高速弓网系统动态振动性能的仿真研究

基于MSC-Marc软件建立弓网系统模型,对受电弓-接触网动态振动性能进行仿真研究.建立接触网、受电弓两个系统的有限元模型,模型之间通过接触实现耦合,使弓网作为耦合系统进行低速条件下的动态仿真.将结果与国外仿真、实测及运行结果相比较,验证软件分析的正确性.在此基础上,针对我国京津城际铁路受电弓-接触网系统参数,对高速下的弓网系统动态振动性能进行仿真,分析影响弓网受流的主要参数,得到高速下接触网动态抬升量、弓网接触压力及离线现象,并通过参数的调整保证弓网可靠作用达到良好受流性能.对高速受电弓与接触网的相互作用进行大量的仿真并对结果进行分析,为进一步研究高速下不同受电弓与接触网参数的配合奠定基础.     

弓网系统动力学分析

采用二元受电弓模型建立了弓网垂直耦合动力学系统,通过欧拉-拉格朗日方程推导出受电弓-接触网系统振动微分方程组,并利用中心差分法编写的数值仿真程序;研究了列车运行速度、接触网和受电弓参数对弓网系统动态接触压力的影响。     

高速受电弓-接触网动态受流性能及双弓距离的研究

高速列车运行的关键技术之一是弓网动态受流问题。当动车双弓运行时,弓网动态受流性能限制了高速列车运行速度。本文采用无限长弦模型,将受电弓看作集中质量模型,对弓网系统动态受流性能进行分析,推导并计算其解析解,对接触网-受电弓的动态相互作用进行研究;通过计算运行速度为200 km/h的俄罗斯高速接触网的弓网参数来验证该方法的正确性;对我国高速铁路受电弓-接触网系统的动态受流性能进行分析,得到接触线的弛度、悬挂刚度和波动分量以及机车车辆振动对受电弓滑板及接触线垂向位移的影响情况;对动车双弓运行工况下双弓的最佳距离进行分析,并研究受电弓归算质量对弓网受流的影响。研究结果为进一步优化受电弓参数提供了参考。     

基于传递函数模型的弓网系统动力学分析

引入系统动力学的传递函数关系,分别将受电弓、接触网线索的动力学方程转化为对应的传递函数模型,受电弓为单输入单输出模型,接触网线索单元为多输入输出模型。利用符号判断,处理弓网系统的非线性因素——吊弦力和接触力。将移动的弓网接触力等效为不同时间序列作用于不同质点的载荷序列,并用罚函数法建立弓网接触模型。最后编程实现以上方法,建立2种自由度数量弓网模型进行相同工况计算,发现增加接触网自由度更能逼近接触网的静态平衡形状,得到更稳定的接触力、受电弓运行轨迹波形。利用有限元法建模得到相同自由度下的弓网动力性能参数与传递函数模型比较,验证本计算方法的有效性。     

基于有限元的高速弓网系统动态性能仿真研究

针对简单链形悬挂接触网与DSA380型受电弓的仿真问题,基于MSC-MARC有限元软件,采用京津城际铁路实际参数建立接触网和考虑弹性变形的受电弓模型,对受电弓-接触网动态性能进行仿真分析。在建模过程中采用欧拉-伯努利梁模型来模拟接触线和承力索;考虑弓头和上框架的弹性变形及其侧滚运动、垂向运动等,并通过非线性弹簧进行链接;受电弓和接触网模型之间通过接触实现耦合,将弓网作为一个整体进行研究。仿真结果表明:DSA380型受电弓以350km/h速度通过简单链形悬挂时,其平均接触力为190.35N,接触线的动态抬升量在18.1～73.7mm之间。通过与西门子公司提供的结果及实测结果比较,可以看出本文建立的弓网系统有限元模型是正确和有效的。     

考虑门式悬挂的刚性接触网-受电弓系统动态性能分析

建立了包含锚段关节的门式悬挂结构刚性接触网有限元模型,并将受电弓等效为集中质量块模型;利用罚函数实现弓网接触,通过Newmark数值积分来求解弓网耦合系统动力学方程组.依据铁路标准验证了有限元模型的有效性.通过有限元模型仿真,研究了受电弓结构参数,以及刚性接触网跨距、悬挂结构刚度、静态抬升力与锚段关节对弓网动态性能的影响.仿真结果表明,刚性接触网跨距、悬挂结构刚度及锚段关节对弓网受流质量影响显著.     

