【《简单链形接触网的接触压力分析》6800字】

简单链形接触网的接触压力分析目录TOC\o"1-3"\h\u12991简单链形接触网的接触压力分析 1322771.1弓网系统受流性能评价指标 1320161.2弓网接触压力的影响因素 3231261.2.1张力对接触压力的影响 3318221.2.2线密度对接触压力的影响 8204101.2.3跨距对接触压力的影响 121.1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）除过上面常见的接触压力评价指标之外，在进行时间序列分析时，本文引入了移动平均值分析时序数据系列的变化趋势[17]。移动平均值指的是采用移动平均法，依据时间序列，每一项逐步推移，根据顺序计算一定项数的平均数。以移动平均值为基准，应用移动平均法可以求出移动标准差。弓网动态接触压力即是一个时间变量，由于列车运行的时间与位移相对应，所以接触压力可以看作是随接触网位置而变化的参量。因此本文引用移动平均值和移动标准差来描述接触压力的变化。接触压力移动平均值和移动标准差的计算公式如下：第n个采样点的移动平均值：（4-7）第n个采样点的移动标准差：（4-8）式中代表第k个点的接触压力。两公式中的m根据周期按照需要分别取值，本文中F的最小周期取吊弦间距，所以2m取吊弦间距内的采样点数。移动平均值与平均值相比，能够更好地反应接触压力在一个跨距内的变化情况。标准差表示接触压力相对于平均值的偏离程度，表示接触压力的整体变化程度；而移动标准差表示接触压力相对移动平均值的偏离程度，反应接触压力在吊弦处和吊弦之间的变化程度。引入移动平均值和移动标准差两个指标，能够更直观地表示接触压力随接触网位置的变化。当接触压力移动平均值保持在合理的范围内，移动标准差在跨距内各处值越小时，弓网受流质量越好。1.2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。1.2.1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，采用时域和频率两种分析方法，时域分析时，不但采用传统的接触压力统计值评估弓网受流质量，并且采用移动平均值和移动标准差，进一步对接触压力在一个跨距中每一个位置的接触压力变化值进行分析。在频域分析中，采用傅里叶变化，对接触压力周期分量的变化进行研究。(1)接触线张力对接触压力的影响在分析接触网设计参数对接触压力影响时，接触线张力是最重要的影响指标。为了分析接触线张力变化对接触压力的影响，本节讨论接触线张力分别为10kN、12kN、14kN，接触压力曲线如图3-5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，在简单链形接触网中，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首末吊弦位置处，这是因为在首末吊弦处，接触网的刚度值和刚度曲率都比较大，出现了接触压力陡降的现象。并且随着接触线张力的增加，吊弦点处接触压力值减小，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。这种变化趋势说明增加接触线张力不但减小接触压力幅值变化，并能减小吊弦点处接触压力值，可以改善弓网的受流质量。根据以上公式，对上面的接触压力曲线进行计算，得到的移动平均值和移动标准差曲线分别如下图4-2(a)、(b)所示。由图4-2(a)可知，接触压力平均值呈余弦变化趋势，以跨距为周期，接触压力平均值从定位点到跨距中间开始递减，而从跨距中间到下一个定位点呈递增的趋势。这是因为接触网的刚度值呈现这样的变化趋势，当接触线张力增加时，接触压力移动平均值增加，原因是接触线张力增加使接触网整体刚度值增大，受电弓抬升起接触线时的平均力会增加。(a)接触压力移动平均值(b)接触压力移动标准差图4-2不同接触线张力条件下弓网接触压力移动值变化根据图4-2(b)可以看出，接触压力标准差在每一个吊弦点附近较大，而在两个吊弦之间，接触压力标准偏差减小，这是因为吊弦点处呈现硬点，当受电弓运行到吊弦位置时，接触压力值增大。随着接触线张力增加时，吊弦处接触压力峰值呈下降的趋势，移动标准差呈减小的趋势，这意味着吊弦处接触压力的变化程度降低了，这是因为接触线张力增加后刚度分布曲线在吊弦处的不平滑程度降低，当受电弓经过吊弦时接触压力的变化幅度降低了。对上面的接触压力进行傅里叶变换，得到如图4-3所示的接触压力频谱。图4-3不同接触线张力条件下的弓网接触压力频谱接触压力频谱分析主要是建立其时域特性和频域特性之间的关系，时间周期为(s)，这段时间中，列车行驶过的距离是(m)，图4-3中接触压力幅值大于4N的主要频率与时间空间周期对应关系如表4-1所示。