横风作用下的受电弓-覆冰接触网系统气动弹性问题研究

摘要

电力机车通过安装于车顶的受电弓从接触网上获取电能，从而为整组高速列车提供牵引动力。在列车运行过程中，受电弓滑板与接触线的相互扰动会造成弓网耦合系统的垂向振动，继而影响受流质量。随着我国铁路事业的飞速发展，铁路运输的覆盖面积日益增大，高速列车所处的运行环境也愈发复杂。特别指出的是，对于高寒、高湿等气候恶劣地区，接触网较易发生覆冰现象。在横风作用下，覆冰接触网有可能发生舞动，这将直接影响弓网耦合系统的动力学特性，甚至造成列车的停运或关键部件的破坏等严重事故。因此，深入开展覆冰接触网的舞动机理研究，具有一定的理论价值和工程意义。 本文通过理论分析和数值仿真相结合的方法，建立了弓网系统垂向动力学模型和覆冰接触网的多向耦合舞动模型，详细分析了覆冰接触网-受电弓的气动弹性问题及其对系统动力学特性产生的影响，其主要研究内容有： 首先，建立了简单链型悬挂接触网和归算质量受电弓的垂向耦合动力学模型，其中，引入位移协调方程表征弓网间的接触关系，替换传统接触力模型。同时，采用库伦模型构建弓网间的摩擦力模型，并基于传递系数法将摩擦力等效为垂向抬升力。通过与欧洲标准EN50318中的参考模型进行对比，验证了所建立的动力学模型的有效性。在此基础上，讨论了受电弓在开口和闭口两种运行状态下时，摩擦力对弓网间接触状态的影响，并给出了接触力随摩擦系数和升弓角的变化规律。 其次，针对横风作用下的舞动现象，建立了覆冰接触网的垂向舞动模型。通过对均匀横风作用下的覆冰接触线进行CFD仿真，得到其在不同攻角下的气动力系数，并根据准定常气动力理论，推导出覆冰接触线的垂向气动力。同时，将所获垂向气动力进一步拓展到覆冰承力索的舞动模型中。根据Den-Hartog垂向驰振判据确定了覆冰接触网发生气动失稳的必要条件，并通过振动响应的变化趋势研究了风速、初始攻角以及粘性阻尼等参数的影响。研究表明：覆冰接触网在横风作用下发生的舞动现象，其根本原因是发生了气动失稳，且舞动幅值会随着风速的提高、初始攻角的增大而变大。此外，增大阻尼能够提高系统的失稳临界条件，在一定程度上起到抑制垂向舞动发生的作用。 在初步剖析覆冰接触网的舞动机理之后，进一步对运行中的受电弓在横风作用下的气动力进行仿真，进而实现对横风作用下覆冰接触网-受电弓垂向耦合系统的动力学行为研究。通过数值计算发现，横风对受电弓的作用会引起弓网接触力均值和标准差明显增大，对覆冰接触网的作用会造成弓头位移和定位点的抬升量大幅度提高，从而降低弓网受流的安全性和稳定性。 最后，考虑到不同的舞动激发机理（如扭转失稳机理和惯性耦合失稳机理），以及实际覆冰接触网在发生舞动过程中可能存在大变形等问题，利用Euler-Bernoulli梁理论和Hamilton原理，建立了能够反映大变形过程中的几何非线性特性的覆冰接触网多向耦合动力学模型，并依次给出了垂向和横向的吊弦力、支座力，以及多向耦合准定常气动力的具体表达式。通过与已有文献中的气动力表达式进行对比，论证了该气动力模型的有效性。在此基础上，分别对覆冰接触网的垂向-横向耦合模型和垂向-横向-扭转耦合模型进行了稳定性分析和响应分析。通过稳定性分析可以发现，对于垂向-横向耦合模型而言，其失稳区域较小，所对应的失稳风速较低；对于垂向-横向-扭转耦合模型而言，其失稳区域有所增大，增大的区域所对应的失稳风速较高。响应分析的结果表明：两种覆冰接触网动力学模型均可能发生1:1内共振，此时系统的舞动幅值会骤增。在非内共振风速范围内，系统的舞动幅值相对较低。此外，通过对比有无几何非线性情况下的舞动响应，进一步说明了1:1内共振主要是由于结构的几何非线性所引起。 总体说来，以上研究工作揭示了覆冰接触网在横风作用下发生舞动现象的力学机理，探究了弓网耦合系统的气动弹性响应特征，为今后开展系统的优化设计和振动抑制的研究提供了一定的理论依据和指导。

目录

第一个书签之前