【城市轨道交通弓网受流特性探究7500字（论文）】

第页，共18页城市轨道交通弓网受流特性研究摘要随着城市的发展和范围的不断扩大，人们对城市交通提出的要求越来越高。城市轨道交通作为一种新时代交通方式已经融入了人们的日常生活之中，为大家带来了更加便捷，快速的出行体验。其中，城市轨道交通弓网受流技术是影响列车运行速度的核心技术之一，本论文运用了有限元仿真技术分析了列车运行时的受流特性，对城市轨道交通简单链形悬挂接触网的设计参数对弓网受流特性的影响进行研究。本文主要研究简单链形悬挂接触网的刚度特征以及接触压力，运用MSC.Marc软件建立仿真模型，讨论简单链形悬挂接触网的线索张力、跨度布置对其刚度特征以及接触压力的影响。关键词：简单链形悬挂接触网；刚度特性；接触压力目录TOC\o"1-3"\h\u291891引言 192071.1研究背景 163111.2弓网系统的发展历程及研究现状 1304522弓网动力学模型分析 3212842.1弓网系统动力学分析 353072.2基于MSC.Marc软件的弓网耦合模型的建立 3233432.2.1MSC.Marc软件的建模流程 3320252.2.2弓网模型的建立及参数设计 4129872.3本章小结 636193简单链形接触网的刚度特性研究 7234763.1接触网的刚度特性 755293.1.1张力对接触网刚度的影响 7313123.1.2跨距对接触网刚度的影响 9262173.2本章小结 1079524简单链形接触网的接触压力研究 11233484.1弓网系统受流性能评价指标 1175974.2弓网接触压力的影响因素 12138234.2.1张力对接触压力的影响 12165154.2.2线密度对接触压力的影响 1337074.2.3跨距对接触压力的影响 14256544.4本章小结 15193395结论 169640参考文献 171引言1.1研究背景随着城市人口的逐渐增加，城市范围不断扩大，人们对于城市交通的要求也越来越高。因此，我国城市交通由单一的地铁运行方式转化为多种交通方式，当前一共有地铁、单轨、有轨电车、轻轨、市域快轨、低速磁悬浮以及APM(AutomatedPeopleMoversystems)7种运行方式。根据统计数据，在2018年末，运营线路中地铁占比达76.3%，其他种类占比达到23.7%。行车速度较高、停车间距较短、准时性强、载客量大、低碳环保、不出现拥堵等优势使地铁成为城市出行的主要选择方式[1]。城市轨道交通高速化技术在近几十年得到突飞猛进的发展，列车的运行速度也不断的提升。近几年来我国城市轨道交通发展也十分迅猛。电气化铁道供电系统主要包括接触网和牵引变电两部分。弓网动态受流指的是运行的列车通过车顶上的受电弓与架空接触网滑动接触获得电能，并通过受电弓将电能传送给牵引电机[2-3]。只有当弓网间的接触压力在合理变化范围内时，列车才能获取稳定的电能。因此，受电弓和架空接触网在电气和机械上均要密切配合在列车安全稳定运行中起到极其重要的作用。本文将主要对简单链形悬挂接触网展开研究和分析，探讨受电弓在接触网下的高速受流问题。1.2弓网系统的发展历程及研究现状牵引供电系统是由电力输入线路、牵引变电所、馈(供)电线、牵引接触网和回流装置等构成的供电网络。接触网分为架空式接触网和第三轨式接触网。第三轨式接触网仅用于地铁与封闭的城市铁路和轻轨,在新型交通中不宜采用,故在此不做探讨。架空式接触网还可用于铁路干线、城市地面和工矿电机车电力牵引线路。架空式接触网的悬挂类型大致为3种:简单悬挂、链形悬挂、刚性悬挂。不同的悬挂类型,其接触悬挂线材截面、线索根数以及补偿张力都是不一样的[4]。本文主要针对链形悬挂接触网进行研究讨论。接触线通过吊弦悬挂到承力索上的悬挂称为链形悬挂。链形悬挂的类型很多,可以按悬挂链数分为简单链形悬挂、弹性形悬挂和复链形悬挂。按线索相对于线路中心的位置,又可以分为直链形接触悬挂、半斜链形接触悬挂及斜链形接触悬挂。对城市轨道交通来说,因其运行速度不太高,列车功率也不太大,一般多采用简单链形悬挂,应用速度可达100km/h以上,在有的地区(如天津市区至滨海新区快速轨道交通)为了加强接触悬挂的稳定以及确保高质量的供电,采用双承力索双接触线的直链形悬挂形式。本文主要讨论简单链形悬挂接触网。