表4-1接触压力主要分量的频率时间周期-空间周期的关系频率(Hz)时间周期(s)空间周期(m)0.651.5435.002.540.398.755.080.191..6通过表4-1得到，接触压力主要频率分量对应的空间周期是跨距长度、主吊弦间距和首吊弦间距。根据图4-3得到，随着接触线张力增加，接触压力的主要三个分量的幅值均减小，当张力增大到14kN时，与跨距对应的接触压力分量幅值大幅度的减小，而与首吊弦和主吊弦对应的幅值在接触压力增大到12kN时，就有明显的减小趋势，此结果进一步的说明增大接触线张力，可以降低以跨距、主吊弦间距以及首吊弦间距处的接触压力值。随着接触线张力的变化，接触压力统计值如图3-8所示。图4-4不同接触线张力条件下的弓网接触压力统计值从图4-4中可以看出，随着接触线张力从10kN增大到14kN，接触压力最大值从193.26N减小到160.98N，最小值从80.32N增大到107.65N，平均值也略有增大，标准偏差值从18.78N减小到12.90N。接触压力上述四个评价指标的变化趋势有利于提高列车取流。结合上述对接触压力时域及频域分析不难得到，增大接触线张力，在减小吊弦点处接触压力尖峰值的同时，降低了吊弦点处接触压力陡降程度，并且提高了接触压力整体数值。因此，增大接触线张力，可以改善弓网受流质量。(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，弓网间接触压力的变化，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4-5所示。图4-5不同承力索张力条件下接触网的弓网接触压力根据图4-5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。此结果证明当承力索张力增大时，弓网接触压力峰值也随之增大，降低了列车取流质量。在承力索变化时，弓网接触压力进行计算得到的移动平均值和移动标准差曲线分别如下图4-6(a)、(b)所示。(a)接触压力移动平均值(b)接触压力移动标准差图4-6不同承力索张力条件下接触网弓网接触压力移动值变化由图4-6(a)可知，承力索张力增加时，接触压力平均值呈减小的趋势，当承力索的张力增大到14kN时，移动平均值整体降低，移动平均值最低点向跨距中间移动。这是因为增加承力索张力时，接触网刚度整体增大，但是刚度曲率也随着增大，受电弓在运动过程中，接触压力幅值变化增大，所以接触压力平均值减小。根据图4-6(b)，当承力索张力增加时，吊弦点附近的接触压力尖峰值变大，同时接触压力的移动标准差在吊弦附近呈明显增加的趋势，这说明接触压力在吊弦处的变化幅度增加了。这是因为承力索张力增加后刚度分布曲线在吊弦处的不平滑程度增加，导致了接触压力在吊弦附近的变化幅度增加。根据以上分析可知，增加承力索张力，接触压力移动平均值随接触网刚度曲率的增大而减小，吊弦处接触压力的变化幅度随着该处刚度不平滑程度的增加而增加。因此，减小承力索张力对弓网受流更有利。对上面的接触压力进行傅里叶变换，得到如图4-7所示的接触压力频谱。根据图4-7得到，随着承力索张力增大，接触压力的三个主要频率分量对应的幅值均增大，其中，与主吊弦对应的接触压力幅值变化最显著。当承力索张力增大到14kN时，除过与跨距、主吊弦以及首末吊弦对应的幅值增大之外，还出现了其它较大频率分量对应的接触压力值也随着增大。这说明增大承力索张力，增大了吊弦点以及其它位置的接触压力峰值，不利于列车取流。图4-7不同承力索张力条件下的弓网接触压力频谱随着承力索张力的变化，简单链形悬挂接触网弓网接触压力统计值的变化如图4-8所示。图4-8不同承力索张力条件下的弓网接触压力统计量根据图4-8得到，随着承力索张力从10kN增大到14kN，接触压力最大值从170.49N增大到176.75N，最小值从86.52N增大到95.49N，平均值基本保持不变，标准偏差值从17.76N增大到20.90N。虽然增大承力索张力，最小值有略微的增大，但是，综合接触压力最大值和标准偏差的变化，发现增大承力索张力，不利于提高列车受流质量。综上所述，承力索张力对弓网接触压力也有较大的影响，其作用与接触线张力相反，增加承力索张力增大接触压力峰值的同时，会增大了接触压力在吊弦之间的变化幅度。因此，在合理的范围内，减小承力索张力能改善弓网受流质量。1.2.2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4-9所示。图4-9不同接触线线密度条件下接触网的弓网接触压力从图4-9中得到，随着接触线线密度的增加，接触压力曲线幅值变化增大，吊弦点处的峰值变化不明显，但是，吊弦中间部位的接触压力值明显减小。