Evolution of the electrical contact of dynamic pantograph–catenary system

A good contact between the pantograph and catenary is critically important for the working reliability of electric trains, while the basic understanding on the electrical contact evolution during the pantograph--catenary system working is still ambiguous so far. In this paper, the evolution of electric contact was studied in respects of the contact resistance, temperature rise, and microstructure variation, based on a home-made pantograph-catenary simulation system. Pure carbon strips and copper alloy contact wires were used, and the experimental electrical current, sliding speed, and normal force were set as 80 A, 30 km/h, and 80 N, respectively. The contact resistance presented a fluctuation without obvious regularity, concentrating in the region of 25 and 50 mf~. Temperature rise of the contact point experienced a fast increase at the first several minutes and finally reached a steady state. The surface damage of carbon trips in microstructure analysis revealed a complicated interaction of the sliding friction, joule heating, and arc erosion.

Geometry deviation effects of railway catenaries on pantograph– catenary interaction: a case study in Norwegian Railway System

This paper presents a non-contact measurement of the realistic catenary geometry deviation in the Norwegian railway network through a laser rangefinder.The random geometry deviation is included in the catenary model to investigate its effect on the pantograph–catenary interaction.The dispersion of the longitudinal deviation is assumed to follow a Gaussian distribution.A power spectrum density represents the vertical deviation in the contact wire.Based on the Monte Carlo method,several geometry deviation samples are generated and included in the catenary model.A lumped mass pantograph with flexible collectors is employed to reproduce the high-frequency behaviours.The stochastic analysis results indicate that the catenary geometry deviation causes a significant dispersion of the pantograph–catenary interaction response.The contact force standard deviations measured by the inspection vehicle are within the scope of the simulation results.A critical cut-off frequency that covers 1/16 of the dropper interval is suggested to fully describe the effect of the catenary geometry deviation on the contact force.The statistical minimum contact force is recommended to be modified according to the tolerant contact loss rate at high frequency.An unpleasant interaction performance of the pantograph–catenary can be expected at the catenary top speed when the random catenary geometry deviation is included.

Pantograph-catenary are test apparatus for high-speed railway

With the continuous increase of train speed,undulations of catenary and vibrations of the pantograph head result in generating pantograph- catenary arc frequently,intensifying the abrasion between pantograph strip and catenary wire,which has seriously influenced the current collection and safety of electric multi units(EMU). It is necessary to study the pantographcatenary arc in immediately. Some researchers develop a few pantograph- catenary arc testing equipment,which couldn’t really reflect the operating condition of pantograph-catenary system. In this paper,the pantograph-catenary arc test apparatus was developed,which simulated the flexible and straight contact of pantograph strip and catenary wire,based on the coupling relationship between pantograph and catenary. The equipment was used to research the electrical parameters of the pantograph-catenary arc and the dynamic contact resistance.

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。

刚性架空接触网弓网动态检测探讨

刚性架空接触网设备安装精度要求高,且基本设置在环境相对复杂的隧道内。为确保设备良好工作状态,本文通过对刚性架空接触网检测依据、项目进行分析,对实际检测数据进行对比,提出了有效的刚性架空接触网检测方法,为后期隧道内刚性架空接触网相关设计提供参考。

基于空间域尺度自适应小波能量的接触网不规则识别

针对高速铁路受电弓−接触网系统中出现的接触网垂向和横向结构不规则问题,在研究接触网不规则对受电弓振动响应影响的基础上,提出一种基于弓头加速度的空间域尺度自适应小波能量识别接触网结构不规则的方法,并开展仿真和现场实测验证。首先,建立受电弓刚柔耦合动力学模型,对不同接触位置下的弓头振动响应进行分析,并建立弓网刚柔耦合动力学模型获取弓头加速度信号,根据标准和实验结果验证模型的准确性;其次,利用连续小波变换对信号时频分析并进行空间域转换,基于空间域中的能量分布特征自适应提取表征接触网不规则的尺度参数;最后,提取尺度参数下的平均小波能量作为特征分量进行融合,实现接触网不规则识别。研究结果表明:本文所提方法能够有效地从弓头振动信号中同时检测出接触网垂向幅值大于0.5 mm的不平顺以及横向定位器偏离故障。

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。

基于实测弓网接触力的高速铁路接触线疲劳寿命研究

针对传统仿真计算方法得到的弓网接触力不能用于准确分析实际运营时复杂环境因素影响下的接触线疲劳寿命问题,在接触线受力分析基础上,借助高速综合检测车并基于弓网等效质量模型,通过采集的弓网垂向接触力、补偿加速度和气动抬升力得到弓网接触力实测数据,再采用雨流计数法对其进行压缩、提取峰谷值、循环计数等处理;在此基础上,结合接触线材料特性得到接触线疲劳寿命及单弓运行下上下行接触线的安全运行年限,对比分析单弓运行、双弓运行及检修前后弓网接触力对接触线疲劳寿命的影响。结果表明:线路各锚段内接触线疲劳寿命差异较大,通常定位点或吊弦处等质量负荷集中处的接触线疲劳寿命较低;单弓运行下接触线最小安全运行年限为13.05 a,双弓运行为10.03 a,小于单弓运行;接触网检修后,单弓运行下最小安全运行年限提升为17.78 a,整体运行安全年限在17.78~28.38 a之间。