图SEQ图\*ARABIC1链形悬挂接触网2弓网动力学模型分析2.1弓网系统动力学分析弓网耦合模型由接触网和受电弓两个振动系统组成，它们之间由接触压力联系，在分析柔性接触网的振动特性时，当考虑吊弦和承力索的影响后，接触网的振动方程如下式ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>张坚</Author><Year>2015</Year><RecNum>120</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[50]</style></DisplayText><record><rec-number>120</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="f5d5axzrmt9f2je2dvkvte2hvf0s9etv5asa"timestamp="1451803667">120</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>张坚</author></authors></contributors><titles><title>高速铁路接触网-受电弓系统动态特性研究</title></titles><dates><year>2015</year></dates><publisher>北京交通大学</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5]。（2-1）式中，M为接触悬挂的质量矩阵，主要由接触线、承力索、吊弦等各部分组成，属于对角矩阵；C为接触悬挂的阻尼矩阵；K为接触悬挂的刚度矩阵；为接触悬挂的载荷向量，在不考虑风等其他系统外力作用时，载荷即为弓网间的接触压力。结合柔性接触网动力方程和受电弓振动方程，得到下面的方程组。（2-2）2.2基于MSC.Marc软件的弓网耦合模型的建立2.2.1MSC.Marc软件的建模流程MSC.Marc软件是一款齐全的高级有限元仿真软件，可以分析非结构的温度场、应力分析、动力学分析、电场磁场分析等，也可以计算不同场的耦合特性，如流-热耦合、电-热耦合、热-机耦合等等。其在热学、动力学、磁场等方面都有极强的分析能力ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>董志波</Author><Year>2014</Year><RecNum>127</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[57]</style></DisplayText><record><rec-number>127</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="f5d5axzrmt9f2je2dvkvte2hvf0s9etv5asa"timestamp="1451807316">127</key></foreign-keys><ref-typename="Book">6</ref-type><contributors><authors><author>董志波</author><author>刘雪松等</author></authors></contributors><titles><title>MSC.Marc工程实例详解</title></titles><dates><year>2014</year></dates><publisher>人民邮电出版社</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6-9]。2.2.2弓网模型的建立及参数设计（1）简单链形悬挂弓网模型的建立接触网由多个独立的锚段组成，下面取其中一个独立锚段进行建模。建模时考虑接触网的以下特性：1)接触网的类型、吊弦的布置情况；2)接触线、承力索、吊弦的类型、材料特性和安装条件；3)支持装置的材料特性和动态特性。假设条件为：1)接触网各悬挂点等高，无弯路，供电线路为无坡度直线区段；2)导线质量分布均匀，工作状态理想，无不平顺现象；3)不考虑空气阻力的影响。受电弓和接触网的仿真模型如图所示。受电弓和接触网系统通过接触压力耦合在一起[10-12]，采用欧拉-伯努利梁单元建立简单链形悬挂弓网耦合模型。