环境温度对地铁刚性接触网弹性与弓网受流质量影响研究

近年来全国地铁大面积发生弓网异常磨耗事件,特别是冬季异常磨耗已然成为常态,2022年全国有30余条地铁线路出现此现象,经济损失达数亿元。为了研究环境温度对弓网关系的影响,文章首先建立了某地铁线路刚性接触网有限元模型,计算得到环境温度-20~20℃下接触网刚度曲线,并分析了环境温度对接触网刚度影响规律;然后,构建地铁变刚度弓网耦合动力学模型,依据EN 50119等标准验证了其准确性,并计算了环境温度(-20~20℃)、列车运行速度(40~90 km/h)、受电弓静抬升力(70~160 N)、定位线夹卡滞工况下的弓网接触力,着重分析了环境温度对弓网接触力、弓网受流质量的影响规律。结果表明:环境温度与弓网接触力、受流质量具有强正相关性,当环境温度低于0℃时,弓网受流指标将严重恶化;线夹卡滞会对弓网接触力、受流质量带来恶劣影响,而且行车速度越高影响越大。

基于GBDT算法的弓网动态匹配特性预测模型

高速铁路通过弓网系统的滑动电接触获取电能驱动列车运行,弓网动态匹配特性是保障良好滑动电接触的基础。首先,建立了弓网动态匹配的有限元分析模型,并通过与文献结果对比验证了模型的正确性。采用拉丁超立方抽样方法,对接触网的关键结构参数和运行速度参数进行样本抽样,获得输入参数集;然后,利用有限元模型对输入参数集开展大量计算分析并进行结果的特征提取,获得弓网动态匹配关键特征参量的输出结果,结合输入和输出结果,构成了样本数据集;最后,采用梯度提升决策树(gradient lifting decision tree, GBDT)算法对数据集进行学习训练和验证测试,建立弓网动态匹配特性预测模型,并将其与基于决策树、随机森林、极端随机树和极端梯度提升树算法的4个模型进行对比分析。结果表明,基于GBDT算法的模型预测精度更高、稳定性更好,在测试集上的R~2达到了0.929,能够准确快速地评估弓网匹配特性。通过对GBDT模型进行参数重要性分析可知,运行速度对弓网匹配特性的影响程度最大,达61%,其次是接触线的张力、承力索张力和档距。该研究初步探索了采用机器学习方法建立预测模型来替代有限元模型的可能性,所建立的模型可用于弓网动态匹配特性的快速预测与评价。

Cu-Al_(2)O_(3)弥散铜高速铁路接触线对弓网动态受流质量的影响研究

我国高速铁路发展迅速,未来其运行速度将达到400 km/h及以上。针对更高速铁路中弓网受流质量变化,首先研究Cu-Al_(2)O_(3)弥散铜接触线材质性能,然后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,建立弓网耦合动力学模型并借助ANSYS有限元分析软件进行仿真,分析弓网系统在350,380,400和420 km/h 4种速度下受流情况。研究结果表明:使用张力为34 kN时,满足冲击载荷及静载荷条件下的使用安全性,随着列车运行速度增加动态接触压力变化幅度明显增大,其中最大动态接触压力、最小动态接触压力、平均动态接触压力及标准偏差基本满足《高速铁路工程动态验收技术规范》中弓网受流质量评价标准。

双高箱集装运输线路接触网-受电弓适应性研究

为研究双高箱集装运输线路接触网系统的弓网适应性,基于接触线高度达6680 mm的金甬线路接触网系统,针对货运机车搭载的DSA 200、TSG 20型以及跨线运行动车组搭载的DSA 250型3种型号受电弓建立对应的仿真模型,分析单、双弓受流情况下的弓网系统动力学特性。结果表明:在接触线高度为6680 mm情况下,不管是单弓还是双弓受流,对应型号受电弓接触力均值、标准偏差均呈现随速度级增加而增加的趋势,受流质量随速度增加而降低;对于双弓受流,后弓接触力均值与前弓基本一致,但标准偏差小幅增加,后弓受流质量稍差于前弓;各型号受电弓弓网动力学统计数值均在标准参考值范围内,受流质量及弓网适应性良好。

