Dynamic performance of a pantograph-catenary system with the consideration of the appearance characteristics of contact surfaces

In this paper,a modeling method for a pantograph-catenary system is put forward to investigate the dynamic contact behavior in space,taking into consideration of the appearance characteristics of the contact surfaces of the pantograph and catenary.The dynamic performance of the pantograph-catenary system,including contact forces,accelerations,and the corresponding spectra,is analyzed.Furthermore,with the modeling method,the influences of contact wire irregularity and the vibration caused by the front pantograph on the rear pantograph for a pantograph-catenary system with double pantographs are investigated.The results show that the appearance characteristics of the contact surfaces play an important role in the dynamic contact behavior.The appearance characteristics should be considered to reasonably evaluate the dynamic performance of the pantograph-catenary system.

Pantograph and catenary system with double pantographs for high-speed trains at 350 km/h or higher

The paper is aimed at developing an optimized design of the pantograph and catenary system with double pantographs at a speed of 350 km/h for the Wuhan-Guangzhou high-speed railway. First, the pantograph and catenary system for the Beijing-Tianjin high-speed railway was analyzed to verify whether its design objective could be fulfilled. It shows that the system is not able to satisfy the requirement of a sustainable running speed of 350 km/h. Then a new scheme for the pantograph and catenary system is proposed through optimization and renovation of the structure and parameters of the pantograph and catenary system, including the suspension type of the catenary, tension of the contact wire, and space between two pantographs. Finally, the dynamic performance of the new system was verified by simulation and line testing. The results show that the new scheme of the pantograph and catenary system for the Wuhan- Guangzhou high-speed railway is acceptable, in which the steady contact between the rear pantograph and the catenary at the space of 200 m can be maintained to ensure the current-collection quality. A current collection with double pantographs at a speed of 350 km/h or higher can be achieved.

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。

城市轨道交通车体垂向振动对弓网受流性能的影响

[目的]既有对接触网系统动力学仿真的研究大多基于受电弓底座仅有纵向自由度的假设,忽略了轮轨激励引起的车体垂向振动对弓网受流性能的影响,需要将车辆-受电弓-接触网(以下简称“车-弓-网”)作为一个整体予以研究。[方法]分别建立了刚性接触网、柔性接触网两种接触网类型下的弓网耦合动力学模型及车-弓-网多体动力学模型。在案例线路上进行了弓网动态受流试验,对所建的刚性接触网车-弓-网多体动力学模型的计算结果进行了可行性验证。基于列车运行速度为80 km/h、90 km/h、100 km/h、110 km/h及120 km/h五种速度工况,选取了其中两种速度工况对刚性接触网受电弓绝缘子底座处的垂向动态响应进行了分析,并在五种速度工况下分别对两种接触网类型下弓网模型、车-弓-网模型的各动态响应参数进行了对比分析。[结果及结论]所建车-弓-网多体动力学模型的模拟计算结果是合理的。车体振动会对弓网受流性能产生一定影响:柔性接触网下车体垂向振动对弓网受流性能影响很小,可不予考虑;刚性接触网下,与未考虑车体垂向振动的弓网模型相比,考虑了车体垂向振动的车-弓-网模型计算得到的弓网接触压力统计最小值、弓头最大抬升位移均随列车运行速度的增加而增加,弓网接触压力统计最小值变化率的最大值为24.7%,弓头最大抬升位移变化率的最大值为4.2%。

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。

考虑过渡函数的电气化铁路弓网离线电弧建模与验证分析

随着列车速度的提高,弓网离线电弧现象频繁发生,对列车的安全运行产生影响。因此有必要研究弓网电弧模型,分析其电气特性。在计及横向吹弧的Habedank电弧模型基础上,以电弧电流作为变量构建了过渡函数,较合理地实现了串联电弧模型的动态电阻分配。在MATLAB/Simulink仿真软件中,通过S-函数的编写实现了电弧模型的仿真,并将对得出的仿真波形与实验波形进行对比分析,验证了所搭建模型合理性。结果表明:列车速度增大,电弧电流不会随之增大,而是基本保持不变,但电弧电压却会随之增大,其中燃弧电压增大程度最大。

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.

