基于有限元和空气动力学模型的高速受电弓动态性能仿真

建立了接触网和受电弓子系统的有限元模型和空气动力学模型,采用MSC-Marc及STAR-CD软件,研究受电弓动态受流性能和空气动力学性能.通过接触实现2个子系统耦合,对弓网进行动态仿真;通过高速受电弓三维模型,埘受电弓高速空气动力学性能进行仿真.仿真结果表明:简单链型悬挂比掸性链型悬挂接触线动态抬升量和平均接触压力均小,在速度250 km/h时,气流对受电弓产生的抬升力约为12 N,空气阻力为550 N.     

高速弓网耦合系统动态仿真研究

采用欧拉-伯努利梁结构的接触网和受电弓的二质量块模型建立了弓网垂直耦合动力学模型,通过拉格朗日方程推导出弓网系统运动微分方程组,并利用Newmark法编写数值仿真程序,在给定的条件下,讨论不同速度下弓网耦合系统的动态性能。采用MATLAB对高速受电弓与接触网的相互作用进行仿真并对结果进行分析,为研究不同速度下受电弓与接触网参数的优化奠定基础。     

高速铁路弓网系统建模与动态性能研究

采用受电弓的三元集中质量块单元和弹性链型悬挂接触网的接触单元,建立受电弓与接触网的平面耦合动力学模型;以京沪高铁的实际线路为模拟对象,运行速度达到350 km/h以上时,在弹性吊索和承力索张力一定时,分析接触网在不同的接触线张力体系下的动态性能参数;依据高速铁路设计规范标准,比较了4种运行速度下的弓网系统动态性能参数,运用弓网动态仿真软件,实现了时速350 km以上弓网系统的动态响应。研究表明:提高运行速度会导致弓网之间的最大动态接触应力值增加和受电弓在定位点的抬升量偏大。当运行速度超过350 km/h时,接触网的动态参数基本满足受电弓单弓运行的速度,在承力索和弹性吊索的张力保持不变的情况下,接触线水平张力会随着速度的提高而增加,受电弓在定位点的抬升量增大,从而影响弓网之间的受流质量和可靠性。     

弓网垂向振动半主动和主动控制仿真

为了改善高速列车受电弓垂向动力学性能,建立了受电弓非线性垂向动力学模型、弹性悬挂接触网垂向有限元动力学模型和车辆动力学模型。考虑弓网耦合振动和轨道激扰,采用受电弓框架顶点或弓头的垂向位移和速度反馈,将半主动控制减振器或主动控制作动器安装在受电弓基座和框架之间。应用数值仿真方法,研究了受电弓接触网垂向耦合振动的半主动和主动控制,并对其控制性能进行了比较。比较结果表明:与无控制时相比,在车速为250 km.h-1时,弓网接触压力方差最小减小值为26.84%,在车速为300 km.h-1时,最小减小值为20.88%,因此,采用半主动和主动控制能明显减小弓网振动和接触压力的低频波动,改善了受流质量,且半主动控制系统结构简单,易于实现,在不动作时不会改变受电弓本身的动力学性能。     

高速受电弓-接触网系统动态受流性能的仿真分析

采用了MSC-MARC软件对受电弓-接触网系统的动态受流性能进行了仿真,分别建立了接触网和受电弓两个子系统的有限元模型,通过接触实现了两个子系统的耦合,进行弓网的动态分析．通过仿真,将低速下得到的结果与国外的结果相比较,验证了软件分析结果的正确性．针对高速铁路一种受电弓-接触网的设计参数,对弓网之间的相互作用进行了分析,得到了高速下接触网的动态抬升量,接触压力和离线率,通过参数的调整保证弓网可靠作用达到良好的受流．对高速受电弓与接触网的相互作用进行了大量的仿真并对结果进行分析,为进一步研究高速下受电弓与接触网不同参数的配合奠定了基础．     

