张 冰，刘会平，韩通新

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

弓网受流是电化列车获得动力的关键环节。随着250～350 km／h高速铁路的投入运营，弓网系统受到的高速气流动力作用显著增大，干扰弓网受流性能，影响列车正常运行和安全。研究气动力作用对改进受电弓设计、调试弓网关系、保障高速列车行车安全，都具有重要理论意义和应用价值。目前国内外针对弓网关系的研究取得了很大进展，研究受电弓的气动力特性，可以采用理论计算、随车运行测试和风洞模拟试验等手段［1－3］。随着京津、武广、郑西、沪杭、京沪高铁的运营，在实际运营线路上进行动车组受电弓气动力学及弓网受流的运行测试，是有效的研究试验手段。

分析了弓网受流与气动力学的关系，建立受电弓气动力学分析模型，采用随车运行测试和风洞试验取得的试验数据，分析比较不同受电弓类型、运动方向、运行速度条件下的受电弓气动力变化与弓网受流的影响关系，为受电弓优化气动力性能，改善弓网受流提供技术依据。

1 弓网受流与气动力效应

1.1 弓网受流系统

接触网和受电弓是弓网系统的基本组成部分。弓网受流是一个动态过程，只有保持弓网间的平滑运行和可靠接触才能保证列车不断地从接触网上获得电能。弓网接触力不稳定和弓网间跟随性不好，是造成离线火花、功率传输不稳定、接触线及受电弓滑板磨耗、电磁干扰的重要因素［4］。受电弓与接触线在滑动过程中，若接触力过小，功率损耗增加，受电弓运行起来容易产生离线和燃弧，从而导致接触线和滑板的电磨损增加；若接触力过大，又会使机械磨损增加，接触网抬升量增大，严重时造成滑板局部磨损，进而造成接触线弹跳拉弧，以致刮弓。可见，弓网动态接触力是在列车高速运行条件下，描述受电弓与接触线之间的接触程度和状态的关键力学因素，动态接触力范围是评价与控制受流质量的重要条件及内容。

1.2 气动力效应

列车在以空气为介质的空间中运行并受到气动作用力。随着列车运行速度的提高，空气阻力与车速平方成正比关系增大，并在列车周围形成较大的不稳定气流，对车身产生横向和竖向的振动与冲击作用，影响列车稳定性和安全。因此，气动力影响成为高速列车设计、制造和运行的重要问题。

从弓网系统结构看，高速列车的气动力作用能显著影响弓网之间动态接触力的稳定性。根据气动力学原理，当列车高速运行时，受电弓受到空气压差力F和空气摩擦力R的综合作用。前者是沿运行方向在受电弓前后两面形成的空气压力差；后者是在受电弓滑板和框架外表面形成的空气黏附阻力［5－6］。弓网结构还会造成空气的紊流振动作用；当受电弓设置导流装置时，还会因导流翼片上下空气压差形成附加竖向升力。列车高速运动形成的气动力作用能显著影响受电弓的总体竖向抬升力，进而影响弓网动态接触力变化范围。

2 受电弓受力模型

目前国内高速列车普遍采用的受电弓结构，一般由固定支座、上臂杆、下臂杆、平衡杆、空气弹簧、中间铰接支座、弓头滑板、导流翼片等部件组成，受电弓结构、运行速度和方向、自然风以及电力机车及动车顶部形状等，都对受电弓的气动力作用产生影响。列车高速运行对受电弓臂杆、滑板和导流翼片等产生的气动力合力可分解为竖向分力和水平分力。水平分力对弓网接触力和受流影响较小，可忽略不计；而竖向分力即抬升力则对弓网动态接触力产生较大的直接作用，从而影响受流关系。因此只需考虑空气抬升力对弓网动态接触力的影响。

根据上述分析，影响弓网受流的动态接触力是多种力学因素竖向分力的综合作用结果（如图1所示），包括受电弓支架的初始抬升力，受电弓高度快速变化产生的竖向惯性力，气动力作用的动态抬升力，受电弓高度变化时铰接处的摩擦阻力。根据力学平衡原理，受电弓在高速运行过程中的弓网力学方程的竖向分量可表示为公式（1），当受电弓向上运动时取负号，受电弓向下运动时取正号。

图1 典型受电弓动态竖向受力分析模型

式中B为弓网动态接触力，N；B0为受电弓初始抬升力，N；B m为受电弓铰接处摩擦阻力，N；B a为受电弓压力的动力分量，N，B a＝ma，其中m为受电弓归算质量，a为竖向运动加速度并随受电弓高度变化；Bk为受电弓的气动力竖向分量，N，随机车运行速度的变化在很大范围发生改变。

3 受电弓气动力学性能试验研究

目前国内高速动车组安装的受电弓包括：（1）双滑板单臂受电弓，即DSA250型、DSA380型、SSS400型，均为非主动控制型受电弓；（2）单滑板单臂受电弓即法维莱CX型，为主动控制型受电弓。以上各类型受电弓在正式运营之前都完成了受电弓气动力学的线路运行测试，获得了大量的试验数据，以优化受电弓气动力性能，并确定最优的气动力性能调整方案。以DSA250型、SSS400型、法维莱CX型受电弓为例，分析不同受电弓类型、运动方向和运行速度条件下受电弓气动力变化对弓网受流的影响。

受电弓所受的气动力是弓网动态接触力的重要组成；弓网动态接触力必须保持在合适的范围内，才能保证受电弓正常的取流。在列车高速运行过程中，气动力变化直接影响弓网动态接触力变化范围，从而影响受流质量。根据式（1），确定3组试验的测试参数。