弓网电弧形态特性试验研究

高速铁路弓网振动加剧,离线频发,电弧频繁发生,使得弓网电弧成为弓网关系研究的关键问题。鉴于此,基于弓网电弧试验系统,利用高速摄像机采集弓网电弧形貌,对电弧图像进行灰度等值曲线分析并与现场实测电弧图像进行对比。同时分析了燃弧的动态变化过程,以面积和周长对电弧的形态进行表征,分析了电弧电流对电弧形态特性的影响。研究结果表明:弓网电弧形貌呈椭圆形,在两极附近有聚集收缩现象,电弧图像灰度值可近似描述温度分布。对电弧形态的动态变化实现了量化,电弧面积与电弧周长均随电流的增大而增大,电流为120 A时,电弧面积与周长的最大值分别可达到56 244和1 258。

高速气流场下列车弓网电弧动态模型

随着弓网离线率和离线程度的增加,弓网离线电弧现象频繁发生,而弓网离线电弧对受电弓滑板、接触网导线、供电质量、通讯信号和无线电信号的影响严重危害了列车运行安全。因此基于横向吹弧和纵向吹弧理论,研究了高速气流场对弓网电弧耗散功率的影响。考虑弓网电弧的弧柱拉伸、压缩以及强气流吹弧的能量交换,得到弓网电弧在起弧阶段中,电弧单位长度的耗散功率P与车速vc之间为一次函数关系,且弓网电弧在燃弧阶段中,两者为近似一次函数关系。根据能量平衡理论,运用Matlab/Simulink仿真软件,建立了弓网电弧的动态模型,并对比分析了弓网电弧仿真波形与实验波形。结果表明:第1个燃弧周期内起弧电压峰值约为35 V,第2个燃弧周期内起弧电压峰值约为30 V,且起弧阶段均有小燃弧过程;仿真波形与实测波形在整体趋势上较一致,验证了弓网电弧动态模型搭建的合理性。分析结果为研究弓网电弧特性提供了理论基础。

高速铁路受电弓-接触网系统动态性能仿真研究

在简要介绍法国、德国及日本高速铁路受电弓和接触网结构的基础上，建立了各类接触网和受电弓系统的动力学分析模型，开发了其数值模拟软件，并应用此软件分析了简单链形悬挂、弹性链形悬挂以及双链形悬挂的振动特性。此外，还应用此软件对双弓牵引间距的确定以及弓网结构参数优化方面进行了研究，并取得了理想的结果。

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。

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。

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.

受电弓空气动力对列车弓网特性的影响仿真

为研究列车在高速运行时,受电弓空气动力特性对弓网动力学性能的影响,建立受电弓的简化三维模型。采用流体分析软件FLUENT,基于三维定常不可压缩N-S方程和k-ε两方程湍流模型,对高速受电弓的气动力进行数值模拟,得到受电弓的空气动力特性。利用有限元分析软件ANSYS,建立受电弓-接触网系统仿真模型,仿真分析了受电弓空气抬升力对弓网动态接触压力的影响,仿真结果表明,受电弓的空气动抬升力与速度的平方成正比,高速情况下空气抬升力使弓网接触压力大幅增加,弓网受流质量变差。

关节式电分相处的弓网动态特性

根据高速综合检测列车接触网检测系统实测得到的我国高速铁路和既有提速线路弓网最大接触压力、最小接触压力、平均接触压力、接触压力标准偏差、接触压力极差和接触线高差等弓网动态特性参数,运用相关性分析和多因素综合评价方法研究不同类型关节式电分相处的弓网动态运行特性。结果表明:对于短分相类型关节式电分相,其弓网接触压力极差峰值出现在机车驶入方向的电分相锚段关节转换跨处;而对于长分相类型关节式电分相,在机车驶入、驶出方向的电分相锚段关节转换跨处均有弓网接触压力极差峰值出现;电分相处的弓网接触压力极差与接触线高差呈显著性正相关,因此在日常养护维修工作中需加强对锚段关节转换跨处等高点的调节,使其符合设计标准和相关技术规程的要求,从而显著改善弓网间的相互作用关系;由于6跨关节式电分相的弓网动态作用关系较为优良,建议在我国新建高速电气化铁路上优先采用。