图2-1简单链形悬挂接触网弓网耦合模型根据城市轨道交通中当前广泛采用的简单链形悬挂接触网结构设计，基于图2-2和表2-1接触网参数在MSC.Marc软件中，建立简单链形悬挂接触网有限元仿真模型。图2-2简单链形接触网建模参数表2-1简单链形接触网参数单元名称密度[kg/m3]杨氏模量[GPa]泊松比接触线89401240.3承力索89401240.3吊弦89401240.3图2-3柔性接触网耦合模型（2）受电弓模型的建立本文以SBS81为参数建立三质量块受电弓有限元模型，受电弓具体等效参数如下表2-2所示。表2-2受电弓参数质量[kg]阻尼[N.s/m]干磨擦[N]等效刚度[N/m]M1=10.5C1=48R1=0K1=8400M2=8.53C2=0R2=0K2=60000M3=0.57C3=300R3=6K3=0在表2-2中M(1,2,3)、C(1,2,3)、R(1,2,3)、K(1,2,3)分别表示受电弓不同结构的等效质量、阻尼、干摩擦以及等效刚度。由于受电弓的结构复杂，且不同部分运动特征明显，因此在建立受电弓模型中，对受电弓进行合理简化。这样不但可以提高计算效率，还可以保证计算可靠性。根据表2-2受电弓参数，在MSC.Marc中建立受电弓仿真模型如图所示。图2-4受电弓仿真模型在图的模型中，为了确保受电弓弓头具有振动特性，在弓头支架和平衡臂支架之间设置springstiffness，下臂杆和拉杆之间设置铰接实现受电弓的升降弓。2.3本章小结本章主要对弓网系统进行理论分析，并介绍了Msc.Marc软件建模的流程。首先对柔性接触网进行动力学分析，再运用Msc.Marc仿真软件建立柔性接触网的耦合仿真模型。3简单链形接触网的刚度特性研究3.1接触网的刚度特性在简单链形悬挂接触网弓网受流质量分析中，接触网的刚度决定了受电弓的运行轨迹；另一方面，接触网刚度影响受电弓对接触线的抬升量。因此，在讨论接触网的接触压力前，讨论接触网刚度变化是极其重要的。本文主要讨论线索张力和跨距布置对接触网刚度的影响。3.1.1张力对接触网刚度的影响在讨论线索张力对简单链形悬挂接触网的影响时，要确保接触网的跨距和吊弦间距在发生变化的情况下进行。计算刚度数值时，参考欧洲铁路标准EN50119中弹性的计算方法，得到跨中各点的刚度值[13]，刚度计算公式如下：（3-1）式中，K表示接触网的刚度值；F表示对x处施加的抬升力；y(x)表示接触网x位置的抬升量。在讨论接触网刚度分布式时，为了分析两个吊弦之间刚度曲率变化，引入刚度曲率的概念，根据刚度曲线分布，计算吊弦间距曲率变化，刚度曲率计算公式如下：（3-2）式中，用ρ表示两吊弦间的刚度曲线曲率；K为接触网各点的刚度值；K=K(x)，，，x为接触线各质点的位置。接触线张力对接触网刚度的影响控制承力索张力和接触网其它结构设计参数保持不变，设置接触线张力为10kN、12kN、14kN。对一个跨距内接触网刚度进行计算，根据跨距内各点刚度值，得到如图3-1接触网刚度的分布曲线及刚度曲率分布。(a)刚度值分布(b)刚度曲率分布图3-1接触线张力变化时接触网刚度分布曲线从图3-1(a)得到，接触线张力增加时，跨距内不同点刚度值均有增大趋势，，离定位点最近首末吊弦位置处接触网的刚度变化幅度最小，在向跨距中部变化时，刚度幅度逐渐增加，在跨中的接触网刚度变化幅度最大。从在图3-1(b)中，当接触线张力增大时，接触网不同吊弦间距刚度曲率均有减小的趋势，但从定位点往跨距中部移动的过程中，减小的幅值逐渐减小。(2)承力索张力对接触网刚度的影响控制接触线张力和其它接触网设计参数不变，设置承力索张力分别为10kN、12kN、14kN。对一个跨距内接触网刚度进行计算，根据跨距内各点刚度值，如图3-2接触网刚度的分布曲线及刚度曲率分布。(a)刚度值分布(b)刚度曲率分布图3-2改变承力索张力时接触网刚度分布曲线从图3-2(a)得到，随着承力索张力增加，跨距内不同点刚度值都有增大的趋势，接触网的刚度值在首末吊弦处变化明显，而从首末吊弦向跨距中部移动时，刚度变化幅度不大。从图3-2(b)可得，随着承力索张力的增大，接触网不同吊弦间距中的刚度曲率均有增大的趋势，对接触网的刚度曲率分布影响较大的是定位点处，而对跨中刚度曲率的影响比较小。综上所述，接触线和承力索张力对刚度的影响不同。