基于LSTM预测误差的轨道交通弓网接触力异常识别算法

[目的]接触力是轨道交通弓网综合检测的重要内容,也是弓网系统性能的重要评价因素,但在检测过程中常受到外部环境的影响而出现异常检测数据。目前针对弓网接触力异常检测数据的剔除主要依赖于人工,影响数据分析效率,因此需深入研究弓网接触力异常识别算法。[方法]梳理了弓网接触力常见的异常形式,分析了不同异常形式下接触力检测数据的特征。提出了一种基于LSTM(长短期记忆网络)预测误差的弓网接触力异常识别算法,通过使用正常的接触力数据训练LSTM模型,使该模型能够对接触力变化趋势进行预测。为实现正常区段与异常点的精确划分,使用基于置信区间的异常检测数据识别方法。为降低长距离异常数据对LSTM模型预测效果的影响,提出了一种基于预测值置换的异常数据处理方式。通过高速综合检测列车测得的真实检测数据,分别对三种常见异常形式的弓网接触力识别效果进行验证。[结果及结论]提出的算法能够较好地实现对弓网接触力异常的识别。

速度350 km/h高速铁路接触网设备服役性能试验研究

对某350 km/h速度等级高速铁路接触网几何参数动态性能、运营动车组受电弓静态压力和弓网燃弧性能进行长期跟踪测试,对比不同运营速度下弓网燃弧次数、弓网动态接触力,接触网动态抬升量、接触网零部件承受的载荷和滑板磨耗变化规律,对接触线磨耗进行分析,预测了接触线寿命,最后对接触网零部件进行试验台试验,检验了零部件使用寿命。通过以上试验和研究,比较充分地掌握了动车组350 km/h运营速度下接触网设备服役性能,为接触网设备养护维修提供了数据支撑。

基于实测载荷谱的CED420型高速受电弓疲劳强度评估

针对CED420型高速受电弓疲劳破坏问题,提出了基于实测载荷谱的受电弓疲劳强度评估方法。根据CED420型高速受电弓三维实体模型,建立有限元数值模拟模型。基于雨流计数法分析线路实测的垂向弓网接触力载荷谱,同时通过流体力学软件计算受电弓各部位所承受的空气动力。在此基础上,对有限元模型进行疲劳工况加载,通过ANSYS软件计算CED420型高速受电弓的应力变化范围。最后基于IIW疲劳评估标准,对受电弓钢材结构和铝材结构进行疲劳强度评估并分析原因。结果表明受电弓各部位疲劳累积损伤均小于1,满足设计要求,其中钢材结构薄弱部位发生在上臂,最大累积损伤为0.64,铝材结构薄弱部位发生在受电弓弓头铝托部位,最大累积损伤为0.72。

基于数据特征的接触网补偿装置卡滞识别方法研究

对于铁路接触网中心锚结及下锚补偿装置出现异常,根据6C检测系统中高速铁路弓网综合检测装置(1C)采集的波形数据总结出数据特征并提出相应算法。选取弓网接触力和接触线高度作为判断此类缺陷的2个特征变量,经过数据预处理后,计算弓网接触力一跨内标准差,接触线高度通过移动滑动窗,采取相应规则形成上界线,结合波形数据特征确定阈值并进行逻辑判断,得出异常锚段公里标。通过对典型线路进行计算分析,结果表明该方法可以识别出接触网中心锚结及下锚补偿装置缺陷,可为快速寻找此类缺陷及相关分析提供数据支撑。

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。

电气化公路运输系统与ESG投资分析

由于电气化公路运输系统比其他运输形式具有提升能源效率、降低运营成本、有助于解决交通运输相关产业绿色转型升级建设所产生的负面环境影响,本研究运用ESG投资分析方法,分析了电气化公路运输系统对环境、经济和社会的影响,评估了在实现可持续发展方面的作用。研究表明:在目前中国绿色低碳经济转型宏观趋势下,电气化公路运输系统在不同环境友好的交通绿色转型投资类型中,具有更好的绿色低碳、社会进步和经济效益。

高速铁路接触网导线动态抬升量研究

为了通过高速铁路线路整体接触导线抬升量数据研究弓网系统动态性能,文章建立了4种典型高铁线路的接触网模型和3种高速受电弓的三自由度归算参数模型,并利用罚函数法模拟弓网关系,建立弓网耦合模型,仿真计算接触线定位器抬升量在不同运行速度、不同运行方向下的变化。随后,文章提出一种基于随机森林算法的定位点智能识别分类方法,将接触线拉出值拐点作为定位点,结合现有的接触网几何参数检测数据,采用随机森林算法,将投票结果作为最终定位点判断标准,建立分类模型,优化定位点数据,并对接触线抬升量动态静态实测数据进行预处理、定位点优化、数据空间同步后,得到连续的接触线抬升量。研究结果表明,在速度170~350 km/h内4种典型线路定位器最大抬升量随列车运行速度的提升而增大;在300 km/h开口运行条件下,SSS400+受电弓的定位器动态最大抬升量小于法维莱CX-018与DSA380受电弓,最大抬升量在61.17~81.44 mm;在接触网参数确定的前提下,受电弓闭口方向运行时接触线平均抬升量要高于开口方向运行。

