上的接触线质点在相同相中振动，后者在反相中振动。若为对称式，振动波幅位于对称轴上；若为反对称

48、方式，振动波节位于对称轴上，若是电杆跨距为偶数值的链形悬挂，其对称轴落在支承点上。若为反对称振动，基波振动的波长等于双倍跨距距离。3.4 弓网动态特性分析弓网动态特性，是指高速运行时受电弓和接触线之间所表现出的特殊性能，这种性能的特点，在低速阶段显现不出来，在高速阶段就表现出异常的特殊现象和性能。这种高速阶段的特殊性能产生的原因很多，除外界因素外，其决定性的因素是与受电弓的结构及质量、接触悬挂参数、结构及单位长度质量有关。这种动态特性所表现出来的现象，体现在接触线应力、弓线接触压力及受电弓的抬高量值均失去在低速阶段与运行速度同步的比例关系，且逐渐变成以平方关系组长，这种特性是由它自身的客观规律

49、决定的。应该指出，动态特性是存在于一切运动事物中的客观规律，只不过在高速运行的弓网关系中，表现得更为明显、更加突出，产生了许多预先没有想到的结果。还要指出，在高速运行时，在某些特定条件下，弓网之间会产生谐振，这只是动态特性在某些条件下的特殊表现，不是动态特性的唯一现象，既不可以把谐振描述成动态特性，也不可以把动态特性说成是谐振现象。研究动态特性的客观规律，限制动态特性的量值及发展是研究弓网动态特性的目的。1.弓网接触压力的动态特性在高速运行中，弓网之间的接触压力会出现两种现象：其一，如果弓和网均具有良好的性能并且有很好的适配性，这时弓网间的接触压力会随运行速度的增加而成非线形的增长，并且速度越

50、高，接触压力增长的量值越快，这是空气动力及惯性分量迅速增长的结果，是动态特性特有的现象；其二，受电弓或接触线的性能较差，在这种条件下，高速运行时就会产生跳跃式的振动，使受流条件极度恶化。例如，当接触悬挂的波动速度较低，而运行速度接近或达到波动速度时，其接触压力表现出时大时小的极不稳定的现象，或城不稳定运行，这是十分有害的。2.动态特性的应力特性接触线内的应力与速度有很密切的关系，当速度低于200km/h时，随着速度的增加，其应力增加缓慢；当速度超过200km/h以后，随着速度的增加，其应力显著增加，接触线应力过大，对于接触线的使用寿命是不利的。研究结果表明，接触线内的应力应限制在60Mpa以下

51、，才不至于影响接触线的使用寿命。3.动态特性的抬升特性动态抬升量是动态特性表现最为明显的一方面。低速运行时，接触线的抬升量由受电弓抬升力的平均值决定，这种抬升量可以视为静态抬升量，但实际上，在低速阶段仍存在着动态抬升量，就其比重看，它小于静态抬升量。随着运行速度的升高，除静态抬升量外，动态抬升量明显增加，此动态抬升部分与接触悬挂动态特性性能有关。动态抬升部分随着运行速度的增加变得很明显的大于静态值，这就是弓网动态特性的具体体现。4.动态特性的机理分析在高速运行条件下，振动波在接触线上的传播特性对受电弓的受流特性起着主导作用，以波的形式振动着的接触线与移动着的受电弓相互作用形成了非常负责的运动状

52、态含反射波的多普勒效应。该效应决定了受电弓与接触悬挂相互作用的基本状态。多普勒效应的强弱是用多普勒因数表示的，值越小或越接近于零。多普勒效应就越强。反射因数r反映了承力索与接触线通过吊弦的耦合情况，承力索与接触线振动波的传播匹配良好，反射因数r就越小。r/值越大，说明含反射波的多普勒效应就越强，受电弓与接触悬挂相互作用的动态性能就越差。由于反射因数r不易控制，降低接触线上的波速Cp与受电弓运动速度v的比值v/Cp是提高受电弓与接触网相互作用的稳定性和可靠性的主要途径。增强因数是很重要的一个动态特征因数，它充分显示了对接触悬挂的重要影响，随着运行速度的提高，接触悬挂在悬挂点处会产生较大的抬升量，

53、这种抬升量与运行速度并不成线形关系。为减小动态抬升量，必须提高多普勒因数，即相应的提高接触线的波动传播速度，也就是只有通过提高接触线拉力才有可能实现，不是通过加大接触线横截面积来提高拉力（指在拉应力恒定的情况下）。3.5 设计参数对高速受流的影响许多设计参数对高速运行的接触悬挂的受流性能都有重要影响。接触悬挂和受电弓共同作用的理论及检测方法建立了评价接触压力的一系列标准，用这些标准也可评价各设计参数对受流的影响。此外，现已用测量技术建立了检验两个子系统共同作用的方法，这些方法实施的结果较为充分的说明了各参数对运行质量的影响。所获得的认识构成了设计电气化铁路高速接触网的理论基础。1.接触线和承力

54、索的张力接触线和承力索的张力对高速运行时的接触悬挂的性能有重要影响。对于高速接触悬挂的要求是弹性小而且均匀，这就要求接触线和承力索的张力尽可能大，加大线索的张力有两种途径：其一是增大其横截面；其二是提高使用拉力。在拉力恒定时，接触线和承力索横截面积的增大会相应的减少弹性。为了保持较小的弹性，因此力求用尽可能大的横截面的接触线和承力索。当然，随着横截面积的增大而费用也增加，从经济性方面的原因考虑，横截面积应维持尽可能小。在较大的横截面时，接触压力的标准误差较低，因此多普勒因数也相等，所以在极限速度范围内使用的接触悬挂，仅仅加大横截面积没有决定性的作用，因为在相同拉力的条件下，横截面加大必然会使单

55、位长度的质量增加，因而会使波动速度降低，这对提高运行速度是不利的。若横截面积相等，提高拉应力会减小链形悬挂的弹性，并会提高接触线上的波动传播速度。提高接触线的拉应力也会对反射因数产生影响。提高接触线拉应力会改善接触悬挂的特性参数，这种改善在动态性能方面是很重要的。2.跨距长度接触悬挂的弹性是很重要的参数，跨距中心的弹性与跨距成正比。跨距的减小也降低了链形悬挂的弹性，因此小跨距适合于高速，由于经济原因跨距应尽可能大，这里面有一个经济性和技术性综合比选与优化问题。降低弹性、缩短跨距有助于降低动态特性。3.结构高度在悬挂点处，承力索和接触线之间的铅垂距离称为结构高度，它是接触网一个很重要的技术参数。

56、在设计中，一般隧道区段的结构高度为1.10m（指新建路段），对于区间区段，无论跨距是44m或65m，其结构高度均为1.80m。很显然，结构高度大具有较好的动态性能，这一点也反映在标准偏差上，在时速为280km/h时，标准偏差值由从23N降低到19N。对于高速接触网，应有足够的结构高度，这样可使最短的吊弦长度达到0.8m或1.20m，最短吊弦较长时对受流较为有利。4.弹性辅助索的长度及张力变Y形弹性辅助索的作用，是改变悬挂点区域内的弹性性能，使整个跨距内的弹性更趋于均匀一致，以满足高速受流的需要。变Y形弹性辅助索的长度及其张力是经过设计计算确定的。不同长度的弹性索，所产生的技术效果是不一样的。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。弹性索的张力也应该经过设计确定，弹性辅助索的张力与接触线和承力索的张力的取值，是以使悬挂点区