增大接触线张力，不但增大了接触网的整体刚度，同时减小了不同吊弦之间的刚度曲率值。而增大承力索张力，在增大接触网刚度值整体的大小的同时，也增大了不同吊弦间距之间的刚度曲率值。3.1.2跨距对接触网刚度的影响建立当前城市轨道交通中使用的跨距长度分别是35m、40m、45m三种跨距布置，其布置的接触网线索张力、线索线密度等参数均一致。具体的布置图如图3-3所示，刚度分布曲线如图3-4所示。图3-3改变跨距时接触网结构参数设置(a)刚度值分布(b)刚度曲率分布图3-4改变跨距时简单链形接触网刚度曲线分布由图分析可得，跨距长度变化对定位点处的影响较大，在增加接触网跨距布置长度时，减小了接触网相邻吊弦之间的刚度曲率。所以在实际工程中，应该结合实际情况合理设置跨距。3.2本章小结本章主要分析了接触网主要设计参数对接触网刚度特性影响，对于简单链形悬挂接触网而言，在接触网的跨距和吊弦间距一定的情况下，增加接触线张力和承力索张力均能增大接触网刚度。但承力索张力增大时，也增大了两个相邻吊弦之间的刚度幅值变化，从而增大了接触网整体刚度均匀度；在接触网线索张力、线索线密度等参数均一致时，随着跨距的增加，接触网的刚度值减小。但当跨距增加到一定距离以后，对接触网刚度曲率的影响不大。4简单链形接触网的接触压力研究4.1弓网系统受流性能评价指标受电弓和接触网组成了一个阻尼很小的振动系统，它们之间的电气连接是通过弓网之间的机械接触实现。弓网接触状态直接影响弓网接触压力变化，弓网接触状态有正常取流、大接触电阻、离线电弧和供电中断[14-16]。只有当接触压力值在一定的范围内，才可以保证受电弓和接触网之间正常取流。当接触压力值过大时，弓网磨耗严重，导致设备的使用寿命期限缩短，当接触压力太小，出现弓网电弧，或者电流中断。根据国内外研究现状，目前常用下面指标评价弓网受流质量。(1)平均值接触压力平均值反映接触压力整体大小，计算公式如下：（4-1）式中，Fi指各个采样点处的接触压力大小（N）；n表示采样点数。(2)标准偏差标准偏差反映接触压力整体变化情况，当接触压力标准偏差值较小时，代表弓网接触较好，计算公式如下：（4-2）(3)最大值接触压力所有采样点中的最大值，计算公式如下：（4-3）(4)最小值接触压力所有采样点中的最小值。计算公式如下：（4-4）(5)接触压力统计最大值（4-5）(6)接触压力统计最小值（4-6）4.2弓网接触压力的影响因素通过3章分析线索张力和跨距布置对接触网刚度的影响，在此研究基础上，本节将进一步的分析线索张力、线索线密度、跨距布置对弓网受流质量的影响。4.2.1张力对接触压力的影响简单链形悬挂接触网中，当列车速度是80km/h，设定弓网间的静态接触压力大小是70N，对弓网接触压力进行分析时。(1)接触线张力对接触压力的影响控制承力索张力和接触网其它结构设计参数保持不变，设置接触线张力分别为10kN、12kN、14kN，可得接触压力曲线如图4-1所示。图4-1不同接触线张力条件下接触网的弓网接触压力通过图4-1得到，接触压力曲线以跨距为周期，呈周期性变化，弓网接触压力最大值出现在定位点处，并随着接触线张力的增加，吊弦点处接触压力值会逐渐减小，而两个吊弦之间的接触压力值有增大的趋势，从而使得接触压力幅值变化减小。(2)承力索张力对接触压力的影响同接触线张力变化分析一致，本节在分析承力索张力改变时，控制接触线张力和接触网其它结构设计参数保持不变，设置承力索张力分别为10kN、12kN、14kN的条件下，弓网间的接触压力分别如图4-2所示。图4-2不同承力索张力条件下接触网的弓网接触压力根据图4-2得到，随着承力索张力的增加，接触压力幅值变化增大，尤其承力索张力增大到14kN时，定位点、首吊弦以及不同主吊弦点处，接触压力峰值均增大。4.2.2线密度对接触压力的影响(1)接触线线密度对弓网接触压力的影响本节讨论接触线线密度的影响时，接触线和承力索的张力均为12kN，跨距长度35m，当列车时速为80km/h时，接触线线密度分别为1.2kg/m、1.35kg/m、1.5kg/m，弓网间的接触压力分别如图4-3所示。图4-3不同接触线线密度条件下接触网的弓网接触压力从图4-3中得到，接触线线密度与接触压力曲线幅值同规律变化，吊弦点处的峰值变化不明显，但吊弦中间部位的接触压力值明显减小。