基于COMSOL的城轨弓网电弧多物理场仿真研究

弓网电弧产生的高温是烧蚀弓网系统材料的主要原因,研究弓网电弧发生机制,掌握弓网电弧温度分布规律,有助于减少电弧对弓网系统材料的烧蚀损伤,增加弓网系统服役寿命.文中基于磁流体动力学理论,根据弓网电弧数学模型设置相关初始条件,采用有限元软件COMSOL对弓网电弧数学模型进行求解,分析弓网电弧温度分布及电弧两极表面的温度分布,并探究弓网电弧持续时间与弓网电弧温度的关系.结果表明,弓网电弧中心区域温度最高,接触线表面温度远远超过接触线材料的熔点;弓网电弧持续时间与弓网电弧温度呈正相关.

典型气候环境对弓网动态耦合特性的影响研究

研究目的:针对复杂的气候环境对电气化铁路受电弓-接触网系统的影响展开讨论,重点围绕环境温度、横风和覆冰条件三个方面对弓网系统动态耦合性能影响的研究现状和进展进行阐述,并针对目前的研究,展望了关于复杂气候条件下弓网关系在后续应该重点关注的研究方向和发展趋势。研究结论:(1)结合弓网受流过程的动力学特性,丰富环境与电弧温度场的传递特性,加深横风、覆冰条件下接触网振动特性研究;(2)建立多物理场耦合的弓网模型与仿真,充分考虑温度、机械系统、流体和电流等多场耦合效应;(3)改进现有的检测手段与检测算法,及时预测和识别环境因素对弓网系统造成的故障;(4)开发抑制横风引起接触网舞动的装置,研究接触网防冰和除冰技术,减小横风、覆冰对弓网动态受流性能的影响;(5)本研究成果可为弓网关系研究方向提供参考。

曲线区段弓网接触力仿真研究

为探究曲线区段弓网系统的动力学特性,利用有限元方法对曲线区段线路条件下弓网系统空间位置进行数学解析,建立弓网系统仿真模型,并对不同行车速度、曲线半径、接触网拉出值下的曲线区段弓网系统进行非线性瞬态分析。结果表明:曲线区段行车速度越高、曲线半径越小,弓网接触力波动越剧烈;接触网相邻定位点拉出值设置大小差异越大,弓网接触力的波动越大,弓网系统稳定性越差。

高速铁路弓网离线在线识别及应对策略

电气化铁路车辆运行过程中,受电弓与接触网之间的短暂分离(即弓网离线)易引发过电流问题,产生安全隐患、影响铁路运营秩序。文章基于既有动车组牵引电传动系统,介绍其主电路结构及网侧整流器的控制方法,分析弓网离线对系统的影响,着重研究弓网离线后恢复接触时产生过电流问题的原因,提出弓网离线在线快速识别及应对策略。文章搭建了包含电弧模型的牵引电传动系统全数字实时仿真模型,首先通过与实测波形对比证明模型的准确性,然后基于该模型验证文中提出的弓网离线在线识别及应对策略。

山区大坡道对高铁接触网动静态特性的影响及优化研究

为探讨高速铁路大坡道条件对接触网系统动静态特性的影响,建立接触网非线性有限元模型和受电弓三元归算质量模型,并基于相关标准验证模型的有效性;分析大坡道条件对接触网系统静态特性的影响,特别是对接触网中心锚结静态形变的影响;研究长大坡道对弓网动态特性的影响规律,并探讨长大坡道接触网优化措施。研究结果表明:长大坡道对接触网中心锚结静态形变影响较小,对弓网系统动态特性影响相对较大;运行速度250 km/h时,30‰坡度下的后弓接触力标准偏差比无坡度时增大26%;通过设置接触线预弛度可有效提高弓网受流性能,在大坡道区间采用0.3‰的预弛度时后弓接触力标准偏差降低10.9%。

干扰风作用下弓网电弧稳定性及影响因素研究

弓网受流是高速列车获取电能的唯一途径。随着电气化铁路运营速度的不断提升,受电弓与接触网间电气与机械的耦合损伤加剧,限制了列车速度的进一步提升。电弧具有优异的导电性、导热性,利用电弧作为中间媒介进行大功率能量传输具有可行性,电弧传能技术具有广阔的发展前景。实际应用过程中,弓网电弧处于开放大气环境,干扰气流无法避免,电弧稳定性下降,成为电弧传能技术应用的关键难点。搭建弓网电弧实验平台,系统研究干扰风作用下的电弧稳定性及其影响因素。研究发现:随着电压的提升,纯碳材料电子发射方式由热发射向热场致协同发射转变,电弧维持能力由非线性增长向线性增长转变;电弧电流的增大可显著提高电弧维持能力,但也使得电弧电压波动范围减小;不同间隙、不同电流大小条件下,电弧运动模式存在“弧根随机跳跃型-弧根规则跳跃型-钟罩型”的转变。研究结果可丰富特殊环境下的空气电弧理论,并为未来高速铁路的柔性电弧传能技术奠定基础。

