轨道交通供电弓网系统模型优化研究

轨道交通供电弓网系统模型优化研究

1弓网耦合系统动力学建模接触网是连接网络的主要供电设备。电力机车通过受电弓与接触网的滑动接触获取电能，两者在电气和机械方面是相互依赖、作用和制约的。随着机车运行速度提高，弓网间的接触压力变化幅度增大，动态受流质量变差。当接触压力过小时，接触电阻增大，将不能保证弓网间稳定受流，尤其是当接触力为零时，会出现弓网离线现象，使弓网接触间断，可能导致电弧放电烧灼接触线与滑板、干扰通信线路、损坏车内电子元件等严重后果。因此建立弓网耦合系统动力学模型，研究刚性接触网动态受流过程，是为实验检测与施工提供理论依据的重要环节。目前对弓网耦合系统建模的研究大多集中在对弓网接触位置的处理方式上，文献与分别采用使弓网接触位置节点位移相等和设置弹簧这两种方式来描述弓网间的耦合关系，这两种方法实现的弓网耦合建模都能达到模拟弓网间相互作用的目的。文献通过在弓网接触位置添加接触对实现弓网耦合，仿真得到列车运行速度、接触网跨距、弓头质量等因素对弓网间接触压力的影响。这些文献都采用传统的二元或三元受电弓弓网耦合模型，没有考虑受电弓压力检测环节的建模和刚性接触网材料与截面形状特性，因此仿真过程中存在难以描述的未建模动态环节，不能精确地反映弓网受流特性。本文基于弓网接触压力检测原理，针对架空接触网刚性悬挂方式，在传统模型基础上提出了一种更完善的弓网耦合系统模型用以描述在压力检测环节的未建模动态过程。在Ansys仿真软件中搭建优化后的弓网系统有限元模型，运用非线性瞬态动力学分析方法研究弓网相互滑动过程并进行数值仿真。通过与传统模型仿真数据及实测数据对比，优化模型的仿真结果更接近检测数据，能更有效地仿真模拟弓网的相互作用。运用改进模型仿真出实验检测路段接触网可承受的最大运行速度，为列车运营速度的选择提供理论依据。2混凝土网络系统的电源原理2.1弓网受流分析牵引变电所、牵引网和电力机车共同组成了轨道交通牵引供电系统。城市轨道交通供电系统通常采用直流双边供电方式，供电原理如图1所示。其中由馈电线、接触网、轨道等构成的电气网络称为牵引网。牵引网的核心是接触网，它是电气化轨道交通所特有的、沿路轨架设的、为电气列车提供牵引电能的特殊电力输电线路，是牵引供电系统的重要组成部分。受电弓安装于电气列车车顶之上，是电气列车从接触网获得电能的专用设备，设备属性归机车，工作属性归接触网。电力机车通过弓网间的滑动接触获取电能，该过程称为弓网受流过程。受电弓与接触网通过接触压力耦合成一个复杂的振动系统，用接触压力评判指标衡量弓网间受流的质量。研究弓网受流问题除了进行理论分析以外还有现场实际试验、建立相应受流模拟实验线路和计算机仿真模拟三种方法。与前两种方法相比，计算机仿真方法直观易行，且易于更换条件及数据，效果显著，研究弓网动态受流的主要途径和方法。2.2刚性接触网振动模型接触网根据悬挂方式分为刚性悬挂和柔性悬挂。与柔性悬挂相比，刚性悬挂接触网具有安装净空低、无断线隐患、维护工作量少等优点，已成为城市轨道交通领域一个重要发展方向。刚性悬挂接触网主要由悬挂机构、π型汇流排、接触导线和绝缘元件组成，结构如图2所示。刚性接触网系统是较复杂的振动系统。为了研究核心问题，在对悬挂结构进行简化的同时，依据汇流排和接触线固有特性，做如下假设:1)略去对弓网接触力影响较小的横向振动，只讨论垂向振动;2)汇流排和接触线有相似的动力学特性，都具有抗拉和抗弯能力，将两者一起简化为弹性梁，在跨距节点处约束水平位移;3)工程实际中刚性接触网一般呈正弦方式布置，拉出值不超过0.3m，远小于一个锚段长度(约240m)，故可将锚段内接触网的布置近似看作为直线。刚性接触网的悬挂结构主要由地脚螺栓和槽钢组成。本文将悬挂结构简化为具有等效刚度keq及等效质量meq的弹簧。悬挂结构力学模型及等效模型如图3所示。设作用力Q的作用点C离A、B点距离分别为a、b。假设:(1)弹簧各方向位移与其固定端距离成正比;(2)结构振动时，梁的动变形与静变形曲线一致。从弹性势能、动能等效相等推导出刚性悬挂结构等效刚度keq和等效质量meq的表达式为:式中，其中，l,EI为与螺栓相连的槽钢长度及抗弯刚度;l1、E1I1、l2、E2I2为左右螺栓的长度及抗拉刚度;ρ1、k1、ρ2、k2为将螺栓考虑为杆单元时，左右螺栓的线密度与刚度;ρ、k3为将螺栓考虑为梁单元时，左右螺栓的线密度与刚度。在对悬挂结构、汇流排和接触线作如上假设和简化基础上，得出刚性悬挂接触网简化模型如图4所示。