吊弦非均布下400 km/h接触网动态性能提升研究

研究目的:本文聚焦接触网吊弦的间距及其分布,研究其对400 km/h接触网动态性能的提升效果,为400 km/h高速接触网吊弦的非均布设计提供指导。首先,采用线路实测的定位点抬升位移曲线验证弓网耦合动力学仿真模型建模方法的合理性,分别建立3种不同跨距(45 m、50 m和55 m)的弓网耦合动力学仿真模型。然后,以吊弦距定位点的距离即吊弦的非均布方案为输入变量设计实验,再进行弓网耦合动力学仿真,提取接触力标准差作为输出变量。采用BP神经网络建立输入-吊弦布置方案和输出-接触力标准差之间的关系模型,当模型的拟合优度和预测精度满足要求时,再采用遗传算法搜寻该神经网络模型中使输出接触力标准差最小时的输入变量,即最优的吊弦非均布设计方案。研究结论:(1)BP神经网络和遗传算法相结合可以有效地进行吊弦的非均布设计;(2)提出了跨距为45 m、50 m和55 m的接触网中吊弦的最优非均布设计方案;(3)吊弦非均布对400 km/h接触网动态性能有较大的提升效果,接触力标准差分别降低了34.8%、39.3%和18.0%;(4)本研究成果可为400 km/h高速铁路接触网的参数设计提供指导。

考虑接触轨轨缝的靴轨系统动态特性研究

在城市轨道交通中,列车供能除采用架空接触网系统外还常采用靴轨系统。在靴轨系统中,集电靴沿接触轨滑行,振动行为复杂,易受线路条件和结构本身的影响。当接触轨出现轨缝时,集电靴通过会产生较大冲击力,造成靴轨系统受流工况恶化。文章基于多体动力学和有限元理论,搭建靴轨耦合动力学模型,并与实测数据相对比,验证模型准确性。基于所搭建的模型,考虑在标准规定的最恶劣的接触轨轨缝条件,分析靴轨系统在不同速度和轨缝方向下的动态性能。结果表明,相对于前低后高轨缝的工况,集电靴通过前高后低轨缝时,车辆运行速度对靴轨系统受流质量的影响更加严重。

吊弦故障时弓网受流质量评估

基于有限单元法建立弓网系统有限元模型,利用罚函数法实现弓网系统的耦合,采用Newmark积分法求解弓网系统动力学方程,研究单根吊弦断裂和脱落两种情况对弓网受流质量的影响。结果表明:吊弦断裂和脱落对弓网间动态接触力影响基本相同;单根吊弦断裂或脱落对故障吊弦所在跨的动态接触力影响均不显著;相较于其他吊弦故障,2#吊弦断裂或脱落对弓网受流质量影响最大;单个吊弦断裂或脱落时,列车以300 km/h速度运行时弓网受流质量仍然符合规范要求。

受电弓动态参数研究

建立了受电弓与接触网的数学模型 ,用广义坐标法 ,推导了受电弓 -接触网耦合系统运动方程 ,用 Matlab语言编制了仿真计算程序 ,根据仿真计算结果分析了受电弓各动态参数对受流质量的影响 。

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.

基于LQR的高速受电弓最优半主动控制研究

论述受电弓控制类型及特点,探讨改善弓网动态性能的主要措施;建立受电弓最优主动控制和最优半主动控制模型;利用simulink仿真手段,对被动控制、最优主动控制、最优半主动控制下的弓网动态性能进行研究,进而依据相关评价体系分析最优主动控制和半主动控制策略对弓网动态特性和受流质量的影响。研究表明,受电弓的主动与半主动控制可有效改善弓网振动性能,而半主动控制具有所需外界能量少、控制过程无条件稳定、控制效果与主动控制接近等特点,将成为新型受电弓的主要研究方向。

