受电弓与刚性接触网动力相互作用研究

摘要

刚性接触网作为隧道内的牵引供电电路与受电弓的机械滑道已广泛应用于工程实践。随着城轨的线路车站间距逐渐增加，电气化列车运行速度必将提高。为研制160km/h及以上的受电弓与刚性接触网系统，迫切需要受电弓与刚性接触网动力相互作用的系统理论及开发相关的工程仿真工具，基于此，本文开展了以下研究工作:
　　(1)建立了受电弓质点系、刚体系、刚柔耦合和柔体系动力学模型，通过受电弓动态特性测量技术获取了质点系和刚体系模型参数，比较了多种受电弓模型的模态特性，验证了受电弓模型的有效性，形成了受电弓完备的模型库。
　　(2)利用模态法或有限元法对刚性接触网汇流排、接触线、定位悬挂结构进行了力学分析，建立了刚性接触网的平面动力学模型和空间动力学模型，并进一步给出了锚段关节、刚柔过渡以及柔性接触网的建模方法，形成了接触网完备的模型库。
　　(3)利用非线性罚函数确定了接触力的数值，根据动力学矩阵和积分时间确定了接触点的位置，通过对接触力的处理，建立了受电弓与刚性接触网的动力耦合模型。
　　(4)建立了两种受电弓与刚性接触网动力相互作用模型，分别为柔体系模型与刚柔耦合模型，其中柔体系模型中受电弓为质点系模型，刚性接触网为平面动力模型或空间动力模型，刚柔耦合模型中受电弓为刚柔耦合模型，刚性接触网为空间动力模型，并进一步给出了两种相互作用模型的仿真积分算法，并编写了相关仿真程序。
　　(5)给出了受电弓与刚性接触网动力相互作用性能指标及其范围。以标准EN50318的弓网系统仿真确认要求为依据，首先利用标准中参考模型进行了仿真确认。再以标准EN50317设计弓网动力性能试验与接触线振动响应试验，获取了实际线路柔性接触网、刚性接触网的弓网动力相互作用性能指标数据，与相同线路及弓网结构参数的弓网仿真结果进行了比较，确认了受电弓与刚性接触网仿真技术是可信赖的。
　　(6)以80km/h刚性接触网线路为例，获取了受电弓、刚性接触网的基本动力响应，以及动力响应较大的零部件或区域。进一步分析了受电弓、刚性接触网结构和弓网耦合边界与约束条件等单因素变化的弓网动力响应，探索了弓网单因素变化的动力相互作用规律。然后利用正交试验方法，获取了受电弓、刚性接触网和弓网耦合等多因素组合变化的弓网动力响应，探索了弓网多因素组合变化的动力相互作用规律，给出了弓网动力响应的敏感因素。
　　(7)利用弓网单因素和多因素变化的动力响应研究结论，结合既有几种型号的受电弓、刚性接触网的结构，提出了适应160km/h弓网系统设计原型。比较了不同受电弓类型、运行速度、刚性接触网汇流排结构、定位点几何参数静态误差、定位点刚度、跨距长度、锚段关节结构、刚柔过渡结构的弓网动力响应，得出了满足弓网动力相互作用标准要求的160km/h刚性接触网系统建议方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 受电弓

1．2．2 刚性接触网

1．2．3 弓网动力相互作用

1．3 研究内容及方法

2．1 概述

2．2 受电弓的动力学模型

2．2．1 质点系模型

2．2．2 平面刚体系模型

2．2．3 刚柔耦合模型

2．2．4 柔体系模型

2．2．5 受电弓动力参数测量

2．2．6 多种模型模态特性比较

2．3 刚性接触网的动力学模型

2．3．1 平面动力学模型

2．3．2 空间动力学模型

2．3．3 关键区段模型

2．4 弓网耦合模型

2．4．1 连续波动方程

2．4．2 有限元接触

2．5 小结

第3章 弓网动力相互作用仿真技术及验证

3．1 概述

3．2 弓网仿真模型的选择

3．2．1 柔体系仿真模型

3．2．2 刚柔混合仿真模型

3．3 弓网仿真的数值算法

3．3．1 柔体系仿真模型算法

3．3．2 刚柔耦合仿真模型算法

3．4 基于参考模型的弓网仿真验证

3．4．1 弓网动力相互作用评估

3．4．2 仿真方法确认流程

3．4．3 参考模型验证

3．5 弓网动力相互作用试验

3．5．1 弓网动力性能试验

3．5．2 接触线动力响应试验

3．6 基于弓网试验的弓网仿真验证

3．6．1 受电弓与柔性接触网仿真验证

3．6．2 受电弓与刚性接触网仿真验证

3．7 小结

第4章 弓网动力相互作用系统动力响应特性

4．1 概述

4．2 弓网动力响应的基本特征

4．2．1 受电弓动力响应特征

4．2．2 刚性接触网动力响应特征

4．3 受电弓结构参数对弓网动力特性的影响

4．3．1 弓头质量

4．3．2 弓头弹簧刚度

4．3．3 弓头阻尼

4．3．4 下臂杆质量

4．4 刚性接触网结构参数对弓网动力特性的影响

4．4．1 跨距

4．4．2 定位点几何误差

4．4．3 定位点刚度

4．4．4 接触线截面

4．5 静态抬升力对弓网动力特性的影响

4．6 运行速度对弓网动力特性的影响

4．6．1 匀速运动

4．6．2 线性加速运动

4．6．3 线性减速运动

4．7 接触刚度对弓网动力特性的影响

4．8 小结

第5章 弓网系统参数敏感性分析

5．1 概述

5．2 受电弓参数

5．3 刚性接触网参数

5．4 弓网耦合参数

5．5 小结

第6章 160km／h刚性接触网系统设计

6．1 概述

6．2 弓网系统原型及初步设计

6．2．1 全速度等级分析

6．2．2 定位点几何误差分析

6．3 汇流排截面形状分析

6．3．1 跨距为6m的Y型汇流排

6．3．2 跨距为8m的Y型汇流排

6．4 跨距分析

6．5 锚段关节结构分析

6．5．1 贯通式锚段关节结构1

6．5．2 贯通式锚段关节结构2

6．6 刚柔过渡结构分析

6．6．1 锚段关节式刚柔过渡

6．6．2 贯通式刚柔过渡

6．7 定位点刚度分析

6．7．1 断口式锚段关节

6．7．2 贯通式锚段关节2

6．7．3 贯通式刚柔过渡

6．8 滑板与接触线磨耗分析

6．8．1 断口式锚段关节

6．8．2 贯通式锚段关节

6．9 160km／h刚性接触网系统方案

6．10 小结

结论与展望

致谢

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果