高速受电弓—接触网系统的动力学研究

本文研究了单臂受电弓——简单链形悬挂接触网系统的动态特性,建立了数学模型,得到了系统的动态运行模拟计算方法,并给出在高速运行下,受电弓、接触网主要结构参数对弓网接触特性的影响,提出了提高受流质量的建议。     

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．     

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.     

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.      

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。     

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。     

弓网故障快速自动降弓装置通过铁道部鉴定

由西南交通大学光电技术应用研究所主持完成的铁道部科技研究开发计划项目“弓网故障快速自动降弓装置”通过了由铁道部科教司组织的技术鉴定。　　自动降弓装置在国外电力机车上已经普遍采用 ,它可在发生弓网故障时 ,使受电弓滑板迅速脱离接触导线 ,从而避免受电弓和接触网受损 ,最大限度地减小由于弓网故障带来的设备损坏及运输的中断。但国外的自动降弓装置价格昂贵 ,而且其受电弓结构与国内电力机车受电弓有着较大的差异 ,无法在国内电力机车上推广使用。　　我校研制的这种装置 ,具有结构简单、价格低、安装及使用方便的特点 ,而且适用…     

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.     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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.     

支撑刚度对载流摩擦磨损特性的影响

在CETR UMT-2摩擦磨损试验机上,用自行设计的夹具,研究了支撑刚度对钢铝复合轨与受电靴摩擦副之间的载流摩擦磨损特性的影响,测量了法向力随时间的变化曲线与受电靴的磨损质量和弹簧在加、卸载过程中的变形能,分析了变形能与载流摩擦磨损特性之间的关系。分析结果表明:随着载荷的降低,载荷振幅均增大;弹性支撑时的载荷振幅和磨损质量总体上较刚性支撑的小;弹簧的摩擦耗能与变形能的比值越大,吸振能力越强,载荷振幅越小,载流磨损质量越低。可见,弹性支撑能降低载荷的振幅,保证良好的受流,选择合适的加载范围和一定刚度的弹簧支撑能有效地降低电弧烧蚀带来的材料损失,延长摩擦副的使用寿命。     

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.