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第二節(jié)高速接觸網(wǎng)受流理論分析華東交通大學(xué)電氣學(xué)院電氣化教研室劉仕兵6/6/2023概述●高速電氣化鐵路必須具有的三大要素①具有很高強(qiáng)度的鐵路線路及軌道②具有能適應(yīng)高速鐵路速度性能的機(jī)車和車輛③具有能適應(yīng)高速運(yùn)行條件的接觸網(wǎng)及與之相匹配的受電弓●高速受流:是指高速運(yùn)行中的受電弓通過(guò)與接觸線的滑動(dòng)接觸獲得電能并傳給電力機(jī)車的過(guò)程。6/6/2023鋼軌的重要性6/6/2023高速鐵路對(duì)鋼軌的要求6/6/2023鋼軌技術(shù)的發(fā)展6/6/2023鋼軌的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)6/6/2023選軌標(biāo)準(zhǔn)6/6/2023鋼軌的力學(xué)問(wèn)題6/6/2023輪軌滾動(dòng)接觸疲勞6/6/2023輪軌噪聲6/6/2023軌道力學(xué)6/6/2023道岔6/6/20236/6/2023國(guó)外高速鐵路道岔發(fā)展情況6/6/2023我國(guó)秦沈鐵路道岔情況6/6/20236/6/20236/6/20236/6/20236/6/20232.1高速接觸網(wǎng)的技術(shù)特征全補(bǔ)償懸掛結(jié)構(gòu)整體吊弦設(shè)置附加預(yù)馳度錨段關(guān)節(jié)輕型定位器減小接觸線坡度采用自動(dòng)過(guò)分相裝置6/6/20232.1高速接觸網(wǎng)的技術(shù)特征●關(guān)于預(yù)馳度沒(méi)有附加預(yù)馳度時(shí)受電弓軌跡有附加預(yù)馳度時(shí)受電弓軌跡6/6/2023
彈性差異導(dǎo)致受電弓不能沿軌面等高的水平線運(yùn)行,這種差異也是受電弓在高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生垂直加速度的原因之一。取跨距長(zhǎng)度的l/500-1000。預(yù)馳度應(yīng)設(shè)計(jì)合理。速度的提高,預(yù)馳度的效果也減小了。2.1高速接觸網(wǎng)的技術(shù)特征●關(guān)于預(yù)馳度6/6/20232.2高速受流技術(shù)的質(zhì)量性能指標(biāo)1.接觸網(wǎng)懸掛的彈性和彈性系數(shù)
η(x)=y(x)/pp→抬升力
y(x)→由抬生力p在x處引起的升高(mm)
η(x)→接觸線在x處的彈性值(mm/N)
德國(guó)國(guó)鐵對(duì)不同懸掛所允許的彈性和不均勻度值運(yùn)行速度(km/h)100160200280280以上彈性值(mm/N)1.201.201.100.600.40允許均勻度(%)5030201086/6/2023為了減小彈性的差異,必須盡量使跨距中部和懸掛點(diǎn)處的彈性均勻一致,一般采用彈性鏈型懸掛。彈性吊索的長(zhǎng)度對(duì)懸掛點(diǎn)處的彈性有較大影響,一般為12-18m。加大懸掛的綜合張力,會(huì)改善懸掛彈性的均勻程度,但是實(shí)踐證明,增加承力索的張力對(duì)懸掛點(diǎn)處的彈性影響較小,然而,將接觸線的張力從10KN增加到15KN,懸掛點(diǎn)處的彈性系數(shù)減小15%-20%。2.2高速受流技術(shù)的質(zhì)量性能指標(biāo)6/6/2023
2.弓線間的接觸壓力
它是評(píng)價(jià)與控制受流質(zhì)量的重要條件。理論研究證明:對(duì)于接觸懸掛-受電弓系統(tǒng)而言,其間的接觸壓力變化幅度越小、變化率越低,則動(dòng)態(tài)受流質(zhì)量越好;反之,則變壞。
1)標(biāo)準(zhǔn)偏差值(標(biāo)準(zhǔn)偏差值曲線如下圖)2)接觸壓力的平均值:
3)接觸壓力不均勻系數(shù):2.2高速受流技術(shù)的質(zhì)量性能指標(biāo)6/6/20232.2高速受流技術(shù)的質(zhì)量性能指標(biāo)6/6/20233.受電弓的歸算質(zhì)量與最大振幅
1)受電弓的最大振幅2e=Hmax-Hmin
通常情況下,e值控制在150mm的范圍內(nèi)。
2)受電弓的歸算質(zhì)量歸算質(zhì)量越小,受電弓的追隨性越好,其運(yùn)行軌跡越平緩。國(guó)外控制在8-25kg之內(nèi),我國(guó)TSG1型受電弓的歸算質(zhì)量42kg4.離線率及持續(xù)時(shí)間離線是衡量高速受流的重要方面和重要指標(biāo),這個(gè)指標(biāo)可以從一下三個(gè)方面考慮.
