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。     

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．     

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。     

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.     

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。     

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．     

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。     

强侧风对受电弓的气动作用规律

建立了弓-车-网组合模型,基于压力修正法的N-S方程,采用分离式求解SIMPLE算法,对强侧风条件下的受电弓气动特性进行了数值模拟.分析了受电弓的气动荷载在不同侧风速度,不同风向角下的变化规律及强侧风对受电弓绕流流场的影响.结果表明：随侧风速度及角度的增大,受电弓的气动力及力矩呈非线性变化;受电弓流场区域内产生大量漩涡及低速尾流区,接触网及车体对受电弓流场有明显影响.研究结果可为提高受电弓在侧风作用下的稳定性和安全性提供一定的理论依据.     

不同结构类型接触网动态特性

对弹性链型悬挂接触网以及对应的简单链型悬挂接触网分别建立有限元模型 ,计算得出它们的固有频率及相应的振型 ,分析了两种不同结构接触网的刚度特性。在此基础上 ,建立接触网的振动方程 ,并与受电弓的线性化模型一起 ,建立受电弓 /接触网系统垂向耦合动力学模型。最后 ,通过动力学仿真计算 ,对两种不同结构接触网对受电弓受流性能的影响进行了技术分析 ,并得到结论 :简单链型悬挂接触网通过合理弛度设置 ,能适应中国提速铁路运行的需要 ,但 2 5 0 km/h以上的高速铁路需采用弹性链型悬挂接触网     

Pantograph and catenary system with double pantographs for high-speed trains at 350 km/h or higher

The paper is aimed at developing an optimized design of the pantograph and catenary system with double pantographs at a speed of 350 km/h for the Wuhan-Guangzhou high-speed railway.First,the pantograph and catenary system for the Beijing-Tianjin high-speed railway was analyzed to verify whether its design objective could be fulfilled.It shows that the system is not able to satisfy the requirement of a sustainable running speed of 350 km/h.Then a new scheme for the pantograph and catenary system is proposed ...     

接触导线弯曲时接触网模态分析与频率相关的有限单元法

本文在考虑接触导线弯曲刚度的前提下，发展了德国联邦铁路公司（ＤＢ）所采用的接触网模态分析方法，并对接触导线的柔索体模型与欧拉梁模型的计算结果进行了比较。在此基础上，作者开发了高速弓网系统动力学仿真软件Ｓｉｍｕｌａ２．０。     

动车组抗侧滚扭杆载荷特性

为获得抗侧滚扭杆在动车组运行时所受载荷的变化情况,结合陀螺仪和速度信号,研究了抗侧滚扭杆载荷随列车运行速度、曲线半径和曲线超高的变化规律;统计了不同速度级下抗侧滚扭杆载荷最值,并编制测试载荷谱、趋势载荷谱和动态载荷谱,计算趋势载荷与动态载荷在整个测试载荷中贡献的损伤比. 研究结果表明:直线工况下,抗侧滚扭杆动态载荷幅值随列车运行速度的增加而增加,当运行速度由250 km/h增大到350 km/h时,抗侧滚扭杆载荷幅值最大值增大了30%;在一定的过超高条件下,抗侧滚扭杆趋势载荷幅值随曲线半径减小而减小,240 km/h运行速度下最大载荷幅值由6.61 kN减小为3.54 kN;在曲线半径一定的条件下,抗侧滚扭杆趋势载荷幅值随曲线超高的增大而增大,240 km/h运行速度下最大载荷幅值由3.36 kN增大为5.80 kN.      

高速铁路接触网研究进展

接触网与受电弓之间动态性能是影响列车运行的重要因素之一,高速铁路中接触网的不良状态直接影响牵引供电系统对动车组的供电安全.论文系统地讨论了高速铁路接触网研究的4个方面,即接触网的初始平衡态求解、接触网动力学建模、接触网非接触检测和接触网静态动态评估,并给出了目前高速铁路接触网研究的最新进展:针对接触网的初始平衡态求解精度不高的问题,通过引入多目标约束的结构找形方法和非线性有限元过程进行求解;在接触网动力学建模方面,考虑环境风对接触网影响的问题,通过环境风模拟和风洞实验获得气动力系数,建立沿线风场进行接触网风振特性分析;对于接触网非接触检测算法的精度不高问题,基于深度学习理论的检测技术和实时图像检测算法是今后发展方向;针对目前接触网动态评估方法缺乏的问题,现代谱估计、时频分析和大数据技术及其融合将是今后接触网评估的重要手段.      

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.     

环境风对高速铁路接触线波动速度的影响

基于空气动力学理论分别推导了作用在接触线上的空气阻尼和脉动风气动载荷, 并将空气动力项添加至接触线波动速度公式中进行修正; 通过风洞试验和CFD绕流仿真得到了横风环境下的气动阻力系数, 分析了不同空气阻尼下接触线波动速度的变化规律; 基于AR模型和接触网的结构特性, 建立了具有时间和空间相关性的接触网脉动风场, 通过仿真计算分析了脉动风速和风攻角对接触线波动速度的影响。研究结果表明: 静风载荷引起的接触线空气阻尼很小, 当平均风速达到30 m·s-1时, 接触线空气阻尼仅为0.3, 接触线波动速度为549.1 km·h-1左右, 因此, 空气阻尼不会对接触线波动速度产生较大影响; 当来流风攻角为60°, 平均风速不大于10 m·s-1时, 脉动风下接触线波动速度标准差和最值差分别小于1和6 km·h-1, 此时接触线波动速度相对无风情况变化较小, 脉动风载荷对接触线波动速度的影响不明显; 当风速达到40 m·s-1时, 接触线平均波动速度较无风情况下降39.39 km·h-1, 且其标准差和最值差分别达到11.84和75.98 km·h-1, 此时接触线波动速度出现大幅下降与振荡, 最小波动速度低至474.16 km·h-1, 因此, 脉动风下风速越大, 接触线波动速度受脉动风载荷影响越显著; 当风速保持30 m·s-1, 来流风攻角为0°~30°时, 接触线波动速度标准差和最值差分别小于1和5 km·h-1, 此时脉动风载荷对接触线波动速度的影响较小; 当风攻角为90°时, 接触线波动速度标准差和最值差分别达到12.38和73.19 km·h-1, 此时接触线波动速度出现大幅下降与振荡, 最小波动速度低至472.91 km·h-1, 因此, 脉动风下来流风越偏于水平方向, 对接触线波动速度的影响越小。      

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.     

张力对接触网系统风振响应影响的风洞试验研究

接触线和承力索的张力对接触网系统的风振响应有重要的影响,为此进行了气弹模型风洞试验. 以实际铁路工程为背景,根据接触网系统的设计要求,按照气动弹性相似理论制作了接触网系统的5柱4跨模型,并根据接触线、承力索张力的4种组合情况进行了气动弹性模型风洞试验,得到了支柱、腕臂结构及接触线上的加速度和位移响应,研究了在紊流场下结构的风振响应特征. 试验结果表明,接触线与承力索张力越大,接触线自振频率越大,且其风偏越小;腕臂及支柱结构受张力影响较小;接触网系统为风敏感结构,提高接触线、承力索张力可有效控制风偏.