3.1 DSA250型受电弓测试

DSA250型受电弓是目前用在250 km／h速度以下动车组的双滑板单臂受电弓。在实际线路测试中，开口方向运行时弓网动态接触力显著偏小，影响受电弓取流，因此进行风洞试验来分析优化气动力性能。图2为优化前后的风洞试验数据曲线，在弓头的横杆上加装导流板以改善气动力特性来加大弓网动态接触力。调整后在实际线路上进行了测试，进一步调整导流板的角度，使气动力性能更加优化，弓网动态接触力达到了合理的范围，其弓网受流性能得到显著的提高。

图2 DSA250型加装导流板前后的风洞试验结果

3.2 SSS400型受电弓测试

SSS400为双滑板单臂高速受电弓，满足运行速度350 km／h高速动车组的需要。采用在每个滑板和顶管弯头弹簧箱下各加装两个导流翼片的结构，来改变气动力学性能。

利用受电弓气动力学检测系统分两个步骤进行测试，以解决受电弓开口方向和闭口方向所受到的气动力以及两条滑板受到的气动力的平衡问题。第1步被测受电弓不作为取流弓，滑板与接触线不接触，测试受电弓气动力，并依据数据对受电弓导流翼片角度进行反复调整；第2步当受电弓滑板气动力调整达到预定目标时，进行被测受电弓取流的弓网动态接触力测试，并再次对受电弓导流翼片进行调整，以达到受电弓受流良好［4］。

3.2.1 气动力测试结果

在武广高速线路，对CRH2－068C动车组安装的SSS400型受电弓进行气动力学测试分析，以改善气动力对受电弓的影响。图3～图6分别为开口方向和闭口方向受电弓气动力学性能测试结果，其中包括前滑板、后滑板和总气动力变化曲线。

分析受电弓气动力学数据可知，在速度达到350 km／h时，开口方向前后滑板受力均匀，但是闭口方向前后滑板受力相差20 N，不平衡；多次调整导流翼板角度后，开闭口方向前后滑板受力相差都降低到10 N以内，前后滑板受力比值均调整到标准值（0.8～1.2）范围内。

图3 开口方向气动力曲线（导流翼板调整前）

图4 闭口方向气动力曲线（导流翼板调整前）

图5 开口方向气动力曲线（导流翼板调整后）

图6 闭口方向气动力曲线（导流翼板调整后）

3.2.2 弓网动态接触力测试结果

被测受电弓开始取流，进行弓网动态接触力的测试，以确定实际开口和闭口方向平均接触力是否在标准范围内。图7、图8的动态接触力实测曲线表明，受电弓导流翼片调整后，开闭口运行时弓网动态接触力比较均衡，开口方向平均动态接触力在80～90 N之间，闭口方向平均动态接触力在100～110 N之间，弓网受流性能良好。

图7 开口方向接触力动态曲线（导流翼板调整后）

图8 闭口方向接触力动态曲线（导流翼板调整后）

3.3 法维莱CX型受电弓测试

法维莱CX型为单滑板单臂主动控制型受电弓，其结构特性与双滑板有明显不同。它克服了双滑板在运行过程中前后滑板不平衡和跟随性差的问题，因此在进行气动力学性能测试时只需考虑开闭口运行时气动力的差别。采用与SSS400型相同的测试方法，在武广高速线路，通过CRH3动车组进行气动力学实测分析。第1步通过主动控制调整，使开闭口气动力比较接近。图9、图10所示气动力学性能调整后的数据结果表明，在350 km／h速度下，开口方向总的气动力为180 N左右，闭口方向总的气动力为150 N左右。第2步通过弓网动态接触力测试，确定实际最终开闭口方向的接触力是否在标准范围内，达到了预期效果。

图9 闭口方向气动力曲线（调整后）

图10 开口方向气动力曲线（调整后）

4 结论

通过阐述弓网受流与空气动力学的关系，分析受电弓气动力学模型，结合实际线路运行试验和风洞试验的具体数据结果，研究气动力作用对弓网受流的影响。研究结果表明：

（1）列车运行速度、受电弓结构特性和运行方向都对气动力有显著影响，从而影响弓网动态接触力；

（2）通过优化和调整受电弓结构特性，改善了受电弓气动力学性能，使弓网接触力保持在合理的范围内，并受力平稳，可以提高弓网受流质量；

（3）双滑板受电弓与单滑板主控式受电弓在结构特性及主动控制的功能方面存在差别，导致了弓网受流性能的不同，需要进一步深入研究。

［1］刘会平，韩通新，刘 摩，等.高速受电弓空气动力学性能测量与分析［C］.中国铁道科学研究院60周年学术论文集，2010：418－420.

［2］J.Pombo，Influence of the aerodynamic forces on the pantograph－catenary system for high－speed trains［J］.Vehicle System Dynamics，2009，47（11）：1 327－1 347.

［3］宋洪磊，吴俊勇，吴 燕，等.空气动力作用对高速受电弓受流特性影响研究［J］.电气化铁道，2010，（1）：28－31.

［4］韩通新.弓网受流中出现连续火花的原因分析［J］.铁道机车车辆，2003，（3）：58－61.

［5］吴子牛，王 兵，周 睿.空气动力学［M］.清华大学出版社，2007.

［6］宋 伟，徐海东.空气动力对弓网接触压力影响的研究［J］.电气化铁道，2010，（6）：31－33.