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[摘 要]电气化是铁路发展的大势所趋，为保证铁路电气化过程中良好的弓网受流，需要对接触网及受电弓进行系统研究。本文对目前世界范围内广泛应用的三类接触网，简单链型、弹性链型及复式链型接触网的结构特性及作用特点进行總结。文中还对受电弓动力学建模常用的四种模型，多刚体模型、归算质量模型、刚柔混合模型、全柔性体模型进行对比。为建立合适的弓网动力学模型，本文结合目前应用最广泛的几种接触网简化方式，单根索结构、单根梁结构及实际接触网结构，对弓网系统动力学的建模方法及动力学方程进行推导。
[关键词]接触网、受电弓、弓网系统、动力学
中图分类号：TM933.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）04-0400-01
电气化铁路以其速度快、运力大、污染小、安全可靠、能耗小等突出优点得到越来越快的发展。电气化铁路目前均采用电力牵引，列车在高速运动条件下通过受电弓从接触网上取得电能，而且必须保证其供电的绝对可靠和不间断，否则将影响列车运行和电气驱动系统的性能。所以，高速电气化铁路的关键技术之一是如何保证在高速运行条件下具有良好的受流质量，即在列车高速运行时保持稳定的动态受流[1]。动态受流是指列车通过受电弓在与接触线相对滑动的条件下，通过弓网接触点受取电流并传给列车的过程。这一过程中受电弓与接触线在电气方面与机械方面相互作用、相互制约，会引起接触线在垂向的振动，接触网与受电弓的动力学关系成为了目前需要攻克的课题之一。本文对目前常用的接触网、受电弓类型及建模分析时的模型进行分析。
1 接触网类型
根据接触网悬挂方式的不同，主要可将其分为三类，分别为简单链型悬挂接触网、弹性链型悬挂接触网和复式链型悬挂接触网[2]。
（1）简单链型悬挂接触网
简单链型悬挂接触网主要由承力索、接触线、吊弦等三大部分构成。简单链型悬挂接触网静态弹性不均匀度较大，导致受电弓运行轨迹的平缓度较差，但当接触线设置适当的预留驰度时可得到明显的改善。简单链型悬挂接触网的结构最为简单，投资最省，施工调整、运营维护及事故抢修较容易。目前使用简单链型悬挂接触网的主要有法国TGV标准简单链型悬挂接触网、意大利弓网系统及我国的京津客运专线弓网系统。
（2）弹性链型悬挂接触网
弹性链型悬挂接触网与简单链型接触网的结构区别在于多了辅助承力索。弹性链型悬挂接触网静态弹性不均匀度较小，受电弓的运行轨迹也较平缓。但接触网的平均抬升量较大，稳定性较差，需专门的安装测试工具，施工调整及事故抢修难度比较大。德国的Re330及Re250等均为此种悬挂类型的接触网，在我国的武广高速客运专线及京沪高速客运专线等也均是采用此种悬挂类型的接触网。
（3）复式链型悬挂接触网
复式链型悬挂接触网构造较前两者差别较大，相对比较复杂。虽然此类型悬挂接触网弹性均匀系数相当好，但是造价高，且施工、维修等方面均不方便。此种悬挂方式的弓网系统主要在日本新干线等使用，从新建线路看在时速低于300km/h的线路上有向简链过渡的趋势。
2 接触网简化模型
（1）单根索结构接触网弓网系统
为了方便计算分析，许多时候对接触网问题的研究中都将接触网简化为带有张力的弦索结构来模拟，主要做了以下的简化：1）忽略吊弦与接触线的相互作用；2）忽略了承力索对接触线的影响；3）忽略了接触线的抗弯刚度，将其简化为理想柔软弦索单元[3].
