接触网和受电弓的相互作用

9.3.1 宗旨和目标

向高速列车供电的新型接触网的设计不可能采用早期传统的电力牵引系统方法，因为在这种速度下，过去的经验不适用。随着速度的提高，弓网相互作用变得越来越重要。只有考虑到包括接触网和受电弓在内的各类配套的系统设备，才能获得一个切实有用的设计方案。计算机模型方式是模拟这些部件的相互作用的有效选择。采用这样的数学模型既能证明各种参数的作用，还可以评估不同系统的相互作用。

动态模拟的目的是要确定滑板作用在接触线上的移动接触压力与时间相关的特性，以及和接触线抬升的相互关系。在这个过程中，必须同时分析多个接触点的相互作用，例如，采用单弓和多弓。为了使应用的模型更有效，还要计算比测量接触压力更容易的其他参数，如接触网的运动 [9.12]。为充分考虑所有相关性，模型必须能模拟接触网设备的以下特性：

图9.8 型号为SBS 81受电弓的三个质量模型

m—各部分质量; c—弹簧弹性模数; d—阻尼;F_R—摩擦力

图9.9 受电弓的6个质量模块分别带有弹性

滑板 (符号同图9.8)

—各种类型的接触线、承力索、弹性吊索和吊弦，包括它们的材料特性和安装条件;

—不同的接触网设备，例如，弹性承力索，有辅助承力索，或者吊弦间隔不均匀;

—各种支持结构的动态特性，即，定位管、腕臂支持装置和支柱;

—不连续性，比如象分段绝缘器，锚段关节、接触网高度的下降及上述位置处的接触网装置;

—完整的锚段。

受电弓和滑板模型一定要考虑以下基本参数：

—不同类型的受电弓结构和它们各自的特性，如，单臂受电弓、双臂受电弓;

—不同类型的接触元件，如，滑板面、单个滑板。

子系统的参数应易于改变，可允许优化参数。另外，受电弓和接触网模型的质量必须相当或接近，以保证计算结果的准确。

受电弓和接触网设备是两个独立接触点上相互振荡和耦合的系统。有多个滑板的受电弓就会形成多点短距离分离接触，再利用这种模型，通过接触压力和接触点的位置，可以建立部分模型之间的耦合。

9.3.2 受电弓系统的模型

接触网与受电弓的接触点形成了两个系统的耦合。这就要求合理模拟在这一点的特性和相互作用。　必须计算接触压力和接触点的垂直运动。如果采用系统的平面模型，可认为力总是作用在滑板的同一点上。假设通过滑板力的作用点的线性横向移动，可以考虑接触线的横向移动的立体作用。

由替换的质量代替受电弓，通过弹簧和缓冲器相互耦合，建立一个简单的模型，这种模型的振荡行为可以通过一个系统的二次微分方程表达。方程式的多少取决于替换质量的数量，即取决于系统自由度的数量。通常情况下采用三个替换质量。它们可以利用质量代表受电弓的下框架、上框架和滑板板面。图9.8为采用三个质量模型SBS 81型德国铁路受电弓 [9.13]。

替换质量数量少意味着只考虑选择受电弓振荡模式。例如，受电弓上框架附件的复合振荡以及图9.8所示的单个弹性滑板均不含在这种模型中。

图9.9是由于研究带单个弹性滑板的受电弓，采用的6块质量模型的形式。这里，滑板的质量被分成位于不同支持点上的分质量块。沿滑板的冲击力在各质量块中相对于接触点的位置成线性分布。

图9.10 受电弓模型的分析

在参考文献 [9.14] 中所开发的模型是专门用于条形滑板的单臂受电弓。这种受电弓模型有四个自由度，如图9.10所示，不仅考虑了进行条形弹簧的垂直运动和中、低部连接的有角度的运动，而且还考虑了上框架的弯曲。插入数学模块的参数是从受电弓部件的几何和材料参数中推导出来的。不幸的是没有通用的分析摸型，因为设计中每个微小的变化，比如，采用单个的弹性滑板，就需要新的运算法则。采用有限元法就可以得到理想的精确度。在参考文献 [9.15] 中，ICE的受电弓的模型就是采用的有限元法，具有480°的旋转范围，也包括了其中的运算过程。为得出这样的结论在计算中付出了高昂的代价，但

计算模型精确度的改进却微乎其微。因此，参考文献 [9.15] 的作者仅采用了简单的三个质量模型来优化受电弓的设计。

图9.11 SBS 65型和DSA350型受电弓设计的动态外观质量模块

还可以用测得的与频率相关的动态表面质量和动态模拟弹性受电弓 (参见参考文献[9.1] 的图9.11.)。这样在计算中可将受电弓的冲击和反应视为在相应频率时单独反应的累加。在此模型中，采用单独频率运算方法是具有优势的。在其他的模型中，通过谐波分析可以确定激励模型。除了上述的测量外，通过考虑单独频率传输惯性，也可以确定动态表面质量的相位反应。

9.3.3 接触网模型

9.3.3.1 基本思路