造成这种现象的原因是，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，当受电弓和接触网互相接触运行时，由于接触网的质量较大，因而会出现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。在接触线线密度变化时，弓网接触压力进行计算得到的移动平均值和移动标准差曲线分别如下图4-10(a)、(b)所示。(a)接触压力移动平均值(b)接触压力移动标准差图4-10不同接触线密度条件下接触网弓网移动接触压力移动值变化由图4-10(a)可以看出，在接触线线密度增大时，接触压力的移动平均值变化并不明显，当线密度是1.5kg/m时，接触压力移动平均整体出现了下降的趋势，这是因为增大了接触线的线密度，受电弓抬升接触线受到了限制。根据图4-10(b)，当接触线线密度增加时，吊弦点附近的接触压力尖峰值变大，同时接触压力的移动标准差在吊弦附近呈明显增加的趋势，这说明接触压力在吊弦处的变化幅度增加了。这是因为接触线线密度增加后刚度分布曲线在吊弦处的不平滑程度增加，导致了接触压力在吊弦附近的变化幅度增加。对上面的接触压力进行傅里叶变换，得到如图4-11所示的接触压力频谱。图4-11不同接触线线密度条件下的弓网接触压力频谱根据图4-11得到，随着接触线线密度的增加，与主吊弦和首末吊弦对应的接触压力频谱分量的接触压力幅值有明显的增大趋势，但是与跨距对应的接触压频谱分量的幅值略微降低。这一结果证明当接触线张力增大时，增大了吊弦之间的接触压力变化幅值。当接触线线密度变化时，简单链形悬挂接触网弓网接触压力统计值的变化如图4-12所示。图4-12不同接触线线密度条件下的弓网接触压力统计量从图4-12得到，随着接触线线密度的增大，弓网间接触压力最大值、最小值、平均值、标准偏差均呈单调变化。其中，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。从接触压力整体变化趋势分析，减小接触线的质量，有利于改善弓网受流质量。综上所述，接触线的质量对接触压力的影响比较明显，在一定的范围内，减小接触线的质量，有利于降低吊弦点处接触压力峰值，可以改善弓网受流质量。(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4-13所示。图4-13不同承力索线密度条件下的弓网接触压力根据图4-13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。在承力索线密度变化时，弓网接触压力进行计算得到的移动平均值和移动标准差曲线分别如下图4-14所示。(a)接触压力移动平均值(b)接触压力移动标准差图4-14不同承力索线密度条件下弓网移动接触压力移动值变化由图4-14(a)可知，在承力索线密度增大时，接触压力的移动平均值没有明显的变化趋势，当承力索线密度增大到1.5kg/m时，接触压力移动平均值曲线的上升区段有增大的趋势。根据图4-14(b)，当承力索线密度增加时，吊弦点附近的接触压力尖峰值变大，同时接触压力的移动标准差在吊弦附近呈明显增加的趋势，这说明接触压力在吊弦处的变化幅度增加了。对上面的接触压力进行傅里叶变换，得到如图4-15所示的接触压力频谱。图4-15不同承力索线密度条件下的弓网接触压力频谱根据图4-15得到，当承力索的线密度增大时，与跨距对应的主要频谱分量的幅值不发生变化，但是与主吊弦和首末吊弦对应的频谱分量的幅值明显增大，这一变化规律和接触线线密度增大时接触压力频谱变化基本一致，所以说明改变线索线密度，对弓网接触压力的影响相同。随着承力索线密度的变化，弓网接触压力统计值的变化如图4-16所示。图4-16不同承力索线密度条件下的弓网接触压力统计量从图4-16中可以看出，在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。综合弓网接触压力评价指标，接触压力最大值减小，最小值增大，提高了弓网受流质量。根据上述对接触线线密度和承力索线密度对接触压力的影响规律分析可以看出，他们的影响有相似之处，都是因为增大线索质量，增大了接触网的整体质量，这样弓网之间的匹配性变差，导致受流质量变差。1.2.3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4-17所示。图4-17不同跨距条件下的弓网接触压力从图4-17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。在跨距变化时，弓网接触压力进行计算得到的移动平均值和移动标准差曲线如下图4-18(a)、(b)所示。由图4-18(a)可知，当跨距增大时，接触压力平均值变化周期增