几种高速受电弓/接触网系统性能的比较

为探讨高速受电弓与接触网之间的相互作用,选取DSA250和DSA380高速受电弓与不同速度等级的2种简单链型悬挂和2种弹性链型悬挂接触网系统相匹配,采用有限元法,建立了三维接触网模型和质量．阻尼-刚度受电弓模型．根据受电弓／接触网系统的相关系列标准,考虑受流质量和运行安全性,对不同系统的弓网动态性能进行了评价和比较．研究表明：在200—250km／h速度区间,适合采用设有预弛度的简单链型悬挂接触网,也可考虑采用弹性链型悬挂方式;300km／h以上时,宜采用不设预弛度的弹性链型悬挂．     

受电弓等效模型参数识别及动态性能测试

为了得到合理的受电弓等效模型和参数,将受电弓结构等效为2质量块和3质量块模型,通过实验方法,对其质量、刚度和阻尼进行识别,得到了不同等效模型的力学参数.基于测得的等效参数建立受电弓数学模型,进行弓网动力学仿真计算,并将计算得到的接触力结果与利用弓网混合模拟试验台测得的实验数据进行对比.结果表明:对于2质量块和3质量块模型,最大和最小接触力的最大偏差分别为36.95、20.84 N和23.97、12.02 N,该测试方法可以用于受电弓等效模型参数的辨识.     

计及覆冰和空气阻尼的弓网动态受流特性

为研究覆冰和环境风对弓网受流的影响,基于模态分析法,在充分考虑覆冰对接触网系统质量和刚度影响的基础下,重新推导了覆冰接触网运动微分方程,并引入静风载荷引起的空气阻尼对其进行修正.结合受电弓归算质量模型进行动态仿真计算,研究了不同覆冰厚度、风速、风攻角对弓网接触压力的影响.研究结果表明:无风时覆冰厚度的增加会造成弓网接触性能的变差;在静风环境下,由于线索覆冰改变了接触线阻尼,来流风向是静风载荷影响弓网接触性能的主要因素,来流风向越接近水平,对弓网受流性能的影响越小.      

双弓作用下弓网动力学性能

建立了接触网有限元模型和双弓集中质量模型,通过接触单元将二者耦合得到弓网系统模型.推导了系统的动力学平衡方程,用直接积分法计算弓网系统的动力学性能参数.结果表明:双弓运行时,后弓对前弓受流的影响较小,前弓对后弓的影响较大;双弓间距对前弓抬升位移和接触力影响较小,对后弓的影响较大.当双弓间距为90或150 m时,对后弓受流最不利;当双弓间距为200或210 m时,后弓受流较好.     

京津城际高速铁路弓网动态系统有限元仿真

基于非线性有限元理论,建立了京津城际高速铁路弓网动态系统的有限元模型,采用欧拉-伯努利直梁模拟接触网各部件,采用铰链和非线性弹簧相互耦合模拟受电弓,借助MARC软件,对京津城际高速铁路弓网受流情况进行了动态仿真,并利用MARC的后处理功能显示弓网运动过程中的三维动态情况.计算得到了京津城际弓网动态系统的平均接触压力为160.68 N,接触点动态抬升量变化范围为28.5～87.0 mm.与西门子公司提供的仿真结果及京津城际现场的测试结果比较表明:有限元模型是正确和有效的,京津城际弓网动态系统具有良好的动态受流质量.     

准高速接触网动态性能的研究

针对我国ＧＪ＋ＴＣＧ－１００准高速接触网系统的动态性能进行了研究。给出了考虑线路不平顺、机车振动的受电弓／接触网系统计算模型，首先计算了不同跨距准高速接触网自振特性，利用仿真计算分析了不同接触网跨距、网型及运行速度对受流质量的影响，最后给出了考虑机车振动后对受流的影响情况。     

跨座式单轨弓网耦合主动控制研究

单轨列车高速行进中,弓头往往会发生较大振动冲击刚性接触网,降低弓网受流质量与寿命,为此提出一种改善弓网关系的主动控制方法.在此基础上,首先分别建立了单轨弓网耦合的线性二自由度动力学模型,以及无刷直流电机的双闭环控制驱动模型;然后结合分数阶PID控制算法,完成了整个主动控制系统的建模;最后对比分析了列车不同时速下受电弓被动控制和主动控制接触力的响应以及弓头的抬升量,并分析了主动控制的响应速度.研究结果表明:该主动控制方法的响应速度能够完全满足高速状态下弓网关系的调节要求,且能够明显降低接触力波动,缓解弓网碰撞,减少弓网磨损,提高其使用寿命.     

