高速受电弓接触网系统动态性能研究

高速受电弓接触网系统动态性能研究

中国的高铁正在快速发展。通过六个加快，一些线路在200公里的范围内完成了运营。京开、吴广等客运专线竣工后，可执行300公里的运营。由于电机管理系统的动态性能直接决定着电机的重量，如何有效评估弓网关系已成为研究的热点。目前，中国主要通过计算和模拟参数对弓网的动态性能进行影响，但基于国际标准对弓网关系进行系统评估的数量很少。结合中国的实际情况，本文选择了国内外一些电弓网络系统作为研究对象，采用了国际铁路联盟和欧洲联盟的一系列标准，并通过计算机模拟了该系统的动态性能。1模拟系统1.1柯梁单元模型依据不同的结构和参数,采用有限元法对接触网和受电弓分别建立模型.接触网模型如图1所示,接触线、承力索、吊弦采用铁木辛柯梁单元建模;定位器采用三维杆单元建模.受电弓采用质量-阻尼-刚度模型,如图2所示,其中,c0～c2,f0～f2,k0～k2和m0～m2分别为各部分阻尼系数、摩擦力、刚度系数和质量;Faero为空气动力;Fstatic为静态接触压力.受电弓和接触网耦合采用三维点-面接触单元,通过接触力相互作用,接触点在接触压力的作用下产生应变,并随弓网相对移动而移动.1.2受电弓/接触网系统仿真根据中国高速铁路建设的实际情况,分别选取国内两种简单链型悬挂接触网系统System1和System2与德国的标准弹性链型悬挂接触网系统Re250和Re330进行对比研究,选取DSA250和DSA380型高速受电弓分别与不同参数接触网系统匹配,仿真在1个锚段内进行,选取200～250km/h和300～350km/h两个速度等级,分别进行单弓和双弓运行计算,双弓工况下弓间距取200m.受电弓/接触网系统的参数如表1和表2所示,Fstatic为70N,空气动力系数为0.00097N/(km/h)2.考虑到Re250最高设计速度为280km/h(单弓运行)和250km/h(双弓运行),System1最高设计速度为250km/h(单弓运行)和200km/h(双弓运行),在200～250km/h速度段,各系统均在其最高设计速度下运行.2接触网络的静态特性评估2.1不同系统弹性分布规律静态弹性和弹性不均匀度是影响接触网性能的重要因素.通过计算100N竖直向上的力作用于接触线上引起的抬升来分析弹性.图3示出了4种接触网系统1跨内的弹性分布规律:1跨内弹性均呈对称分布;由于存在跨中吊弦,4个系统的弹性最大值并不是在跨距中点,而是对称分布在跨中点两侧区域,每跨内出现2个最大值;弹性链形悬挂的弹性最小值出现在从支柱算起的第2根吊弦处,而简单链型悬挂的弹性最小值分布在支柱吊弦位置处.表3示出了不同系统1跨内弹性最大值、最小值及弹性不均匀度.可见,随着张力的增大,接触网弹性减小;弹性吊索大大改善了接触网的弹性不均匀度.2.2预弛度的设定根据图3和表3,简单链型悬挂接触网系统的跨中与支柱处弹性差异比弹性链型悬挂的大,为使受电弓高速运行中保持恒定的工作高度,System1和System2中需设定预弛度以补偿其弹性差异;而Re250和Re330中,弹性吊索的设置改善了悬挂点和跨中的弹性差异,因此不需设置预弛度.图4示出了4个接触网系统的静态弛度曲线,由于导线自重的影响,吊弦之间有不同程度的弛度存在,使接触线中存在不平顺现象,弹性链型悬挂系统中表现为波浪状起伏(图4(a)),简单链型悬挂系统中表现为实际弛度大于预留弛度(图4(b)).随着接触网张力的增大,吊弦之间的接触线弛度减小,不平顺状况得到改善.3锚段初始和结束的暂态影响根据EN50318,为避免分析区段受起始和结束的暂态影响,选取锚段中间5跨作为研究对象,仿真内容包括:接触压力、接触线抬升量和接触点的垂向位移等.3.1en50119标准接触压力在一定程度上反映了弓网受流质量,表4和表5示出了接触压力仿真结果.根据欧洲接触网系统设计安装标准(EN50119),速度200km/h以上,Fmax不超过350N,Fmin不小于0N,4个系统均能满足此要求.为使高速下受流更加稳定,EN50119还规定,Fm-3σ不小于0;欧洲铁路弓网受流技术规范以及欧洲电气化铁路互通技术规范提出了更高的要求,要求0.3Fm-σ≥0,System2在双弓运行时,后弓工况均不能满足此要求.3.2定位点处升降量的确定运行速度提高,弓网之间振动加剧,接触线抬升量增大,定位器处抬升量随之增大,为保证弓网运行安全性,需对定位点处接触线抬升量和整个运行过程中接触点垂向位移做出评价.在欧洲系列标准中,没有对定位点处接触线抬升做出量化规定,EN50119要求:设计文件无限制时,支柱处抬升量应是计算值或者仿真值的2倍;有限制时,不能低于1.5倍;国际铁路联盟制定的弓网受流规范UIC794中对定位点处抬升量有明确要求,如表6所示.根据参考文献列车上的受电弓和双弓列车上的前弓引起的接触线抬升量不超过100mm,双弓列车上的后弓引起的接触线抬升量不超过120mm.根据上述评价标准,除Re250单弓运行在280km/h时抬升量超出100mm(小于120mm,满足UIC794标准规定),其他运行条件下4个系统均满足安全性要求.3.3受电弓及其弹簧刚度系数对平均接触压力的影响图5以System1和Re330在双弓运行时为例示出了接触压力和接触线抬升曲线图.结合表4和表5的仿真结果可知:(1)在200～250km/h速度段,平均接触压力统计值与公式计算值Fm=70+0.00097V2差距较大,但可以通过修正静态接触压力和空气动力系数解决(表4为修正后结果);(2)在300～350km/h速度段,平均接触压力与公式计算值很接近,说明弓网动态相互作用很大程度上取决于受电弓的性能,由于DSA380的弓头质量减小,弓头弹簧刚度系数增大,其动态性能明显优于DSA250;(3)在200～250km/h速度段,要特别注意对DSA250型受电弓的静态接触压力和空气动力系数的调整,我国高速线路试验也说明了这一点.双弓运行时,由于前弓的影响,后弓工况变差,且速度越高,这种现象越明显,表现为接触力的标准偏差越大,且简单链型悬挂与弹性链型悬挂相比,前者接触压力的波动变化幅度更大,当速度继续增加时,更容易导致受流质量恶化.同一速度等级下,弹性链型悬挂的接触力波动幅度小于简单链型悬挂.弹性吊索的存在,增大了支柱处的弹性,导致弹性链型悬挂在定位点处的抬升量要大于简单链型悬挂,但在安全许可范围内.另外,System1与System2以及Re250与Re330仿真结果相比较可知,随着张力的增大,接触线弹性减小,抬升量也随之减小.4悬挂方式与弹性链型悬挂系统的对比本文