根据假设模态法，设梁单元的垂向位移y(x,t)的表达式为式中，x、t分别为位移变量和时间变量;ue788i(x)为模态函数;qi(x)为梁广义坐标;n为截断振型阶数。可得到刚性接触网的振动微分方程:式中，其中，Fc为受电弓与接触网间的接触压力;mij,kij为模态质量和模态刚度;M为弹性支持的个数;xm为第m个弹性支持距左端支点的距离;xc为受电弓对接触网的施力位置。传统三元受电弓与刚性接触网的耦合模型如图5所示。受电弓与刚性接触网通过接触力Fc耦合在一起。对于上述弓网耦合模型，弓网耦合系统的平衡动力方程组为:式中，m1、c1、k1,m2、c2、k2,m3、c3、k3分别为受电弓模型中的等效质量、等效刚度和等效阻尼;F3,F2为受电弓弓头及上框架所受的气动抬升力;F1为受电弓的静态抬升力;y1、y2、y3为相应质量块的位移。3弓网耦合系统建模在实际运行中受电弓是通过双滑板接触实现动态受流的，刚性接触网的汇流排与接触线具有各自的截面形状和材料特征。简单采用传统的弓网耦合模型进行仿真，无法反映出受电弓前后滑板分别对弓网系统产生的振动激励作用和刚性接触网的自身特性。因此本文基于弓网接触压力检测原理对弓网系统建立了更为精确的数学模型。弓网间接触力的测量主要通过在受电弓弓头部分安装压力传感器实现，考虑到弓网接触力作用位置及方向具有不确定性，检测时分别在双滑板两端各安装力传感器(共四个)，四个力传感器在机械结构与电气性能方面完全相同，检测原理如图6所示。当受电弓与接触网保持机械接触时，四个力传感器均动作，将感应到的压力信号转换为电压信号，通过压力变送器放大后按标准电压信号输出，然后经A/D转换模块转换为数字信号，最后通过光纤将此数字信号送至光电接收器件。光电接收器件将接收到的数字信号通过D/A模块转换为电压模拟信号，最后将此信号存储到数据处理系统中，计算检测出的弓网接触力数值，即四个传感器测量到的数值之和。基于接触压力检测原理，本文研究采用“四元质量块”进行受电弓建模方法，采用以汇流排和接触线实际截面尺寸作为梁单元截面形状的双材料刚性接触网模型。刚性接触网和受电弓在机车行进过程中是一直相互作用着的，它们之间通过前后滑板动态接触力Fa,Fb偶合在一起，共同构成弓网耦合系统，改进的弓网耦合系统模型如图7。该模型能更好地模拟受电弓弓头前后滑板各自的动态受流过程。在此基础上根据式(4)、(5)可推导出改进后弓网耦合系统的动力平衡方程组为:式中:m1、c1、k1,m2、c2、k2,m3、c3、k3分别为受电弓模型中的等效质量、等效刚度和等效阻尼;F3,F2为受电弓滑板及上框架所受气动抬升力;F1为受电弓静态抬升力;ya、yb、y2、y3分别为相应质量块的位移;xc、xc-d分别为受电弓前后滑板对接触网的施力位置;d为受电弓前后滑板间距。4弓网间接触压力仿真分析基于改进的弓网耦合系统数学模型，在Ansys仿真软件中建立仿真用有限元模型。刚性接触网模型选用Beam188单元代替传统选用的Beam3单元，运用Apdl参数化编程完成刚性接触网的建模，其中梁单元截面采用实际接触线与汇流排截面形状，并分别赋予它们各自的材料属性。受电弓采用四元模型，弓头前后滑板与刚性接触网间通过弹簧实现耦合，运用Ansys非线性完全瞬态动力学分析弓网间相互滑动过程。仿真分析的基本步骤如图8所示。接触压力检测线路的刚性悬挂结构参数如表1所示。带入式(1)和(2)得到悬挂结构等效刚度和等效质量:接触线与汇流排截面如图1，按实际尺寸绘制。其中，汇流排截面2213mm2，弹性模量70Gpa，单位长度质量5.91kg/m;接触线截面120mm2，弹性模量113Gpa，单位长度质量1.07kg/m。三元传统受电弓和四元优化受电弓各部分的仿真参数对比见表2。根据以上参数分别对传统和改进的弓网耦合模型进行非线性动力学仿真。截取实测数据中匀速直线路段数据进行滤波处理，去除车体振动噪声后与传统和改进模型的仿真数据进行对比，如图9。比较实测和仿真数据中弓网动态接触压力的评价指标值，见表3。以上结果可以看出，改进后的四元模型仿真结果更接近实测数据。运用改进后的模型仿真不同列车速度下弓网间接触压力的变化曲线如图10所示。随着列车速度增大，弓网间接触力并不是线性变化的，当速度等于或大于160km/h，弓网间最小接触力接近0，弓网间可能会产生剧烈燃弧，严重影响弓网间的稳定受流。5弓网相互作用模拟仿真本文基于弓网接触压力检测原理，在传统模型基础上，创建了由四