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。     

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.     

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。     

城市轨道交通弓网系统仿真模型适应性研究

针对城市轨道交通弓网系统,为研究各种受电弓、接触网仿真模型的适用性,建立了受电弓的归算质量模型、多刚体模型和刚性接触网的等效梁结构模型、变刚度弹簧模型.组合不同的受电弓与接触网模型,通过弓网耦合系统动力学仿真,得到弓网系统的动力学性能.研究结果表明:在低速运行条件下,不同受电弓模型匹配同一接触网时受流性能差别不大,不同模型间接触力标准差变动范围不超过10 N;随着速度的提升,不同模型的受流性能差异渐趋明显,各模型接触力标准差变化超过80 N;当与跨距通过频率及其倍频相匹配的弓网系统固有频率、振型不同时,各受电弓模型受流性能发生变化,速度拐点出现;仿真结果和试验数据对比分析进一步表明,由于考虑了上框架的弹性贡献,受电弓三质量模型有更好的适应性.     

基于车辆弓网双耦合的受电弓随机振动疲劳分析

针对高速列车受电弓弓头结构多发的疲劳破坏问题,考虑车体与弓网振动的共同作用,提出基于车辆弓网双耦合的多点随机振动疲劳分析方法。首先,根据某型受电弓的实际物理模型,建立有限元模型用于数值计算;其次,结合线路实测数据与IEC 61373:2010试验标准中的功率谱(ASD)对其进行加载,进行多点随机振动谱分析及应力计算,在此基础上,利用Dirlik法对受电弓进行随机振动疲劳分析;最后,将分析结果与未加载车体激励的结果进行对比。对比结果表明：多点随机振动激励下,受电弓的加速度功率谱响应频段集中在15～25 Hz,且在多频率点处响应较单点更加强烈;在弓头关键焊缝的疲劳分析中,弓网间高频振动是造成疲劳破坏的主要原因,但车体振动对结构造成的疲劳损伤可达8.6%,因此在进行弓头关键焊缝强度评价时,应综合考虑车体振动与弓网振动的影响。     

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。     

基于支持向量机的弓网间电弧诊断策略

电力机车在运行的过程中,通过受电弓与接触网间的电接触而获取电能,在机车受流过程中弓网间电弧是较为常见的一个现象。弓网间的电弧不仅会对接触网与受电弓造成不同程度上的损伤,同时也会对电力机车上的电力设备造成一定的干扰。弓网间的电弧具有随机性,发生的原因也具有多样性,因此对电弧进行诊断具有一定难度。针对目前对弓网间电弧诊断存在的技术上的问题,文章基于支持向量机(support vector machine,SVM)来实现对弓网间电弧的诊断。在获取弓网间电流的原始数据后,通过计算出原始数据的功率谱熵,构造出电弧诊断所需的特征向量,应用支持向量机对这些特征向量进行分类,能实现对弓网间电弧电流的正常电流的正确区分。仿真结果表明,应用本文所建立起的诊断模型对样本进行诊断,结果正确率能达到90%以上,为弓网间电弧诊断提供了一个实用的方法和研究思路。     

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。     

基于弓网电弧模拟试验装置的电弧参数测量及分析

电气化高速铁路弓网相互作用是实现机车受流的关键环节,弓网电弧是评价弓网关系的重要特征.本文设计了一套弓网电弧模拟发生装置,该装置通过旋转轮盘与碳刷相对运动,产生旋转电弧,能够模拟受电弓与接触网的相对运动.系统试验最高电压100 V,电弧电流20 A,试验测试了静态电弧和动态电弧对系统的电压和电流的影响,并采用LABVIEW软件对其进行了谐波分析.谐波成分集中在500 Hz以下,且含有不规则间谐波.     