弓网电弧对牵引传动系统电气特性的影响

随着列车运行速度的提高,弓网离线及离线电弧的发生率大幅上升,对牵引传动系统电气特性的影响日益显著,因此有必要研究弓网电弧对牵引传动系统电气特性的影响。为此,考虑了离线电弧的演化过程,建立了牵引传动系统仿真模型;研究了不同弓网离线时间下弓网离线对牵引传动系统电压特性的影响,并分析了离线过程中不同阶段的电压谐波情况。研究结果表明：弓网离线时间较长且在电弧熄灭的情况下,弓网离线对牵引传动系统电气特性的影响最严重;从电压方面来看,弓网离线时间为300 ms的工况下,熄弧后车载变压器高压侧出现的过电压值为47.5 k V,牵引变流器直流侧电压快速降为零,在离线恢复时产生的过电压值可达到6.4 k V,会对其中的电力电子器件产生严重冲击;从波形畸变程度来看,车载变压器高压侧电压的总谐波畸变率（total harmonic distortion,简称为THD,符号为λTHD）随着时间的延长而增大,畸变的电压输入牵引变流器,增加了其控制难度,恶化了变流质量。综上所述,弓网离线时间越长,弓网离线对牵引传动系统交直流侧电压的影响就越大,进而威胁到牵引传动系统电气设备的安全稳定运行。

大型列车弓网系统优化建模与仿真分析

研究了电气化列车受电弓—接触网结构系统优化建模问题,分析了接触线预弛度对弓网受流的影响。传统的弓网模型多采用模态振型叠加法进行求解,过程比较繁琐,且容易引起截断误差。提出了一种基于Newmark算法的受电弓—接触网系统模型,将接触网看作一个刚度不断变化的系统,与受电弓系统联立,给出了弓网运动方程,并提出采用Newmark方法进行直接积分求解。使用ANSYS软件建立了弓网仿真模型,分析了预弛度对弓网受流质量的影响。仿真结果能够满足实际要求,可为接触网的设计提供参考。

集成VR技术的高速受电弓模糊主动控制及仿真

弓网受流性能良好是列车高速安全运行的前提条件,为研究模糊主动控制策略对弓网性能的影响,建立了弓网动力学模型及主动控制模型,构建了模糊主动控制器,进而建立了弓网系统的simulink仿真模型,对被动控制和模糊主动控制下的弓网振动特性进行了仿真分析。最后,建立了基于虚拟现实技术的弓网系统模糊主动控制仿真平台,仿真平台具有较强沉浸感、交互性,可使用户身临其境般的感受模糊主动控制对弓网振动性能的影响。研究表明:模糊主动控制可以极大的改善弓网受流性能,降低弓网接触力波动程度幅度达70%;降低弓网接触力最大值幅度达50%;提高接触力最小值幅度达80%。虚拟现实技术能在三维逼真的虚拟场景中展现仿真结果,有效提高对数据及其本质含义的认识和发现能力,缩短数据分析时间,是仿真数据展现与分析的重要手段。

电气化铁路弓网系统建模与仿真分析

研究电气化铁路受电弓—接触网结构系统优化建模问题,分析了接触线预弛度对弓网受流的影响。传统的弓网模型多采用模态振型叠加法进行求解,过程比较繁琐,且容易引起截断误差。针对上述问题,将接触网看作一个刚度不断变化的系统,与受电弓系统联立,给出了弓网运动方程,并提出采用Newmark方法进行直接积分求解。根据上述方法,使用ANSYS软件建立了弓网仿真模型,分析了预弛度对弓网受流质量的影响。仿真结果能够满足实际要求,可为接触网的设计提供参考。

高速动车受电弓滚动弓头特性研究

讨论了弓网受流原理和受流质量评价体系,通过Simulink仿真手段,对弓网接触压力和受流质量之间的关系进行了研究,提出滚动弓头受电弓设想,并依据接触电阻理论、冲量理论、摩擦磨损理论,分析滚动弓头对弓网性能的提升原理。

200km/h电气化铁路接触网新型零部件与弓网受流质量探讨

研究目的：满足200 km/h山区客货共线电气化铁路的弓网受流质量要求.研究方法：以遂渝铁路在导线最低高度6 330 mm条件下运行的情况为例,对不同区段的悬挂方式及其接触网零部件的设计使用及材质等进行了较为详细的介绍,说明了接触网零部件采用高强度和韧性好的材料,并从结构上具有质量轻、耐振动的特点在高速铁路运行中的重要性.研究结论：根据综合试验情况及数据,对试验情况进行了分析,弓网接触力数值主要分布在现行规定的40～200 N之间.试验说明了新型零件能满足接触网弓网受流质量要求.

