高速受電弓-接觸網(wǎng)的動態(tài)受流性能分析

高速受電弓-接觸網(wǎng)的動態(tài)受流性能分析

隨著高速列車的蓬勃發(fā)展，電力引入的高速列車網(wǎng)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)系統(tǒng)具有更高的速度和影響力。新的接觸電視系統(tǒng)的引入不同于傳統(tǒng)的接觸電視系統(tǒng)。當(dāng)列車從普通速度增加到高速運行時，接收到的電流和接收器之間的相互作用非常重要。接觸線和激勵的相互作用決定了供電的可靠性和供電質(zhì)量。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸是限制最大速度的重要因素，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南嗷プ饔靡蕾囉诰W(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑O(shè)計方案和許多參數(shù)。為了評估接觸特性，需要通過模擬計算和線路測試來確定客觀基準(zhǔn)。由于在實際試驗和試驗范圍內(nèi)有限，計算機(jī)模擬方法是模擬兩者之間的縮寫，模擬方法的應(yīng)用有利于開發(fā)。新系統(tǒng)并提高性能指標(biāo).文獻(xiàn)分別建立了接觸網(wǎng)、受電弓的三維模型,采用MSC/DYTRAN仿真弓網(wǎng)的動態(tài)相互作用,得到的仿真結(jié)果與線路試驗實測結(jié)果相吻合.文獻(xiàn)采用有限元方法建立了弓網(wǎng)動態(tài)受流的仿真模型,采用紐馬克法作為仿真的算法,對動態(tài)受流進(jìn)行了數(shù)值仿真.文獻(xiàn)分別建立了受電弓-接觸網(wǎng)動態(tài)相互作用模型,從機(jī)車-軌道系統(tǒng)、弓網(wǎng)垂向耦合振動等方面對弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)建立了從軌道、機(jī)車、受電弓到接觸網(wǎng)三維仿真模型,應(yīng)用了虛擬樣機(jī)技術(shù)研究了弓網(wǎng)動態(tài)受流特性.文獻(xiàn)從提高接觸網(wǎng)彈性均勻分布入手提出了改善弓網(wǎng)系統(tǒng)受流的一些措施.文獻(xiàn)研究了高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)的懸掛形式及相關(guān)參數(shù),對影響動態(tài)受流特性進(jìn)行了理論探討及分析.文獻(xiàn)從接觸網(wǎng)的預(yù)弛度等方面分析了對高速弓網(wǎng)受流的影響.以往弓網(wǎng)關(guān)系的研究都是將其分成兩個獨立的子系統(tǒng)來進(jìn)行仿真分析,隨著系統(tǒng)研究思路的開拓,需要將受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)視為一個耦合的系統(tǒng),建立弓網(wǎng)耦合有限元模型來進(jìn)行研究.本文作者對一種高速鐵路的一種接觸網(wǎng)-受電弓的設(shè)計進(jìn)行了仿真,對弓網(wǎng)受流性能的參數(shù)進(jìn)行了分析,為進(jìn)一步研究高速下受電弓與接觸網(wǎng)不同參數(shù)的配合奠定了基礎(chǔ).1受電弓-接觸網(wǎng)耦合模型的建立當(dāng)受電弓沿著接觸導(dǎo)線運動時,在接觸線方向產(chǎn)生波動影響,波的傳播比列車運行要快,并且在導(dǎo)線的兩個方向上傳播,它們或在錨段的兩側(cè)反射,或者傳播到受電弓上,這些都對接觸壓力產(chǎn)生影響.