滞后非线性受电弓在多频激励下的共振与分叉问题

当电力机车在常速下运行时,受电弓与接触网之间可以保持可靠的接触,因而能够保证弓一网间良好的动态受流。然而,随着高速电力机车运行速度的提高,将使受电弓的振动加剧,出现频繁的离线现象,恶化受电弓的受流质量,使机车速度受到限制。为改善电力机车受电弓的动力特性,降低振动,减少弓网间离线率,弓头悬挂采用具有滞后非线性特性的钢丝绳减振器,在实际应用中取得了良好的减振效果。本文探讨了滞后非线性悬挂受电弓的共振条     

高速列车波浪形受电弓弓头的气动特性数值研究

以高速列车受电弓弓头为研究对象,应用Fluent软件对弓头气动特性进行数值模拟,对受电弓弓头结构进行优化,提出了下表面波浪形新型弓头结构,探究弓头下表面结构对气动特性的影响。首先,以方柱绕流为研究对象进行湍流模型验证,结果表明使用Transition SST湍流模型对弓头二维模型进行数值仿真是可行的。其次,以CX-NG型受电弓为基础建立了传统方形弓头模型,对其进行模拟计算。最后,对受电弓弓头进行下表面结构改形设计,将下半部分外形优化为凹、凸波浪形。在不同速度下,建立弓头周围流场的速度与压力云图,将凹、凸形弓头与传统方形弓头进行气动特性对比,分析不同外形结构对流场的影响。对比分析发现,使用凸形受电弓弓头能够达到较好的减阻效果。在3种列车运行速度下,阻力系数C_d分别减少了10.26%、11.23%、12.69%。     

受电弓故障的车载图像识别技术

针对列车在途中因受电弓发生故障而影响运行安全的问题，提出了一种受电弓故障的车载图像识别技术，以实时检测受电弓降弓、变形与毁坏，碳滑板异常磨耗与缺口，弓角变形与缺失故障；基于更快速的区域卷积神经网络(Faster R-CNN)目标检测框架设计了弓头图像定位目标检测模型，利用残差网络代替原有卷积网络，利用特征金字塔多尺度预测结构构建了候选区域推荐网络，以精准、快速地进行弓头定位和状态检侧；基于掩码区域卷积神经网络(Mask R-CNN)实例分割框架设计了弓头图像分割模型，并针对性地重新设计了检测头的网络结构与特征图尺寸，以适应受电弓的细长弯曲特征，从而准确、快速分割弓头图像；为了在分割后的二值图中更快速地识别与定位故障，根据受电弓结构尺寸和图像分割模型输出的位置坐标，制定了弓角与碳滑板故障的快速模板匹配策略，并在此基础上编制了详细的故障检测算法与程序。研究结果表明：在相应的数据集上，弓头图像定位目标检测模型的平均检测精度为0.944,平均每帧检测时间为0.029 s,弓头图像分割模型的平均分割精度为0.967,平均每帧检测时间为0.031 s,模板匹配的检测精度为0.985,平均每帧检测时...     

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.     

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/...     

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.     

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.     

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．     

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.      

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 ...     

滑板磨耗对受电弓系统服役性能的影响研究

为了实现滑板磨耗形面的描述和它对受电弓服役性能影响的评估,研究了滑板磨耗对弓网系统动力学性能、受电弓抗疲劳性能的影响.首先,通过对比分析大量受电弓滑板实测形面数据,提出以二次函数描述滑板磨耗形面,给出形面形状参数和磨耗深度参数两个特征量,并获得了特征量随运行时间的变化规律;其次,采用模态叠加法建立了考虑滑板形面的弓网耦合动力学模型,探讨滑板磨耗对弓网动态受流性能的影响;最后,根据滑板磨耗形面具有明显的时变性的特点,建立了考虑参数时变的受电弓疲劳寿命预测模型,实现滑板磨耗形面对受电弓抗疲劳性能的影响分析.研究结果表明:滑板形面磨耗增强了弓网系统的跨距周期性,导致该特征主频的幅值增加,且滑板形面的形状参数绝对值越大,弓网动态性能越差;考虑滑板形面磨耗后,受电弓框架部件的预测疲劳寿命缩短,缩短量约为30%~40%,且越处于上端的结构影响越大.