基于磁流变阻尼器的高速受电弓模糊半主动控制

弓网振动性能良好是列车高速运行的重要前提,为提升弓网振动性能,降低弓网噪声及磨损,研究了磁流变阻尼器(magneto-rheological damper, MRD)半主动控制受电弓机理。构建弓网MRD半主动控制动力学模型,设计模糊控制策略参数,使用SIMULINK软件建立MRD半主动弓网仿真系统,对被动控制和模糊半主动控制下的弓网振动特性进行仿真分析。研究表明:基于MRD的模糊半主动控制对改善弓网受流性能有良好效果,在350 km/h工况下,弓网接触压力波动幅度降低达20%,最大值减低达20%,最小值提升达80%;离线率降至0。由于MRD半主动控制消耗外界能源极少、控制过程鲁棒性高、控制效果优良,其必将成为高速工况下改善弓网作用关系的重要手段。

高速弓网系统动力学参数敏度分析及优化

随着高速列车运行速度的提升,弓网关系这一基础力学问题备受关注.良好的弓网关系是确保列车安全高效运行、稳定可靠受流、降低接触线与受电弓滑板磨耗等的基本前提.其中,受电弓和接触网的动力学参数对弓网耦合作用起至关重要的作用.本文采用弓网接触力随机统计特征作为优化目标函数,进行受电弓动力学参数的敏度分析和优化设计.首先,建立了二维弹性链悬挂接触网-三质量块受电弓动力学模型,根据EN50318:2018标准验证了动力学建模和分析结果的正确性.然后,基于高速弓网系统的动力学仿真,进行了DSA380型高速受电弓三质量块参数的动力学敏度分析,确定了9个动力学参数的敏感度级别,弓头等效质量敏度评级最高,下框架等效阻尼次之,下框架等效质量和上框架等效阻尼第三.最后,研究了弓头等效刚度和等效阻尼联合变化对弓网耦合动力学性能的影响,给出了提升弓网耦合性能的弓头双参数优化方案,建议同时减小弓头等效阻尼和增大弓头等效刚度,能够实现比单参数优化更好的弓网耦合性能.

基于弓网电接触界面电阻模型的受流质量研究

接触电阻是衡量弓网受流质量可靠性的重要指标,在机车运行过程中,希望弓网接触表面具有较小而稳定的接触电阻.依据弓网电接触界面的微观电阻特性,详细分析了影响弓网受流质量的接触面积及接触斑点数,建立了量化电接触界面电阻的表面特征统计模型.试验结果表明,该分析方法是可行且有效的.

受电弓离线过程弓网电弧电气特性研究

受流问题是制约电气化铁路提速的因素之一,而弓网电弧电气特性是反映高速列车受流问题的重要指标。基于自主设计搭建的弓网离线电弧实验平台,分别探究弓网在稳态离线状态与动态离线过程中燃弧尖峰电压、稳定燃弧电压、电弧电阻、功率的变化规律,对弓网电弧进行伏安特性分析。并对燃弧尖峰电压的变化规律进行曲线拟合,探究电流大小对弓网离线过程电弧电压的影响。实验表明,弓网电弧伏安特性曲线关于原点不对称;在弓网离线过程中,燃弧尖峰电压随弓网间隙距离的增加呈指数增长关系;以受电弓滑板为阴极时,稳定燃弧电压及电弧电阻较小;电流增大,燃弧尖峰电压减小,重燃弧次数明显增加。