基于双弓受流动力学的弓网接触电弧分布

针对双弓受流情况下发生的电弧问题，基于经典电接触理论分析了弓网接触面微观结构与弓网接触电弧的产生机理，提出了接触电弧发生率算法；考虑双弓受流条件下接触网波动传播规律分析了双弓耦合系统动力学模型，建立接触网有限元模型与受电弓多体动力学模型，获取不同后弓静态抬升力下的前后弓接触力；结合接触电弧发生率算法与获取的前后弓接触力，计算多工况下前后弓接触电弧发生率，分析其在对应的接触力下接触电弧分布规律，并提出减小接触电弧发生率的措施。研究结果表明：在前弓上发生的接触电弧发生率远小于后弓上的概率，前弓均值仅为后弓的32%;后弓静态抬升力的变化对前弓接触电弧发生率影响很小，4种工况下前弓接触电弧发生率均在1.5×10^-3～5.0×10^-3内波动，无明显变化规律；后弓接触电弧发生率随后弓静态抬升力的增大显著减小，随着抬升力从55 N升高至85 N,后弓接触电弧发生率平均降低了42%;前弓上接触电弧发生次数随接触力的变化无明显变化规律，后弓静态抬升力越大其分布越均匀；后弓上接触电弧发生次数分布随接触力增大而减少，主要分布于接触力低值区间内；接触力在70～80 ...     

基于图像处理技术检测弓网接触力的新方法

接触网和受电弓是电气化铁路供电系统中的重要组成部分,其中弓网之间的动态接触又是保证电力机车良好受流的关键条件,所以寻求良好的弓网关系是铁路供电系统设计的一个重点.考虑到目前弓网接触力大多采用接触式检测手段,对于非接触检测的研究方法较少,故提出了一种基于图像处理算法检测弓网接触力的新方法.简化受电弓弓头结构,分析了弓网接触力与弓头位移之间的关系,建立弓网接触力计算模型;并在弓网混合模拟试验台进行地面验证实验：首先,利用图像处理模块对采集到的图像进行标记点的目标跟踪与特征提取;然后,通过数据处理模块对得到的位移信息进一步分析得到弓头加速度等信息,修正得到加速度信号;最后,对经过惯性力和阻尼力修正后的接触力结果进行分析.结果表明：通过图像处理检测得到的弓头位移最大测量误差仅为1.3 mm,精度较高;同时检测得到的弓网动态接触力的最大值、平均值和标准差的最大相对误差仅为5.46%、5.15%和4.58%,测量误差较小.结果证实此方法检测弓网接触力是可行的,且检测精度满足要求.     

基于多体系统动力学的受电弓参数优化

结合受电弓开发设计过程,借助有限元软件ANSYS和多体系统动力学软件SIMPACK,建立弓网刚柔耦合仿真平台.通过耦合仿真平台对受电弓参数进行了深入分析,比较了在同一速度下,不同的受电弓参数对弓网接触力的影响,进而对受电弓参数进行优化,得出最佳参数,并把参数反馈到受电弓的机械设计过程中.同时借助于多体系统动力学技术,建立弓网耦合仿真平台,在受电弓设计开发早期对受电弓参数进行了优化,而且研究的成果得到了实践中的验证,取得了有益的研究成果.     

基于应变响应测量弓网接触力的新方法

弓网动态接触力是评估弓网受流质量、接触网状态和滑板磨耗情况、诊断接触网局部缺陷的关键参数。考虑现有接触力检测方法存在的不足与缺陷,提出了一种基于光纤应变传感器测定接触力的方法.首先对受电弓弓头进行结构简化,分析了弓头集中力与应变响应的关系,建立了新的弓网接触力计算模型;其次,基于弓网混合模拟实验台进行了静态实验,验证了响应关系线性假设并对滑板等效刚度和等效长度进行标定,以及多组动态加载实验验证测量方法的有效性,并借助仿真进一步验证其高频工况的可靠性;最后,对惯性力修正前后的接触力测量结果与实际接触力进行了对比实验.研究结果表明:惯性力对接触力的贡献随频率的增加而增大,不考虑惯性力情况下,10Hz时接触力最小值和最大值的测量误差分别达26.57%和11.13%,已不可忽视;修正后接触力测量值与实际值能较好的吻合,最小值和最大值的测量误差降为3.12%和1.54%,测量误差小.     