限定時(shí)間或限定距離的離線次數(shù);一次離線的時(shí)間;(0.1-0.6ms)
離線率。(200km/h以上時(shí)控制在5%)2.2高速受流技術(shù)的質(zhì)量性能指標(biāo)6/6/20235接觸線平均抬升量及最大抬升量
靜態(tài)抬升量振動(dòng)抬升量動(dòng)態(tài)抬升量一般情況下控制在100-150mm范圍內(nèi),最大不超過(guò)200mm。6接觸線磨耗比與導(dǎo)線壽命
磨耗:電氣磨耗、化學(xué)磨耗、機(jī)械磨耗。磨耗比接觸線通過(guò)萬(wàn)架弓次后,被磨去的橫截面稱為磨耗比。接觸線壽命壽命的直接原因是磨耗及導(dǎo)線疲勞。
TCG-100壽命25-30年
Ris120200萬(wàn)弓架次約30年
2.2高速受流技術(shù)的質(zhì)量性能指標(biāo)6/6/20232.3高速接觸網(wǎng)的控制參數(shù)及理論分析高速接觸網(wǎng)的控制參數(shù),就是接觸網(wǎng)自身影響高速運(yùn)行的基本因素,研究這些參數(shù)的最終目的是保證良好穩(wěn)定地受流及使接觸線具有較長(zhǎng)的壽命。3.4.1波動(dòng)速度
6/6/20233.4.2反射因數(shù)理論分析表明,接觸網(wǎng)適應(yīng)高速的性能與接觸線、承力索及吊弦三者的偶合及參數(shù)因素有關(guān),即接觸線的振動(dòng)波在遇到非均勻質(zhì)點(diǎn)時(shí)被反射,這種反射的影響用反射因數(shù)r表示,反射因數(shù)r越小,表明接觸懸掛的偶合性能越好,其波動(dòng)速度會(huì)大為提高。
●VMx0y2.3高速接觸網(wǎng)的控制參數(shù)及理論分析6/6/20233.4.3多普勒因數(shù)受電弓在高速運(yùn)行時(shí),會(huì)受到接觸懸掛等各種結(jié)構(gòu)因匹配及參數(shù)不同造成的干擾及影響,其被擾動(dòng)力激發(fā)的接觸懸掛形成的振動(dòng)波與高速運(yùn)行的受電弓形成了非常復(fù)雜的振動(dòng)狀態(tài),是相互影響及制約的。這種相互影響、制約及其相互作用的關(guān)系稱為多普勒效應(yīng),用表示2.3高速接觸網(wǎng)的控制參數(shù)及理論分析6/6/2023
3.4.4增強(qiáng)因數(shù)受電弓在高速運(yùn)行中,在通過(guò)定位點(diǎn)或跨距內(nèi)等距吊弦點(diǎn)時(shí),還會(huì)同期地激發(fā)接觸線的振動(dòng)(以波動(dòng)形式表示)。這種接觸線被激發(fā)的振動(dòng)波在傳播和反射中時(shí)而被增強(qiáng),振幅的增強(qiáng)程度用增強(qiáng)因數(shù)表示。2.3高速接觸網(wǎng)的控制參數(shù)及理論分析6/6/2023右圖中,受電弓駛向非均質(zhì)處,一個(gè)力P0突然出現(xiàn)在χ0點(diǎn),然后在χ0開始抬高接觸線。這種抬升在非均質(zhì)處反射。反射的波迎著受點(diǎn)弓相向運(yùn)動(dòng),并由此受電弓以能量輸入方式再次反射回去。此過(guò)程不斷重復(fù)直至為止。若r/α>1,每個(gè)隨后突變量都大于產(chǎn)生它的前一個(gè)量,這個(gè)系統(tǒng)強(qiáng)烈的振動(dòng)持續(xù)到受電弓達(dá)到為止。相反,如果r/α<1則接觸線的擺動(dòng)變緩和。2.3高速接觸網(wǎng)的控制參數(shù)及理論分析6/6/2023增強(qiáng)因數(shù)、反射因數(shù)及多普勒因數(shù)三項(xiàng)因素,影響最大的為增強(qiáng)因數(shù)。理論分析證明,減小增強(qiáng)因數(shù)對(duì)改善受流質(zhì)量是有利的。減小增強(qiáng)因數(shù)的途徑是減小反射因數(shù),即采用增大接觸線張力,減小承力索張力的方法,以改善高速受流質(zhì)量。增強(qiáng)因數(shù)及反射因數(shù),從機(jī)論上講,它們都是有懸掛自身的內(nèi)在的及外在的因素所決定的,例如其結(jié)構(gòu)一致及彈性均勻程度都可以影響振動(dòng)波的發(fā)展,接觸線制造工藝的精細(xì)、平直及線索質(zhì)量、張力的一致以及承力索、接觸線及吊弦的偶合關(guān)系等,這些內(nèi)在及外在因素可以減少非周期振動(dòng)的次數(shù)及強(qiáng)度。通過(guò)長(zhǎng)期的研究和實(shí)踐表明,受電弓的離線率是和接觸線振動(dòng)波的傳播速率密切相關(guān)的,當(dāng)受電弓的運(yùn)行速度與其的比值接近1時(shí),受電弓的離線率將顯著提高,因此要減小離線率,必須提高波動(dòng)傳播速率。2.3高速接觸網(wǎng)的控制參數(shù)及理論分析6/6/20233.4.5接觸線應(yīng)力接觸線使用應(yīng)力超過(guò)了許用應(yīng)力,在高頻振動(dòng)作用下會(huì)產(chǎn)生疲勞斷裂。受電弓作用點(diǎn)處接觸線應(yīng)力方程式為:
抬升力P越大,運(yùn)行速度越大,則應(yīng)力越大;而接觸線張力較大時(shí),應(yīng)力變?。唤佑|線剛度EI大時(shí),應(yīng)力變大;抗彎截面模量變大時(shí),應(yīng)力變小。
v=cp時(shí),接觸線加大工作疲勞,縮短其使用壽命。2.3高速接觸網(wǎng)的控制參數(shù)及理論分析6/6/20232.4設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)高速受流的影響
接觸線和承力索的張力高速接觸懸掛要求彈性小且均勻,根據(jù)關(guān)系式提高線索張力的兩種途徑:一增大其截面,二提高使用拉力。加大截面積會(huì)相應(yīng)地減少?gòu)椥?,接觸壓力的標(biāo)準(zhǔn)偏差較低,對(duì)動(dòng)態(tài)性能更有利;但大截面在安裝時(shí)會(huì)形成硬點(diǎn),使單位長(zhǎng)度質(zhì)量增加,波動(dòng)速度降低。承力索拉應(yīng)力對(duì)反射因數(shù)有影響,為達(dá)到較小的增強(qiáng)因數(shù)應(yīng)降低承力索拉應(yīng)力。6/6/2023圖(b)比圖(a)的動(dòng)態(tài)接觸壓力的帶寬大大降低,力的峰值減小。提高接觸線拉應(yīng)力是接觸懸掛與高速電氣化鐵路相匹配的主要手段。2.4設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)高速受流的影響6/6/2023跨距長(zhǎng)度技術(shù)角度經(jīng)濟(jì)角度結(jié)構(gòu)高度結(jié)構(gòu)高度具有較好的動(dòng)態(tài)性能,這一點(diǎn)反應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)偏差上,在時(shí)速為280km/h時(shí),標(biāo)準(zhǔn)偏差從23N降為19N。彈性輔助索的長(zhǎng)度及張力
一般而論,輔助索的長(zhǎng)度越長(zhǎng),所改變的彈性區(qū)域越長(zhǎng),越使整個(gè)跨距內(nèi)的彈性趨于一致。2.4設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)高速受流的影響6/6/2023標(biāo)準(zhǔn)偏差19N
標(biāo)準(zhǔn)偏差23N6/6/20232.5關(guān)于弓網(wǎng)受流質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)原則安全運(yùn)營(yíng)可靠運(yùn)營(yíng)壽命影響評(píng)價(jià)因素接觸線相對(duì)于受電弓中心線位置材料配置、接觸面接觸壓力、電流、電弧電弧6/6/20232.5關(guān)于弓網(wǎng)受流質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)弓網(wǎng)關(guān)系評(píng)價(jià)參數(shù)的確定關(guān)鍵值的計(jì)算(如:彈性、波動(dòng)傳播速度)可操作性強(qiáng)僅適用于理想化問(wèn)題不依賴于所有參數(shù)測(cè)量(如:接觸壓力、火花、抬升)需要測(cè)量設(shè)備測(cè)量費(fèi)用昂貴對(duì)于多種測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果對(duì)比較困難仿真數(shù)學(xué)方程復(fù)雜必要的計(jì)算機(jī)編程優(yōu)化具體參數(shù)6/6/20232.5關(guān)于弓網(wǎng)受流質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)日本最高運(yùn)營(yíng)速度與接觸線波動(dòng)傳播速度之比控制在70%以下一次離線時(shí)間不應(yīng)大于200ms,離線率最好不超過(guò)5%,在最差的情況下,應(yīng)不超過(guò)20%
導(dǎo)線的最大允許抬升量180mm
在設(shè)計(jì)中應(yīng)妥善處理使用應(yīng)力與疲勞振動(dòng)關(guān)系6/6/2023法國(guó)速度超過(guò)250km/h時(shí),受流質(zhì)量與接觸網(wǎng)的彈性均勻度關(guān)系不大,而更大程度上取決于接觸線的振動(dòng)??梢?jiàn)電弧控制標(biāo)準(zhǔn):1次/160m
接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均接觸壓力的比值不大于33%
定位器點(diǎn)的允許抬高與最大抬高的比值2倍以上2.5關(guān)于弓網(wǎng)受流質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)6/6/2023德國(guó)接觸網(wǎng)的靜態(tài)彈性跨中≤0.36mm/N(Re330)接觸網(wǎng)靜態(tài)彈性不均
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