弓网关系缩比模型设计方法研究

当列车运行速度提高时,受轮轨振动及气动激扰的影响,接触网波动和受电弓振动加剧,弓网受流质量变差,甚至产生离线。受实际情况或场地因素的影响,在实际线路和现有实验平台上难以全面分析各影响因素对受流特性的影响。为了能够从小场地对列车高速运行时的弓网关系进行研究,全面分析各因素对受流特性的影响,开展弓网缩比模型设计方法的研究。主要是基于相似理论,提出针对简单链形接触网与受电弓的缩比系数计算方法。然后,基于缩比系数的计算结果,结合实际材料属性对弓网关系的影响程度,选取缩比模型的关键参数的相似关系,提出基于实际材料的几何相似和几何不相似模型的设计方法及设计参数。最后,基于原模型和缩比模型的结构参数,采用有限元法,在仿真软件中建立弓网耦合模型,并从静态和动态特性角度验证缩比模型的合理性。研究结果表明,缩比模型的接触网刚度分布、固有频率、接触力、离线特性参数等静态和动态参量的变化规律与原模型的变化规律基本一致,且误差均处于可以接受的范围。说明本文提出的缩比系数计算方法及弓网缩比模型的设计方法及结果是合理的,可以进一步应用到高速铁路弓网关系研究中,亦可为弓网缩比实验平台的构建提供理论方法。

时速400km高速铁路弓网参数优化设计

时速400 km高速铁路技术的研发是我国加快建设交通强国的重要环节。国内尚未有适用于400 km下弓网参数评判标准,且现有弓网结构参数无法满足该速度下列车的稳定受流。在建立弓网动力学模型的基础上,基于高速铁路设计规范,尝试建立适用于时速400 km下弓网接触力和离线率的评判标准,并提出400 km/h下弓网各结构参数优化设计方案。结果表明,选用接触线张力35 kN、承力索张力21 kN、接触网弛度0.2‰、弓头悬挂刚度9000 N/m、弓头悬挂质量6.0 kg、弓头悬挂阻尼80 N·s/m的参数值时,可将弓网接触力最大值、平均值、标准偏差分别由318.04,241.34,58.91 N减小到280.51,220.59,50.87 N,减小了11.80%、8.60%、13.65%,将离线率由4.33%减小到0.94%。优化后的弓网结构参数可以优化接触网弹性均匀程度、增强受电弓与接触网间的跟随性,从而改善弓网匹配效果,提高列车受流质量。研究成果可对400 km/h弓网参数评判标准的制定提供理论支撑。

发射光谱法测量城轨弓网电弧等离子体温度

通过设计弓网电弧光谱实验,模拟DC 1500 V条件下的城轨弓网燃弧现象,利用光谱仪测量电弧光谱数据,选取电弧光谱中5条Cu I的分立线状特征谱线,采用玻尔兹曼图方法得到相同条件下6组电弧的平均温度为5962.20 K,符合电弧等离子体的温度特征.文中研究方法及结论对城轨弓网电弧温度的在线监测具有一定的指导意义.

高速刚性悬挂接触网弓网动态仿真模型优化研究

随着刚性接触网线路上列车的运行速度逐步提高,对弓网动态性能的要求也更高,良好的弓网接触力能保证电力机车持续取流。利用弓网仿真技术可以方便高效获取弓网接触力,因此有必要对弓网仿真模型建模方法进行研究,建立高精度弓网仿真模型,获取精确的弓网接触力。本文基于力学理论与有限元理论建立汇流排、悬挂装置、锚段关节等仿真模型,依托北京地铁大兴机场线开展实测对比验证,为探究更高速度等级的受电弓与刚性接触网系统提供理论支撑。

低气压强气流下弓网电弧阶段性发展特性研究

弓网电弧是危害高速列车受流质量的重要原因,低气压作用下弓网电弧的运动特性及发展规律与常压下存在显著差异,为保障高速列车的安全运行,文章对低气压工况下的弓网电弧展开研究。首先搭建弓网电弧试验平台,试验记录低气压弓网电弧发展过程,分析不同气压条件下电弧电压、弧长、弧根运动速度随时间的变化曲线。试验结果表明,弓网电弧的发展存在明显的阶段性特征,发展全过程可区分为电弧初始阶段、快速发展阶段与频繁震荡阶段。然后对各发展阶段电弧电气特性与运动特性进行了分析:初始阶段电弧电压相对稳定,电弧运动缓慢;快速发展阶段弧根移动速度增大,电弧电压快速提升,电弧电流相应下降;频繁震荡阶段电弧飘弧严重,出现弧根跳跃现象,电压电流波动剧烈,对列车供电质量危害最大。最后研究了气压、气流、电流对电弧发展速度与电弧弧长的影响规律,利用多元线性回归方法分析弓网电弧对各影响因素的敏感程度,发现环境气压的改变对电弧发展速度的影响效果较大,环境气流的变化影响效果其次,电流影响效果较小。研究结果为减少弓网电弧损害和低气压强气流下电弧调控提供了理论基础。