高速列车弓网关系研究

通过近期对高速情况下弓网系统进行深入研究,首先,对不同接触网模型建模方法进行了研究,并建立了4种接触网波动特性的研究模型,辨识了不同接触网模型结构差异造成的波动特性变化,确定了该接触网系统的波动特性,包括：波速、波长及频率等;辨识了高速气流扰动的特征,并通过对不同流固耦合仿真方法的研究,建立了弓网系统流固耦合联合仿真方法。在此基础上,对列车通过隧道以及接触网风振响应进行了相应的分析;其次,在接触网不平顺方面,对受电弓底盘阻尼器和弓头悬挂系统非线性进行实验测试和建模,同时,进一步细化了基于梁单元的接触网参变量有限元模型,从而可实现弦单元、梁单元、梁-弦混合模型的任意建模和数值仿真。针对接触网的周期性特点,以精细积分方法为基础,建立了周期子结构精细积分方法;在电接触特性方面,构建了弓网系统接触区域有限元模型,研究了弓网间隙的电场分布及其随振动间隙的变化规律,建立了弓网电磁力数值分析模型,研究了牵引电流、拉出值、振动间隙对弓网间电磁作用力的影响规律,分析了正常和瞬态短路工况下的弓网电磁作用力数值范围,设计了高压大电流弓网电接触试验系统;最后,通过开展弓网间电弧放电特性和接触网波动特性试验研究,对理论研究工作提供了数据支撑。结果表明：采用多跨实际接触网模型对波动特性研究较为合理,并通过弓网系统耦合仿真确定其接触网的波速,进而确定其频率、波长特性的方法是可行的;当列车通过隧道时,由于隧道壁面的限制,使得受电弓的气动阻力和气动抬升力较明线上运行增大,接触线的动态抬升位移也相对增加,弓网受流质量相对变差;接触网在脉动风作用下产生了较大的风振位移和风振应力,有效控制风荷载引起的接触网位移和应力对列车运行安全性十分重要;导高不平顺的阈值,可为接触网的架设、维护提供参考;在弓网耦合系统仿真中,接触网承力索采用弦单元离散,接触线采用梁单元离散,既可保证仿真结果的合理性,又能尽可能的保证计算效率;弓网电磁作用力受牵引电流影响较为显著,正常工况下弓网电磁作用力较小,而短路工况下,弓网作用力迅速增大,对弓网动态特性影响较为显著;弓网间产生的电弧对碳滑板的磨损率、弓网间摩擦副的接触表面温升的影响较大,导致电流发生畸变,对电路中的电器设备造成不利影响。

高速接触网导高偏差对弓网动态性能的影响

分析了接触线高度变化对弓网动态性能的影响,仿真结果表明:300 km/h运行速度下,当接触线出现单根吊弦负弛度时,导高最大偏差不应超过9 mm;当接触线出现单根吊弦正弛度时,导高最大偏差不应超过12 mm;定位点高度变化时,导高最大偏差不应大于±20 mm,即坡度小于0.67‰。

车体振动及线路坡度对弓网受流性能影响研究

利用仿真方法分析弓网系统动态相互作用时,车体振动对弓网受流性能的影响是重要的评估内容。采用有限元技术和多体动力学理论,基于既有商业软件搭建了全空间范围内的车-弓-网耦合系统仿真平台,对不同速度条件下车-弓-网系统的受流性能进行了分析,同时研究了线路坡度对受流性能的影响。研究结果表明,在现有商业运营速度条件下,车-弓-网和弓-网模型受流性能差异不大,同时,线路坡度对弓网系统受流性能的影响有限。从动力学角度来看,轮轨激励导致的车体振动以及由于线路坡度引起的车体姿态变化,不会对电气化铁路的弓网动态相互作用造成显著影响。

高速铁路接触网振动特性分析

简要介绍了法国、德国及日本高速铁路受电弓和接触网结构。建立了各类接触网的欧拉梁－集中质量模型及受电弓的框架模型，开发了其数值模拟软件。应用此软件分析了简单链形悬挂、弹性链形悬挂以及双链形悬挂的振动特性，并进行了相互间的比较分析。

高速列车弓网电弧模型及其电气特性仿真研究

弓网电弧对受电弓滑板、接触网导线、供电质量、通讯信号和无线电信号的影响严重威胁列车的运行安全。因此,研究弓网电弧模型,分析弓网电弧的电气特性,对降低弓网电弧造成的危害很有必要。笔者运用MATLAB/Simulink仿真软件,考虑到列车在运行时高速气流场对弓网电弧模型参数变化的影响,建立了弓网电弧模型;通过弓网电弧仿真波形与实验波形的对比分析,验证了弓网电弧模型搭建的合理性。为了对比分析弓网静态燃弧和动态燃弧的差别,利用搭建的弓网电弧模型进行了列车在进行升、降弓操作过程和高速列车运行速度为200 km/h时3种工况下的弓网电弧仿真,最后通过弓网静态燃弧过程中和动态燃弧过程中电弧电气特性的对比分析,得到了相关结论。从而为研究弓网电弧的电气特性提供了理论基础。