（2）单根梁结构接触网弓网系统
由于高速列车速度大幅增加，列车运行过程中接触网的高频振动也随之增加，而当振动频率比较高时，接触线的梁特性就显现的比较明显了，故本文采用伯努利-欧拉梁单元代替了理想柔软弦索单元。
3 接触网动力学模型
直接建立接触网的简化结构模型，并通过有限单元法，建立接触网的运动微分方程的方法的优点是可以直接求解，避免了模态叠加方法中模态截断所带来的误差，由此该方法也成为目前主要采用的建模方法。但由于模型规模和计算吋间的增加，使得建模的效率相对降低。采用有限元法直接建立接触网模型时，结构形式、单元类型、计算方法等因素对其结构性能的影响比较大。因而，研究时针对不同的模型结构形式、单元类型和求解方法对其静态和动态性能的影响进行分析，以确定最佳的建模方法。硏究结果表明：采用空间的现实平衡态的结构形式，并考虑接触网拉出值的影响，基于梁单元同时考虑单元的轴向刚度，通过负驰度法或分模法对接触网的初始平衡状态进行求解，从而建立接触网的结构模型是较为合理的[4]。
由此，建立的接触网动力学平衡方程有如下的形式：
式中：为接触网质量矩阵；为接触网阻尼矩阵；为接触网刚度矩阵；为接触网节点加速度向量；为接触网节点速度向量；为接触网节点位移向量；为接触网节点载荷向量。
4 受电弓类型
目前应用较多的高速列车受电弓大致包括德国DSA受电弓、法国TGV型受电弓及日本PS系列受电弓，DSA系列单臂受电弓是目前我国最新引进的产品，适用于相应速度等级的各种电力机车及动车组，如哈大线使用的是DSA200CR受电弓，秦沈线上使用的是DSA380CR受电弓。DSA系列受电弓采用先进的结构设计及大量采用优质铝合金和不锈钢等轻型材料，整弓质量较轻，实现了弓网的良好接触。带有独特的自动降弓装置，动态情况下1.25离线150mm。DSA250型受电弓广泛应用在“和谐号”动车组列车上，以适应高变化的沿线架空电缆接触网。法国国铁（SNCF）所采用的160km/h以上的受电弓有AMDE型受电弓、GPU型受电弓、X系列受电弓。法国东南新干线采用AMDE型受电弓于1981年2月26日，创造了380km/h的当时的世界记录，AMDE型受电弓为双层小开度型（或称子母弓）受电弓。法国国铁（SNCF）在大西洋新干线采用GPU型受电弓于1990年5月18日，创造了515.3km/h的世界纪录[5]。
5 受电弓模型
随着研究的深入，一些标准的受电弓数学模型已经建立，从而形成了较为完整的受电弓模型库，主要包括：多刚体模型；归算质量模型；刚柔混合模型；柔性体模型等。采用不同的受电弓模型将对弓网动力学分析造成明显的差异。
上述为目前电气化铁路使用较多的接触网-受电弓系统的各组成部件及各部分作用及建模时所需的工作，在实际工作中需要对系统进行深入研究以保证受流质量。
参考文献
[1] 李夫忠.接触网波动特性及提高波速利用率途径的研究.西南交通大学硕士学位论文，2012.
[2] 周宁，张卫华.双弓作用下弓网动力学性能.西南交通大学学报，2009， 44（4）：552-557.
[3] Mitsuo ABOSHI，Katsushi MAN ABE.Analyses of contact force fluctuationbetween catenary and pantograph[J].Quarterly Report of RTRI，2000；41（4）：182-187.
[4] 马果垒.受电弓系统研究.西南交通大学硕士学位论文，2009.
[5] 钱立新.世界高速铁路的发展水平和中国高速铁路的技术进展.铁路采购与物流.2009.9.19-20.
作者简介
张辉，男，1986年11月9日出生，目前为武汉铁路局武汉供电段工作人员，主要工作内容为电气化铁路接触网设备检查和检修及故障情况下的应急抢修任务。
[关键词]接触网、受电弓、弓网系统、动力学
中图分类号：TM933.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）04-0400-01
电气化铁路以其速度快、运力大、污染小、安全可靠、能耗小等突出优点得到越来越快的发展。电气化铁路目前均采用电力牵引，列车在高速运动条件下通过受电弓从接触网上取得电能，而且必须保证其供电的绝对可靠和不间断，否则将影响列车运行和电气驱动系统的性能。所以，高速电气化铁路的关键技术之一是如何保证在高速运行条件下具有良好的受流质量，即在列车高速运行时保持稳定的动态受流[1]。动态受流是指列车通过受电弓在与接触线相对滑动的条件下，通过弓网接触点受取电流并传给列车的过程。这一过程中受电弓与接触线在电气方面与机械方面相互作用、相互制约，会引起接触线在垂向的振动，接触网与受电弓的动力学关系成为了目前需要攻克的课题之一。本文对目前常用的接触网、受电弓类型及建模分析时的模型进行分析。
1 接触网类型
根据接触网悬挂方式的不同，主要可将其分为三类，分别为简单链型悬挂接触网、弹性链型悬挂接触网和复式链型悬挂接触网[2]。
（1）简单链型悬挂接触网
简单链型悬挂接触网主要由承力索、接触线、吊弦等三大部分构成。简单链型悬挂接触网静态弹性不均匀度较大，导致受电弓运行轨迹的平缓度较差，但当接触线设置适当的预留驰度时可得到明显的改善。简单链型悬挂接触网的结构最为简单，投资最省，施工调整、运营维护及事故抢修较容易。目前使用简单链型悬挂接触网的主要有法国TGV标准简单链型悬挂接触网、意大利弓网系统及我国的京津客运专线弓网系统。
（2）弹性链型悬挂接触网
弹性链型悬挂接触网与简单链型接触网的结构区别在于多了辅助承力索。弹性链型悬挂接触网静态弹性不均匀度较小，受电弓的运行轨迹也较平缓。但接触网的平均抬升量较大，稳定性较差，需专门的安装测试工具，施工调整及事故抢修难度比较大。德国的Re330及Re250等均为此种悬挂类型的接触网，在我国的武广高速客运专线及京沪高速客运专线等也均是采用此种悬挂类型的接触网。
（3）复式链型悬挂接触网
复式链型悬挂接触网构造较前两者差别较大，相对比较复杂。虽然此类型悬挂接触网弹性均匀系数相当好，但是造价高，且施工、维修等方面均不方便。此种悬挂方式的弓网系统主要在日本新干线等使用，从新建线路看在时速低于300km/h的线路上有向简链过渡的趋势。
2 接触网简化模型
（1）单根索结构接触网弓网系统
为了方便计算分析，许多时候对接触网问题的研究中都将接触网简化为带有张力的弦索结构来模拟，主要做了以下的简化：1）忽略吊弦与接触线的相互作用；2）忽略了承力索对接触线的影响；3）忽略了接触线的抗弯刚度，将其简化为理想柔软弦索单元[3].