如果接觸壓力降低到零,會造成離線和火花,如果接觸壓力太高,接觸線的抬升量會超過范圍,甚至?xí)饠嗑€等事故.接觸網(wǎng)和滑板的磨損也是與接觸力有關(guān)系的,為了避免抬升量過高及過度磨損,要求接觸力不能太大,但是為了避免離線和火花,要求接觸力又不能太小.兩者之間是矛盾的,為了獲得受電弓與接觸網(wǎng)之間的相互配合,就需要對它們之間的相互作用進(jìn)行研究.圖1是用MARC建立的受電弓-接觸網(wǎng)模型.弓網(wǎng)相互關(guān)系屬于帶接觸的結(jié)構(gòu)非線性動力學(xué)問題.為了更好地研究弓網(wǎng)的相互作用關(guān)系,需要建立受電弓-接觸網(wǎng)的耦合仿真模型,并且接觸網(wǎng)和受電弓兩個子系統(tǒng)中的參數(shù)都是可以任意改變的,以達(dá)到參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo).另外,兩個模型的參數(shù)需要密切的配合,否則會產(chǎn)生不正確的結(jié)果.1.1接觸網(wǎng)建模的數(shù)學(xué)模型接觸網(wǎng)系統(tǒng)是由承力索懸掛掛起的,連接接觸網(wǎng)與承力索的之間吊弦長度的調(diào)節(jié)可以保證接觸網(wǎng)的平順.然而由于吊弦間距離的存在使得接觸線有一定的弛度,承力索和接觸線通過線路旁的支柱架設(shè)產(chǎn)生拉出值200mm,這樣避免了受電弓滑板中心部位的磨損.高速時從線路到接觸網(wǎng)系統(tǒng)的改變都會引起接觸線與受電弓之間動態(tài)性能的劇烈變化.振動使得弓網(wǎng)分離產(chǎn)生電弧,也可能引起電能傳輸?shù)闹袛?如果接觸線采用剛性懸掛的話就會減少弓網(wǎng)之間的振動,以保證受流的可靠性.數(shù)值模擬仿真中的接觸網(wǎng)有限元模型采用的是歐拉-伯努利梁來模擬,其中接觸線的運動方程為mc?2uc?t2+?2?x2(EIc?2uc?x2)???x(Tc?um?x)+kd(um?uc)δ(x?xn)=Pδ(x?Vt)(1)mc?2uc?t2+?2?x2(EΙc?2uc?x2)-??x(Τc?um?x)+kd(um-uc)δ(x-xn)=Ρδ(x-Vt)(1)式中:mc代表接觸線的單位質(zhì)量;EIc代表接觸線的抗彎剛度;Tc代表接觸線的張力;kd是吊弦的剛度,表示接觸線與吊弦連接處的力;δ是沖擊函數(shù);P是受電弓對接觸網(wǎng)的接觸壓力;uc表示接觸線的位移;um為承力索的位移;xn為吊弦離運動點處的距離;x為運動點處的位置;t是運動時間;V是列車的運行速度.承力索的運動方程為mm?2um?t2+?2?x2(EIm?2um?x2)???x(Tm?um?x)+kd(um?uc)δ(x?xn)+ksum(x?xs)=0(2)mm?2um?t2+?2?x2(EΙm?2um?x2)-??x(Τm?um?x)+kd(um-uc)δ(x-xn)+ksum(x-xs)=0(2)式中:mm代表承力索的單位質(zhì)量;EIm代表承力索的抗彎剛度;Tm代表承力索的張力;ks表示支持裝置的等效剛度;xs為支柱處的位移;xs是支柱點處到運動點處的距離.本文建立的接觸網(wǎng)的有限元仿真模型見圖2.以往建立的接觸線模型認(rèn)為接觸線的質(zhì)量是集中加載在吊弦上,而本模型中接觸線的質(zhì)量認(rèn)為是加在劃分好的有限單元上的.定位器與支柱的連接認(rèn)為是有彈簧的連接.接觸網(wǎng)模型中考慮到了承力索與接觸網(wǎng)的動態(tài)作用.吊弦劃分為兩個有限單元,在高頻范圍內(nèi)這種劃分方可得到較好的計算結(jié)果.承力索及接觸線的張力通過邊界條件進(jìn)行施加,分別施加在劃分好有限單元上.對支柱的位移也通過邊界條件進(jìn)行限制以代替旋轉(zhuǎn)腕臂的移動.