其原因是，随着接触线线密度的增大，接触网的质量增大，因此增大了接触网的惯性，使得接触网的运行状态不容易改变，受电弓和接触网之间发生相对运动或相对运动的状态，从而增大接触线线密度，接触压力曲线幅值变化增大。(2)承力索线密度对弓网接触压力的影响本节讨论承力索线密度的影响时，保持接触网的其它设计参数不变，列车运行速度为80km/h，承力索线密度均为1.2kg/m、1.35kg/m、1.5kg/m的条件下，弓网间的接触压力分别如图4-4所示。图4-4不同承力索线密度条件下的弓网接触压力根据图4-4得到，随着承力索线密度增大，接触压力主吊弦点处接触压力峰值明显增大，而两个吊弦之间的接触压力值有略微的降低趋势。这是因为在承力索张力增大时，当受电弓运行过程中，在抬升接触线的同时，由于吊弦的传递作用，使得承力索重量对受电弓的抬升也受到影响。4.2.3跨距对接触压力的影响本节讨论改变跨距时，弓网接触压力的变化趋势。参数设置与前面分析跨距对刚度分布的影响时相同。保持在三种不同结构中，线索张力以及线索线密度均一致，运行速度都是80km/h，下面将分别计算跨距为35m、10m、45m，得到的弓网接触压力如图4-5所示。图4-5不同跨距条件下的弓网接触压力从图4-5中可以看出，三种不同跨距布置下接触网的变化均以跨距为周期，呈周期性变化，跨距为35m和45m时，弓网接触压力幅值变化不明显，而在跨距为40m长度布置时，接触压力幅值变化明显，跨距中部接触压力大幅度降低。这是因为，当跨距长度为40m时，一个跨距中，接触网的刚度分布不均匀度较大，尤其体现在首末吊弦位置处。4.4本章小结本章主要分析了接触网主要设计参数对接触网接触压力影响，并通过分析得到了以下结论：对于简单链形悬挂接触网而言，在接触网的跨距和吊弦间距一定的情况下，当接触线张力增大时，吊弦处接触压力减小，从而提高了接触压力的整体数值,而承力索张力对接触网接触压力的影响正好相反；在接触网线索张力、跨距等参数均一致时，随着接触线线密度的增大，弓网间接触压力最大值和标准偏差呈单调递增的趋势，而平均值和最小值呈递减的趋势。然而承力索线密度增大时，接触压力最大值呈单调递增的趋势，最小值呈单调递减的趋势，平均值不呈单调变化，标准偏差呈单调递增的趋势；在接触网线索张力、线索线密度等参数均一致时，当跨距增大或者是减小的时候，接触压力最大值、最小值、平均值以及标准偏差并没有出现一致的变化规律，在简单链形悬挂接触网中，明显当跨距长度是45m时，弓网受流质量最好。5结论本文运用有限元仿真的方法，对简单链形悬挂接触网的动态特性进行研究。首先，对弓网系统进行理论分析，再运用Msc.Marc仿真软件建立简单链形悬挂接触网的仿真模型。然后，分析了接触网主要设计参数对接触网刚度特性影响，以及对弓网受流性能的影响，并通过分析得到了以下结论：对于简单链形悬挂接触网而言，在接触网的跨距和吊弦间距一定的情况下：（1）增加接触线张力和承力索张力均能增大接触网刚度。接触线张力增加时，跨距内不同点刚度值有增大趋势，但各点的变化幅度和位置有关。接触网刚度在定位点的变化幅度最小，在跨中的变化幅度最大。承力索张力变化时同样也可影响接触网刚度分布。但当承力索张力增大时，会增大了两个相邻吊弦之间的刚度幅值变化，从而使得接触网整体刚度均匀度增大。（2）当接触线张力增大时，吊弦处接触压力减小，从而提高了接触压力的整体数值,而承力索张力对接触网接触压力的影响正好相反。在接触网线索张力、线索线密度等参数均一致时：（1）随着跨距的增加，接触网的刚度值减小。但当跨距增加到一定距离以后，对接触网刚度曲率的影响不大。（2）当跨距增大或者是减小的时候，接触压力最大值、最小值、平均值以及标准偏差并没有出现一致的变化规律，在简单链形悬挂接触网中，明显当跨距长度是45m时，弓网受流质量最好。但在实际运用中，还是应该结合情况进行选择。在接触网线索张力、跨距等参数均一致时，随着接触线线密度的增大，弓网间接触压力最大值和标准偏差呈单调递增的趋势，而平均值和最小值呈递减的趋势。然而承力索线密度增大时，接触压力最大值呈单调递增的趋势，最小值呈单调递减的趋势，平均值不呈单调变化，标准偏差呈单调递增的趋势。综上所述，若要改善接触网的受流性能，可适当增加接触线张力，减小承力索张力，减小线索线密度以及结合实际情况合理调整跨距。参考文献[1]张宗芳.城市轨道交通弓网受流特性研究[D].北京交通大学,2021.[2]吴积钦.受电弓与接触网系统[M].西