随机风场对弓网系统动态性能影响研究

基于有限元软件MSC-Marc建立弓网系统模型,对在随机风场中的受电弓-接触网动态性能进行仿真研究。模型中采用欧拉-伯努利梁模型模拟接触线和承力索,受电弓和接触网模型之间通过接触实现耦合,使弓网作为一个整体进行动态仿真;采用适合接触网随机风场计算的沿高度不变的Davenport谱,运用谐波合成法数值模拟风场。在此基础上,采用MSC-Marc软件完成弓网系统在不同随机风荷载作用下的动态性能分析。实验结果表明:模拟随机风的功率谱函数与目标谱结果非常吻合,随机风场对接触网风振响应及弓网间的动态性能影响很大,且沿风向定位器的第一吊弦退出工作时间随风速增大而增长。通过仿真结果比较分析,为进一步研究随机风场下弓网系统结构参数配合奠定了基础。     

受电弓与接触网动态仿真模型建立及其确认

利用有限元法建立受电弓与接触网的动态仿真模型。受电弓可等效为三质量-阻尼-刚度系统,考虑吊弦为仅受拉力的非线性单元,接触网可等效为空间杆-梁-索单元组成的系统,弓网滑动接触模型以罚函数法处理,通过直接时间积分得出节点位移与单元受力结果。依据EN50318中有关弓网动态仿真模型的确认方法,结合京津城际和京沪高铁弓网动态测试数据,进行标准模型和现场实测的比较,确认本仿真模型是可信赖的,为弓网系统设计与结构优化提供一种有力手段和研究工具。     

基于状态空间法的受电弓主动控制的研究

建立线性化的受电弓模型和接触网的有限元模型、以及它们的耦合系统动力学模型,分析接触网的刚度变化,利用最优控制理论对主动控制式受电弓进行了理论上的研究。根据高速铁路对受电弓和接触网动力学性能的要求,从降低接触压力的波动以改善受流质量着手,针对弓网关系的特点,建立了受电弓主动控制系统模型,采用全状态反馈设计并利用线性二次型最优控制策略设计了受电弓主动控制的控制器,并求得了控制器参数。对控制系统进行仿真验证和研究。结果表明,采用主动控制式受电弓,能够降低接触压力的波动,提高弓网系统的动态性能,改善受流质量。     

高速铁路弓网系统动态性能评估

正高速铁路受电弓和接触网系统的动态性能依赖于受电弓和接触网的设计方案及技术参数,决定着弓网系统的供电可靠性、供电质量和使用寿命。评估弓网系统动态性能需要测量和计算大量技术参数,进而检测弓网接触特性。     

基于响应面法的高速铁路接触网参数优化研究

当列车运行速度提高,弓网受流质量恶化,甚至造成离线,为了保证列车高速运行时弓网之间良好接触,因此对接触网设计参数进行优化。采用有限元分析法,利用MSC. Marc软件建立了弓网耦合模型,对接触网和受电弓的耦合运动进行仿真计算。首先,分析接触网线索张力、线索线密度单独变化时对接触力的影响。其次,考虑到多参数共同变化对接触力的影响,引入响应面法,研究两个参数一起变化对弓网受流质量的影响。最后,基于线索张力、接触线线密度一起影响时,对速度500 km/h时接触网设计参数提出优化方案。研究结果表明:增大接触线张力,减小承力索张力和接触线的线密度能够有效地改善弓网受流质量。     

基于受电弓弹性体模型的弓网动力学分析

针对简单链型悬挂接触网及电力机车DSA250型受电弓,基于有限单元法,建立接触网模型和考虑弹性变形的受电弓模型;对弓网的动力学性能进行分析,并与采用质量块受电弓模型的计算数据进行对比.结果表明:当DSA250型受电弓通过该型接触网时,其在未出现离线情况下的最高速度为230 km/h;受电弓前、后滑板表现出不同的受流特性,前滑板相对后滑板有较好的受流;考虑弓头与接触线的相互作用频率高于20 Hz时,40～100 Hz的高频分量在接触力和加速度频谱中占有较大的比重,弓头的变形模态将对弓网的动力学特性起至关重要的作用,如果采用质量块受电弓模型进行计算,将造成该模态的缺失,从而导致计算结果有较大的偏差.     