接觸網(wǎng)單元的選取比較重要,小單元可以充分研究體現(xiàn)出動態(tài)的過程,用于描述整個運動的矩陣是動態(tài)的,實時的,當(dāng)接觸發(fā)生變化時,矩陣就會重新計算.這個模型可以計算接觸線的動態(tài)抬升量.接觸網(wǎng)建模過程中需要確定的參數(shù)有:①接觸線的幾何特性,材料特性,懸掛方式,安裝高度及施加的張力;②承力索的幾何特性,材料特性,懸掛方式,安裝高度及施加的張力;③支持裝置,如定位器,定位管,腕臂,吊弦和彈性吊索的幾何特性和材料特性;④彈性吊索的弛度及施加的張力.1.2受電弓有限元模型受電弓是由下框架,上框架,弓頭及滑板組成.滑板通過軟彈簧安裝在弓頭上,弓頭安裝在與上框架的彈性安裝座處.上下框架可在升弓彈簧的作用下在垂直方向上運動,不管車輛頂部接觸線多高,受電弓都可以保證在接觸線和滑板間有一個恒定的抬升力.本文建立的受電弓有限元模型如圖3所示.以往建立的受電弓數(shù)學(xué)模型為質(zhì)量塊模型,現(xiàn)在受電弓的有限元模型把質(zhì)量加在受電弓劃分好的有限單元上,弓頭與滑板處及上下框架連接處通過鉸鏈和非線性彈簧連接,鉸鏈僅允許在整體坐標(biāo)系x方向相對旋轉(zhuǎn),非線性彈簧約束了相對旋轉(zhuǎn),考慮了垂直、水平方向的運動.考慮滑板和弓頭處的高頻振動,也考慮到上框架與下框架有角度的運動.升弓彈簧處施加靜態(tài)抬升力的邊界條件,對于弓頭滑板處運動位移也通過邊界條件來進(jìn)行限制,體現(xiàn)受電弓的非線性.并給定受電弓的初始運動條件.受電弓模型中,在運動的過程中,受電弓滑板與接觸線相互作用可得到它們之間的接觸壓力.受電弓建模過程中需要確定的參數(shù)有:①受電弓上框架,下框架,滑板和弓頭的幾何特性和材料特性;②受電弓在車頂?shù)陌惭b高度;③模型的自由度;④受電弓模型的邊界條件.1.3受電弓邊界條件模型中考慮到接觸線位于軌道上方6.5m,由承力索吊起并由支柱固定,定位器約束接觸線的左右移動,定位器支柱之間為梁銷接的鉸接.每兩支柱間接觸線成“之”字形布置.承力索,接觸線的張力通過邊界條件進(jìn)行施加,分別施加在劃分好有限單元上,對支柱的位移也通過邊界條件進(jìn)行限制.定義接觸線,承力索和吊弦不同材料特性.受電弓的弓頭與滑板處及上下框架連接處通過鉸鏈和非線性彈簧連接,升弓彈簧處施加了靜態(tài)抬升力的邊界條件,對于弓頭滑板處運動位移也通過邊界條件來進(jìn)行限制.分析有3個載荷工況:1)第1個工況,施加到接觸線和承力索的張力,線索伸長,7個支柱中的6個可以在受電弓運行方向自由移動,其他方向自由度固定,與此同時,重力加到所有的接觸網(wǎng)-受電弓單元上,平衡后接觸線導(dǎo)線與初始位置的距離為10mm左右.2)第2個工況,弓頭上升并與接觸網(wǎng)接觸,通過在受電弓運動負(fù)方向移動推桿的下端點實現(xiàn).弓頭的旋轉(zhuǎn)和運動方向位移都通過邊界條件進(jìn)行約束,支柱在這個工況下不可在運動的方向上自由移動.3)第3個工況,受電弓運動了半個錨段的距離,弓頭的旋轉(zhuǎn)不再受到約束.2受電弓的計算參數(shù)模型中分為接觸網(wǎng)與受電弓兩個子系統(tǒng),兩個系統(tǒng)中的各種參數(shù)可以修正,以允許運行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計.受電弓與接觸網(wǎng)模型的質(zhì)量必須和實際相當(dāng)或接近,以保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確.受電弓的計算參數(shù)為:滑板密度7.85g/cm3;上框架桿件橫截面積7850mm2;材質(zhì)2.7g/cm3;下框架橫截面積7850mm2;推桿橫截面積1256mm2;材質(zhì)7.85g/cm3;弓頭彈簧剛度106N·m/rad.