（2）单根梁结构接触网弓网系统
由于高速列车速度大幅增加，列车运行过程中接触网的高频振动也随之增加，而当振动频率比较高时，接触线的梁特性就显现的比较明显了，故本文采用伯努利-欧拉梁单元代替了理想柔软弦索单元。
3 接触网动力学模型
直接建立接触网的简化结构模型，并通过有限单元法，建立接触网的运动微分方程的方法的优点是可以直接求解，避免了模态叠加方法中模态截断所带来的误差，由此该方法也成为目前主要采用的建模方法。但由于模型规模和计算吋间的增加，使得建模的效率相对降低。采用有限元法直接建立接触网模型时，结构形式、单元类型、计算方法等因素对其结构性能的影响比较大。因而，研究时针对不同的模型结构形式、单元类型和求解方法对其静态和动态性能的影响进行分析，以确定最佳的建模方法。硏究结果表明：采用空间的现实平衡态的结构形式，并考虑接触网拉出值的影响，基于梁单元同时考虑单元的轴向刚度，通过负驰度法或分模法对接触网的初始平衡状态进行求解，从而建立接触网的结构模型是较为合理的[4]。
由此，建立的接触网动力学平衡方程有如下的形式：
式中：为接触网质量矩阵；为接触网阻尼矩阵；为接触网刚度矩阵；为接触网节点加速度向量；为接触网节点速度向量；为接触网节点位移向量；为接触网节点载荷向量。
4 受电弓类型
目前应用较多的高速列车受电弓大致包括德国DSA受电弓、法国TGV型受电弓及日本PS系列受电弓，DSA系列单臂受电弓是目前我国最新引进的产品，适用于相应速度等级的各种电力机车及动车组，如哈大线使用的是DSA200CR受电弓，秦沈线上使用的是DSA380CR受电弓。DSA系列受电弓采用先进的结构设计及大量采用优质铝合金和不锈钢等轻型材料，整弓质量较轻，实现了弓网的良好接触。带有独特的自动降弓装置，动态情况下1.25离线150mm。DSA250型受电弓广泛应用在“和谐号”动车组列车上，以适应高变化的沿线架空电缆接触网。法国国铁（SNCF）所采用的160km/h以上的受电弓有AMDE型受电弓、GPU型受电弓、X系列受电弓。法国东南新干线采用AMDE型受电弓于1981年2月26日，创造了380km/h的当时的世界记录，AMDE型受电弓为双层小开度型（或称子母弓）受电弓。法国国铁（SNCF）在大西洋新干线采用GPU型受电弓于1990年5月18日，创造了515.3km/h的世界纪录[5]。
5 受电弓模型
随着研究的深入，一些标准的受电弓数学模型已经建立，从而形成了较为完整的受电弓模型库，主要包括：多刚体模型；归算质量模型；刚柔混合模型；柔性体模型等。采用不同的受电弓模型将对弓网动力学分析造成明显的差异。
上述为目前电气化铁路使用较多的接触网-受电弓系统的各组成部件及各部分作用及建模时所需的工作，在实际工作中需要对系统进行深入研究以保证受流质量。
参考文献
[1] 李夫忠.接触网波动特性及提高波速利用率途径的研究.西南交通大学硕士学位论文，2012.
[2] 周宁，张卫华.双弓作用下弓网动力学性能.西南交通大学学报，2009， 44（4）：552-557.
[3] Mitsuo ABOSHI，Katsushi MAN ABE.Analyses of contact force fluctuationbetween catenary and pantograph[J].Quarterly Report of RTRI，2000；41（4）：182-187.
[4] 马果垒.受电弓系统研究.西南交通大学硕士学位论文，2009.
[5] 钱立新.世界高速铁路的发展水平和中国高速铁路的技术进展.铁路采购与物流.2009.9.19-20.
作者简介
张辉，男，1986年11月9日出生，目前为武汉铁路局武汉供电段工作人员，主要工作内容为电气化铁路接触网设备检查和检修及故障情况下的应急抢修任务。