北京地铁6号线弓网异常磨耗原因解析及改进措施

北京地铁6号线自西延线开通试运营以来,受电弓和接触网出现异常磨耗,受电弓碳滑板磨耗速率急剧增大,表面呈粗糙形貌。汇总了该现象导致的设备故障并进行了测试试验。经分析,认为导致弓网异常磨耗的根本原因是新增电客车受电弓压力较小,引起了弓网间离线电弧发生的频率增大,导致弓网间接触位置温升增大、接触线软化、碳滑板材质变化,使弓网间磨损速率急剧增加,接触线出现拉丝形态。为此,提出了改进弓网关系的措施。

刚性悬挂动态仿真方法研究

为了缓解经济高度发展带来的交通压力,部分城市开始全面推进以刚性悬挂为主的城市轨道交通建设。机车的运行安全直接受到刚性悬挂系统的动态性能的影响,文章研发了一款刚性悬挂动态仿真软件,通过模拟机车运行时受电弓和接触线之间的运行状态数据并进行分析,判断设计方案的合理性,旨在为弓网动态性能提供理论研究依据,为施工中的刚性悬挂系统安装提供参考,减少实际运营中因弓网振动引起的离线、燃弧现象,延长弓网系统的整体寿命,提升其安全可靠性。

Fatigue life evaluation on key components of high-speed railway catenary system

The fatigue load spectrum and operation life evaluation of key components in the catenary system under the high speed train running condition were investigated.Firstly,based on the catenary model and pantograph model,the couple dynamic equations of pantograph–catenary were built with the Lagrange’s method;then the dynamic contact force was obtained by the Newmark method at the train speeds of 250,280 and 300 km/h,respectively.Secondly,the finite element model(FEM)of one anchor section’s catenary was built to analyze its transient response under the contact force as train running;then the loading time history of messenger wire base,steady arm,registration tube,oblique cantilever,and straight cantilever were extracted.Finally,the key components’fatigue spectrum was carried out by the rain-flow counting method,and operation life was estimated in consideration of such coefficients,such as stress concentration,shape and dimension,surface treatment.The results show that the fatigue life of the catenary system reduces with the increasing of train speed;specifically,the evaluated fatigue life of the steady arm is shorter than other components.

基于图像处理技术检测弓网接触力的新方法

接触网和受电弓是电气化铁路供电系统中的重要组成部分,其中弓网之间的动态接触又是保证电力机车良好受流的关键条件,所以寻求良好的弓网关系是铁路供电系统设计的一个重点.考虑到目前弓网接触力大多采用接触式检测手段,对于非接触检测的研究方法较少,故提出了一种基于图像处理算法检测弓网接触力的新方法.简化受电弓弓头结构,分析了弓网接触力与弓头位移之间的关系,建立弓网接触力计算模型;并在弓网混合模拟试验台进行地面验证实验:首先,利用图像处理模块对采集到的图像进行标记点的目标跟踪与特征提取;然后,通过数据处理模块对得到的位移信息进一步分析得到弓头加速度等信息,修正得到加速度信号;最后,对经过惯性力和阻尼力修正后的接触力结果进行分析.结果表明:通过图像处理检测得到的弓头位移最大测量误差仅为1.3 mm,精度较高;同时检测得到的弓网动态接触力的最大值、平均值和标准差的最大相对误差仅为5.46%、5.15%和4.58%,测量误差较小.结果证实此方法检测弓网接触力是可行的,且检测精度满足要求.

弓网滑动电接触电磁热力耦合效应研究进展

为电力机车提供牵引动力的受电弓滑板与接触网导线是典型的滑动电接触摩擦副,二者在工作中存在电、磁、热、力多场耦合效应,复杂的多场耦合作用将影响弓网的受流质量和摩擦磨损性能,开展电气化铁路弓网接触多物理场耦合效应研究,对降低弓网运行维护成本,提高受电弓滑板和接触网导线使用寿命等具有重要意义。该文重点归纳总结了近些年来弓网系统在电、磁、热、力多场效应下的相关研究进展。结合列车实际运行工况,综述了弓网接触电阻、电弧、接触温度、电磁力和压力载荷等因素对弓网载流摩擦磨损性能的影响规律,针对多物理场作用下研究中存在的问题与不足,提出进一步研究和完善的意见。在此基础上,从提高弓网滑动电接触性能、保障列车安全稳定运行角度,采用弓网接触电阻、燃弧率及接触温度对电接触性能的评价进行阐述和探讨,以期对弓网电接触行为进行合理预测与评估,为进一步研究弓网滑动电接触多场耦合效应提供参考。