表1為弓網(wǎng)仿真模型中接觸網(wǎng)的計算條件.2.1受電弓接觸網(wǎng)根據(jù)加速度下的動態(tài)升降受電弓運行過程中引起了接觸線在垂直方向的偏移,這與接觸線架設(shè)時是否水平及定位器的剛度有關(guān).在仿真時,考慮了接觸網(wǎng)上的張力,承力索的弛度及定位器與支柱連接的剛度影響,分別計算了不同速度時定位點處接觸線的最大偏移量.不同速度下,受電弓通過452號定位點,570號跨中點時所引起的接觸線相對與其平衡位置動態(tài)抬升量變化,如圖4所示.隨著速度的提高,在40～300km/h范圍內(nèi)接觸線的動態(tài)抬升量逐漸增大,但在200km/h時接觸網(wǎng)與受電弓的相互作用達(dá)到一個共振點,使得接觸線的抬升量達(dá)到最大93.7mm,此時的受流情況惡劣,但仍小于動態(tài)抬升量100mm的標(biāo)準(zhǔn),此時需要適當(dāng)調(diào)整弓網(wǎng)的參數(shù),才能保證正常的受流.跨中點的抬升量比定位點處大,這是因為跨中的彈性較大,使得受電弓經(jīng)過時的接觸線的動態(tài)抬升量變大.隨著速度的提高,接觸線動態(tài)抬升量增大,這一結(jié)果與南非Fr?hling的結(jié)論一致.圖5是不同運行速度下,受電弓運行400m,所得到的接觸網(wǎng)第452定位點的動態(tài)抬升量變化.在運行開始前,有靜態(tài)加載重力及受電弓抬升的過程,因此接觸線會在重力的作用下,垂直方向位移下移約12～14cm,之后受電弓開始運行.在低速80km/h時,得到的接觸線的抬升量變化與南非Fr?hling的仿真結(jié)果一致.當(dāng)受電弓經(jīng)過定位點時,接觸線抬升量劇烈振動的持續(xù)時間是與速度有關(guān),速度越大,定位器持續(xù)振動的時間越短,接觸網(wǎng)的動態(tài)抬升量的變化也越劇烈.2.2弓網(wǎng)接觸壓力仿真接觸網(wǎng)與受電弓的相互配合決定了弓網(wǎng)的受流質(zhì)量及設(shè)備的壽命.弓網(wǎng)參數(shù)的優(yōu)化可改進(jìn)兩者的配合情況,由于接觸網(wǎng)及受電弓部件受到接觸壓力及其響應(yīng)動態(tài)作用的影響,使得弓網(wǎng)平均接觸壓力處于良好的穩(wěn)定狀態(tài)是解決弓網(wǎng)問題的關(guān)鍵之一.對接觸線上及弓頭上的接觸壓力進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖6所示.受電弓通過定位器時,弓網(wǎng)的相互作用力使得定位點處的接觸壓力顯著提高,受電弓接觸壓力增大也使得接觸線抬升量增加,與圖4的結(jié)果一致.在第1吊弦點處,接觸線及受電弓上接觸壓力最大值分別是500N和292N,這是因為彈性吊索的設(shè)計,使得此處吊弦卸載,接觸線上這一點處的力變大,之后容易發(fā)生離線.定位點處大的接觸壓力會引起受電弓滑板的接觸線的磨耗,小的接觸壓力會引起離線火花,接觸壓力的變化是與受流質(zhì)量有直接關(guān)系.因此要使得接觸壓力平穩(wěn)變化是最終優(yōu)化的目標(biāo),仿真中發(fā)現(xiàn)當(dāng)接觸壓力在80N時弓網(wǎng)配合較好.2.3離線時,受電弓和接觸網(wǎng)上接觸壓力都發(fā)生了必然發(fā)生對不同速度下弓網(wǎng)的離線情況進(jìn)行了仿真,如圖7所示.結(jié)果表明離線發(fā)生在定位點后的可能性較大,并不是發(fā)生在定位點處,這與接觸壓力的分析相對應(yīng),當(dāng)發(fā)生離線時,如圖7所示,接觸網(wǎng)和受電弓上的接觸壓力均變?yōu)榱?與圖6中的結(jié)果相對應(yīng).離線時受電弓上的接觸壓力變?yōu)?N,受電弓與接觸網(wǎng)的接觸狀態(tài)為