高速铁路弓网电弧试验系统

高速动车组通过弓网电接触获取电能。随着动车组运行速度的提高,受轨道不平顺、接触网波动以及受电弓弓头振动等因素的影响,弓网电接触状态恶化,使得弓网电弧频繁发生,弓网电弧对接触网导线、受电弓滑板侵蚀严重,影响受流质量,制约动车组速度进一步提升,因此有必要对弓网电弧进行系统研究。本文分析弓网滑动受流过程,研制一套弓网电弧试验系统。该系统能够模拟弓网柔性平直接触、滑板"Z"字形运动及垂向沉浮运动等弓网运动状态。并利用该系统对弓网接触电阻和电弧电气参数、形貌特征进行试验研究。     

二维和三维弓网耦合动力学模型适用性分析

针对二维和三维弓网耦合动力学模型,根据接触网模态、接触压力、接触线抬升位移、弓头振动加速度及其频谱特性,分析了两种模型在弓网耦合动力学仿真中的区别;采用三维弓网模型分析了接触网在横风作用时,接触线风振位移对弓网接触压力的影响。计算结果表明二维和三维弓网模型获得的仿真结果基本一致,弓网横向相对运动对其垂向动力学行为影响较小;三维模型适用于横风条件下的弓网动力学仿真,横风载荷对弓网接触压力具有显著影响,导致弓网受流质量变差。     

基于虚拟样机技术的高速弓网系统研究

虚拟样机技术的核心是参数化、可视化设计和综合性能分析。本文结合我国250km/h高速受电弓设计,应用虚拟样机技术,对铁路接触网-受电弓系统进行系统研究。在进行受电弓可视化三维实体设计的基础上,应用多体系统动力学软件SIMPACK和有限元计算软件ANSYS,进行了受电弓的几何分析及受电弓零部件的强度和刚度校核,计算了接触网振动模态和自振频率;运用结构子结构方法,建立了受电弓-接触网耦合系统模型,计算了不同模拟运行速度下的弓网振动和接触压力响应,以及机车运行振动对受流的影响;最后为了考核接触网的疲劳可靠性,进行了在运行条件下的接触网动应力研究。     

坡度和曲线线路对弓网受流性能影响规律研究

在高速列车关键力学问题的研究中,坡度和曲线线路对弓网受流性能的影响不可忽视,为此,采用有限元技术和多体动力学理论,搭建了全空间范围内的车弓网动力学仿真模型,对定坡度、竖曲线和平曲线区段的弓网受流性能进行了研究。研究结果表明:接触线在坡度变化率为零时,线路对弓网动态响应影响并不明显;坡度变化率为正时,线路会使弓网机械磨耗降低,受流稳定性也会降低,但弓网电气损耗增加;而坡度变化率为负时影响正好相反;平曲线和竖曲线半径越小,弓网受流稳定性越差,仿真时不可忽略,且应在平曲线和竖曲线区段的线路设计、施工、区间限速中加以考虑。     

基于弓网电弧模拟试验装置的电弧研究

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80 V,负载电流8 A,试验测试了电弧对系统的电压、电流的影响,并采用LABVIEW软件对其进行了谐波分析。     

委内瑞拉铁路DSA250弓网受流特性分析

为提高设计开发的效率,在设计初期对弓网运行工况进行仿真,得到可信的仿真数据,为实际运用提供理论支持,可以大大提高设计开发的效率。根据中国总承包设计的委内瑞拉接触网和动车组的特点,利用有限元软件ANSYS得到接触网模型和受电弓三质量块模型,在利用接触对技术得到弓网耦合模型,对弓网受流特性进行了全面研究。其结果表明:弓间距100m工况下,DSA250受电弓最大运行速度可达220km/h,最大试验速度可达250km/h。DSA250受电弓满足设计要求。     

弓网动态接触压力测量方法研究

在电气化铁路中,弓网接触压力对机车供电可靠性及质量起着重要作用。通过总结分析国内外测量方法,对影响弓网接触压力的因素及受电弓受力情况进行分析,设计一种检测弓网动态接触压力及机车运行方向摩擦力的装置,并对误差进行分析。