弓网关系研究组

弓网关系研究组

      弓网关系是高速电气化铁路的关键技术之一。受电弓－接触网作为电力列车提供电能的重要装备，其良好的受流质量是列车高速运行的先决条件和弓网自身寿命的保障。而受流质量的好坏，取决于受电弓、接触网的结构、动力学参数以及两者良好的匹配关系。随着高速铁路的大力发展，列车运行速度大大提高，一些传统问题（诸如离线、烧伤、摩擦磨损电弧烧蚀破坏，弓网冲击破坏，动荷载下的疲劳破坏等等）变得更加严重，同时弓－网－气流之间的相互作用也在加剧，这就对弓网的材料、结构、动力学参数、空气动力学性能等提出新的要求。

      课题组长期以来一直致力于弓网系统研究，基础理论不断加强，试验装备不断完善。先后承担了国家自然科学基金——高速铁路受电弓－接触网系统的混合仿真及非线性控制研究、四川省人事厅——电力机车受电弓高速化技术的研究、教育部博士点基金——高速受电弓—接触网系统动力学性能的研究、铁道部——接触网系统安全及可靠性的研究、国家自然科学杰出青年基金——结构与系统动力学（弓网部分）、铁道部——BJ200系列接触网零件系统化研究、铁道部——受电弓－接触网系统研究、国家973课题——高速列车牵引传动与制动系统（高速受电弓研制）、科技支撑计划项目——中国高速列车关键技术研究及装备研制—共性基础及系统集成技术（弓网部分）等项目以及多项横向项目。在诸多项目的支撑下，课题组取得了丰硕的成果，在国内外核心期刊发表论文数十篇，其中张卫华教授的A study on dynamic behavior of pantograph by using hybrid simulation method”(“基于混合模拟方法的受电弓动态特性研究”)，被评为(英国)机械工程师学会2005年最佳原创论文，获得Thomas Hawksley金奖, 同时获得铁道分学会的J F Alcock RIA 纪念奖，多篇论文获得中国科协期刊优秀学术论文奖。申请专利5项，其中发明专利2项，实用新型专利3项。自主开发了受电弓系统结构设计分析、接触网系统结构设计、弓网系统动力学仿真、高速列车弓网机械系统RAMS分析平台等软件，逐步形成了我国弓网系统的数字化设计平台。研制了高速受电弓动态模拟试验台、高速受电弓－接触网系统载流摩擦磨损试验台、高速受电弓－接触网系统线路测试系统，弓网关系试验平台建成以来，承担了国内外大量实验研究。大量成果已成功地应用于我国高速铁路中，并取得了良好的经济效益。其中，受电弓－接触网系统动力学研究及其应用获得四川省科技进步二等奖、接触网系统的可靠性、可用性、可维修性和安全性（RAMS）分析与研究获得湖北省科技进步二等奖、交流电气化铁路牵引供电及接触网系统仿真研究获得湖北省科技进步二等奖、铁道部科技进步三等奖。在此基础上，已成功完成了V500超高速受电弓的结构设计。

学术带头人：张卫华教授 

团队成员：

马启文、陈光雄、吴积钦（电气学院老师）、吴学杰、吴向东（机械学院老师，牵引动力学博士研究生）、王晓博、周宁、李瑞平、宋冬利、梅桂明

研究内容：

1 高速受电弓－接触网系统动力学研究

弓网系统动力学分析可用于评价弓网受流质量和优化弓网动力学参数，可大大缩短接触网和受电弓的设计周期，减少设计成本。课题组在弓网系统动力学理论方面取得了很大的进展，受电弓模型从质量块模型发展为刚体模型、刚柔混合模型和全弹性有限元模型，接触网模型从二维模型发展为考虑拉出值的三维有限元模型，弓网关系从垂向耦合关系发展为空间耦合关系，其计算方法由模态叠加法发展为直接积分法，并正在发展高速气流状态下弓网关系研究。