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。

弓网系统接触电阻特性

针对不同接触压力、牵引电流条件下弓网系统的静态和动态接触电阻进行试验研究。研究结果表明:弓网静态接触时接触电阻随接触压力、牵引电流增大而减小;动态时,接触压力和牵引电流一定的情况下,接触电阻随着列车速度的增加呈现出先增大再减少又增大的趋势,接触电阻随速度变化出现2个极值,说明接触压力与列车运行速度和牵引电流存在着最佳匹配关系。

动车组升弓电磁暂态的仿真与测试

用开关的闭合操作模拟受电弓滑板与接触线的触碰过程，进而将动车组和电力机车的升弓过程简化为RLC二阶等效电路模型，并给出其中考虑弧长变化的升弓电弧模型；以CRH2型动车组为例，利用Mat-lab／Simulink仿真软件建立包括接触网电源、受电弓及车顶高压电缆的升弓仿真模型，并进行了试验验证；仿真研究接触网电源等值参数和车顶高压电缆等值参数对升弓电磁暂态的影响，并提出改善对策。结果表明：在车顶电缆等值参数不变的情况下，升弓电磁暂态的振荡频率主要受接触网电源等值电感的影响，持续时间及过电压峰值受其等值电阻和等值电感的共同影响；在接触网电源等值参数不变的情况下，升弓电磁暂态过电压和电缆电流受车顶电缆等值电容的影响；CRH2型动车组升弓电磁暂态过电压峰值可达60~70kV，振荡频率一般在40～70kH2，振荡持续时间一般在0．2～0．8mS；在车顶高压电气系统串联电感和并联RC滤波器可以改善CRH2型动车组升弓电磁暂态。

基于弓头垂直冲击加速度接触网硬点评判准则的研究

接触网内的硬点是影响弓网受流性能的关键因素之一。针对现有利用一跨内受电弓弓头垂直冲击加速度的最大值诊断接触网内硬点的方法存在误判的问题,在分析受电弓弓头垂直冲击加速度波形特征的基础上,提出诊断接触网内硬点的三参数评判准则。该准则包括一跨内受电弓弓头垂直冲击加速度的最大值、峰值因子和标准偏差。在利用统计方法验证试验数据可靠性的基础上,对京哈线沈阳铁路局管内实测的弓头垂直冲击加速度信号进行分析,按照跨长计算受电弓弓头垂直冲击加速度的最大值、峰值因子和标准偏差。通过比较计算结果和相应参数的门槛值,诊断京哈线沈阳铁路局管内接触网内是否存在硬点。分析结果表明,新的三参数评判准则比传统的单参数准则能更有效地诊断接触网内的硬点。

计及机械和电气特性的弓网表面热流分析和计算

针对弓网高额取流所产生的高温热侵蚀,提出一种弓网表面热流源计算评估方法。指出弓网表面温升主要由摩擦、接触电阻和电弧的作用而产生;分析和计算3种温升的热侵蚀过程和影响因素,并选取京津城际客运铁路基础参数进行仿真。仿真结果表明,摩擦热、焦耳热和电弧热一般同时存在并相互影响。分析得出弓网接触压力、风速影响、行车速度、电流变化等对接触线和滑板表面热流的影响规律。

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。

基于直接积分法的弓网耦合系统动态性能仿真分析

针对提速铁路采用的弹性链型悬挂接触网及受电弓结构,建立包含承力索、辅助线、接触线和吊弦4个部件的接触网模型、以及简化为弹簧阻尼机构的受电弓模型。通过接触单元将接触网和受电弓直接耦合起来得到弓网系统的整体模型,进而构建弓网耦合系统的动力学平衡方程。采用直接积分法对建立的平衡方程进行求解,得到反映弓网系统动态性能的抬升位移、接触压力以及应力等数据。与先前研究的参考数据比对结果表明,采用接触单元和直接积分法分析弓网耦合系统的动态性能,切实可行。

高速铁路接触网系统气动弹性模型风洞试验研究

为研究高速铁路接触网系统的风振特性,按照气动弹性模型相似理论建立5柱4跨接触网系统的气动弹性模型,并进行其风洞试验;采用加速度传感器、激光位移计以及三维动态激光位移计,分别测量腕臂结构的加速度、位移以及接触线三维动态位移,研究均匀流场（试验风速级数范围为3~14m·s-1）和紊流度为20%的紊流场（试验风速级数范围为2~8m·s-1）条件下风攻角为90°和60°时,接触网系统腕臂结构和接触线不同位置的风振响应。结果表明：相同风速下,接触线在紊流场中的位移响应大于在均匀流场的响应;风攻角对接触网挂线点和接触线的影响不同,相比较而言,60°风攻角对挂线点更为不利,而90°风攻角对接触线更为不利;同一吊弦区段内接触线跨中的3点风偏位移基本相同。

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.