接触网弹性吊索参数对弓网动态性能影响

为确定不同速度等级接触网弹性吊索参数的优选值，利用有限单元法，建立了中国高速铁路250、350 km/h两种速度等级的受电弓、接触网和弓网接触的动力学仿真模型，得到受电弓与接触网的动态性能指标，比较双弓作用下不同接触网弹性吊索截面积、张力和长度的弓网接触力数字特征和接触网定位点最大抬升. 研究结果表明:适应250 km/h的O2-1型接触网弹性吊索宜选用线型为JTMH 35 mm2、张力范围为(2.80 ± 0.10) kN，长度为14 m或18 m；适应350 km/h的京沪高速铁路接触网弹性吊索宜选用线型为JTMH 35 mm2、张力范围为(3.50 ± 0.10) kN，长度为18 m；弹性吊索参数变化对前弓的接触力影响较小，对后弓的接触力影响显著；250 km/h和350 km/h下弹性吊索长度22 m的定位点最大抬升分别是长度18 m的111%和117%，弹性吊索长度的变化对定位点最大抬升影响显著.      

摆式列车受电弓垂向振动主动控制

建立了摆式列车机电耦合动力学模型、受电弓线性和非线性动力学模型及接触网有限元模型和静态接触刚度模型,组成摆式列车-受电弓-接触网耦合动力学模型,分别设计了P和H∞鲁棒控制器,应用数值仿真方法,研究了摆式列车直线和曲线通过时两种控制器对摆式列车受电弓垂向主动控制的效果。结果表明受电弓若无垂向控制,其弓网接触压力波动较大;P和H∞鲁棒控制均能减小弓网接触压力的波动;控制延时对P控制比对H∞鲁棒控制的影响大;是否考虑接触网的振动对接触压力影响较大,对控制效果影响不大。这说明摆式列车受电弓垂向主动控制能明显改善弓网接触压力波动;H∞鲁棒控制比P控制效果更好;接触网的静态接触刚度模型可用于受电弓主动控制的定性分析。     

弓网系统载流摩擦磨损研究现状

随着电力传输系统、现代铁路交通系统、工业发电机等领域的发展,受电弓/接触网系统(简称弓网系统)的载流摩擦行为备受关注。弓网系统是电力机车的关键受流部件,受电弓在工作时需要从接触网获取电能,其稳定性和受流质量关系到电力机车的可靠、良好运行。文章介绍了载流摩擦的基本特征及其评价分析手段,阐述了弓网系统中4个主要因素(摩擦学参数、载流参数、环境工况、摩擦副材料)对其载流摩擦磨损行为的影响,重点探讨了弓网系统载流摩擦过程中的主要磨损机制及电弧烧蚀的影响,最后对全文进行总结并提出了今后的研究方向。     

高速铁路受电弓主动控制算法适用性研究

为分析适用于不同受电弓的最佳主动控制算法,建立了有效的弓网模型,设计了最优控制器、变结构控制器和模糊控制器.以应用最广泛的SBS81、DSA250、DSA380和SSS400+型受电弓为控制对象进行了验证,并分析了控制前后接触力最大值、最小值、平均值和标准差4个统计量,结果表明:当列车在简单链型悬挂接触网下行驶速度为250 km/h时, SBS81和DSA380应用变结构控制,接触力标准差分别降低了34.4%和18.6%,而应用最优控制则仅分别降低12.7%和10.0%;DSA250应用最优控制时接触力标准差降低了25.7%,而应用变结构控制仅降低了14.8%;SSS400+应用模糊控制时接触力标准差降低了38.1%.表明SBS81和DSA380适合变结构控制, DSA250应用最优控制表现最优,而SSS400+更适合模糊控制.