2 高速受电弓结构优化设计及其强度、可靠性分析

受电弓结构优化设计主要使受电弓满足铁路标准的运动学要求（工作范围、落弓高度和弓头横向偏移等），本课题组建立了基于罚函数的受电弓运动学优化方法。结构设计必须进行强度和可靠性分析，课题组采用有限元仿真方法，建立了基于截尾分布的受电弓静强度可靠性分析模型，计算了受电弓关键部件的静强度可靠度，和基于可靠度的安全系数，完成了《V500受电弓整体静强度分析报告》、《V500受电弓零部件静强度校核报告》。

3 高速接触网结构设计及其动力学研究

接触网结构设计主要包含接触网张力、接触网材质、预留弛度、吊弦长度、跨距、拉出值和锚段长度设计等。接触网张力、接触网材质、预留弛度主要影响弓网动力学性能；吊弦长度的准确计算可缩短接触网安装时间；跨距和拉出值的设计依据接触网在受横风作用时的风偏；锚段长度设计依据接触网所在地区的温度变化。本课题组通过仿真技术实现了接触网张力、预留弛度和受电弓动力学参数的最优匹配方案，并成功指导我国高速电气化铁路的接触网设计；发展的分模法和负弛度法可准确计算接触网吊弦长度；基于AR模型建立的接触网脉动风场以及考虑拉出值的三维接触网模型，可有效进行接触网风振研究，改变了长期以来接触网设计只能考虑平均风作用下计算接触网风偏的方法，使得接触网风偏计算更准确。

4 高速受电弓气动特性研究

随着列车运行速度的提高，气流对弓网系统的影响增大，受电弓在高速气流作用下产生的气动抬升力直接影响到弓网接触压力。课题组对受电弓的气动特性进行了详细的理论研究，建立受电弓气动抬升力计算方法并计算得到了受电弓各部件详细的气动力数据，同时对受电弓进行了风洞试验和线路空气动力学试验。在此基础上对新型V500高速受电弓进行了空气动力学外形设计，并正在发展流固相互作用下的弓网关系研究。

5 高速受电弓主动控制系统研究

       由于弓网的结构参数不可能无限提高，例如，为了改善接触网的刚度不均匀性和波动速度，应该提高接触网上张力，但考虑接触网的强度问题，张力不可能太大。在此背景下，课题组对主动控制受电弓进行研究，通过主动控制来提高受电弓的动态特性，以实现良好的弓网受流。

二、试验平台建设

1混合模拟弓网试验台

混合模拟弓网试验台由三个部份组成：下部是模拟机车振动激振系统，中间是被试受电弓，上部为模拟接触网动态行为的系统。

该试验台主要进行受电弓动态特性测定测试，主要内容包括：

1）受电弓频响特性测定

2）受电弓动态参数测定

3）受电弓跟随性测定

4）受电弓运行动态性能测定

5）受电弓气动特性测定

该试验台承担部分试验：

试验台承担的部分试验

2 高速受电弓参数测定及其弓网系统试验研究

       研究了高速受电弓参数测定方法，并研制了参数测定装置，为受电弓参数测定提供方法和平台。开展了弓网系统试验研究，为系统动力特性，气动特性，摩擦磨损等问题研究提供平台。

3 高速受电弓－接触网系统载流摩擦磨损研究

课题组建成了受电弓－接触网系统摩擦磨损试验台，该试验台能模拟受电弓和接触网的相对运动和接触压力的变化；另外试验台利用牵引动力国家重点实验室的铁路供电系统（25KV）和吸能装置，可以进行受流模拟。这样该试验台可以考虑到强电场、强磁场、高温度场和振动条件下受电弓与接触线间发生相对高速滑动，为研究电弧烧蚀与机械磨损的交互作用的机理，掌握滑板与导线的摩擦匹配特性，建立电弧烧蚀与机械磨损物理与数学模型，提供有力的试验条件。

4 线路试验

为进行线路试验，课题组配备了高速受电弓/接触网系统线路测试系统，并组织完成了包含地铁、大铁路在内的数次线路试验，为铁路弓网理论研究提供了充分有效的试验数据，有效指导了我国铁路弓网的改进和创新发展。

近五年主持和参加的重大项目一览表