軌道交通供電弓網(wǎng)系統(tǒng)模型優(yōu)化研究

1弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)動力學(xué)建模接觸網(wǎng)是連接網(wǎng)絡(luò)的主要供電設(shè)備。電力機車通過受電弓與接觸網(wǎng)的滑動接觸獲取電能，兩者在電氣和機械方面是相互依賴、作用和制約的。隨著機車運行速度提高，弓網(wǎng)間的接觸壓力變化幅度增大，動態(tài)受流質(zhì)量變差。當(dāng)接觸壓力過小時，接觸電阻增大，將不能保證弓網(wǎng)間穩(wěn)定受流，尤其是當(dāng)接觸力為零時，會出現(xiàn)弓網(wǎng)離線現(xiàn)象，使弓網(wǎng)接觸間斷，可能導(dǎo)致電弧放電燒灼接觸線與滑板、干擾通信線路、損壞車內(nèi)電子元件等嚴(yán)重后果。因此建立弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型，研究剛性接觸網(wǎng)動態(tài)受流過程，是為實驗檢測與施工提供理論依據(jù)的重要環(huán)節(jié)。目前對弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)建模的研究大多集中在對弓網(wǎng)接觸位置的處理方式上，文獻(xiàn)與分別采用使弓網(wǎng)接觸位置節(jié)點位移相等和設(shè)置彈簧這兩種方式來描述弓網(wǎng)間的耦合關(guān)系，這兩種方法實現(xiàn)的弓網(wǎng)耦合建模都能達(dá)到模擬弓網(wǎng)間相互作用的目的。文獻(xiàn)通過在弓網(wǎng)接觸位置添加接觸對實現(xiàn)弓網(wǎng)耦合，仿真得到列車運行速度、接觸網(wǎng)跨距、弓頭質(zhì)量等因素對弓網(wǎng)間接觸壓力的影響。這些文獻(xiàn)都采用傳統(tǒng)的二元或三元受電弓弓網(wǎng)耦合模型，沒有考慮受電弓壓力檢測環(huán)節(jié)的建模和剛性接觸網(wǎng)材料與截面形狀特性，因此仿真過程中存在難以描述的未建模動態(tài)環(huán)節(jié)，不能精確地反映弓網(wǎng)受流特性。本文基于弓網(wǎng)接觸壓力檢測原理，針對架空接觸網(wǎng)剛性懸掛方式，在傳統(tǒng)模型基礎(chǔ)上提出了一種更完善的弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)模型用以描述在壓力檢測環(huán)節(jié)的未建模動態(tài)過程。在Ansys仿真軟件中搭建優(yōu)化后的弓網(wǎng)系統(tǒng)有限元模型，運用非線性瞬態(tài)動力學(xué)分析方法研究弓網(wǎng)相互滑動過程并進(jìn)行數(shù)值仿真。通過與傳統(tǒng)模型仿真數(shù)據(jù)及實測數(shù)據(jù)對比，優(yōu)化模型的仿真結(jié)果更接近檢測數(shù)據(jù)，能更有效地仿真模擬弓網(wǎng)的相互作用。運用改進(jìn)模型仿真出實驗檢測路段接觸網(wǎng)可承受的最大運行速度，為列車運營速度的選擇提供理論依據(jù)。2混凝土網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的電源原理2.1弓網(wǎng)受流分析牽引變電所、牽引網(wǎng)和電力機車共同組成了軌道交通牽引供電系統(tǒng)。城市軌道交通供電系統(tǒng)通常采用直流雙邊供電方式，供電原理如圖1所示。其中由饋電線、接觸網(wǎng)、軌道等構(gòu)成的電氣網(wǎng)絡(luò)稱為牽引網(wǎng)。牽引網(wǎng)的核心是接觸網(wǎng)，它是電氣化軌道交通所特有的、沿路軌架設(shè)的、為電氣列車提供牽引電能的特殊電力輸電線路，是牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分。受電弓安裝于電氣列車車頂之上，是電氣列車從接觸網(wǎng)獲得電能的專用設(shè)備，設(shè)備屬性歸機車，工作屬性歸接觸網(wǎng)。電力機車通過弓網(wǎng)間的滑動接觸獲取電能，該過程稱為弓網(wǎng)受流過程。受電弓與接觸網(wǎng)通過接觸壓力耦合成一個復(fù)雜的振動系統(tǒng)，用接觸壓力評判指標(biāo)衡量弓網(wǎng)間受流的質(zhì)量。研究弓網(wǎng)受流問題除了進(jìn)行理論分析以外還有現(xiàn)場實際試驗、建立相應(yīng)受流模擬實驗線路和計算機仿真模擬三種方法。與前兩種方法相比，計算機仿真方法直觀易行，且易于更換條件及數(shù)據(jù)，效果顯著，研究弓網(wǎng)動態(tài)受流的主要途徑和方法。2.2剛性接觸網(wǎng)振動模型接觸網(wǎng)根據(jù)懸掛方式分為剛性懸掛和柔性懸掛。與柔性懸掛相比，剛性懸掛接觸網(wǎng)具有安裝凈空低、無斷線隱患、維護(hù)工作量少等優(yōu)點，已成為城市軌道交通領(lǐng)域一個重要發(fā)展方向。剛性懸掛接觸網(wǎng)主要由懸掛機構(gòu)、π型匯流排、接觸導(dǎo)線和絕緣元件組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)是較復(fù)雜的振動系統(tǒng)。為了研究核心問題，在對懸掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化的同時，依據(jù)匯流排和接觸線固有特性，做如下假設(shè):1)略去對弓網(wǎng)接觸力影響較小的橫向振動，只討論垂向振動;2)匯流排和接觸線有相似的動力學(xué)特性，都具有抗拉和抗彎能力，將兩者一起簡化為彈性梁，在跨距節(jié)點處約束水平位移;3)工程實際中剛性接觸網(wǎng)一般呈正弦方式布置，拉出值不超過0.3m，遠(yuǎn)小于一個錨段長度(約240m)，故可將錨段內(nèi)接觸網(wǎng)的布置近似看作為直線。剛性接觸網(wǎng)的懸掛結(jié)構(gòu)主要由地腳螺栓和槽鋼組成。本文將懸掛結(jié)構(gòu)簡化為具有等效剛度keq及等效質(zhì)量meq的彈簧。懸掛結(jié)構(gòu)力學(xué)模型及等效模型如圖3所示。設(shè)作用力Q的作用點C離A、B點距離分別為a、b。假設(shè):(1)彈簧各方向位移與其固定端距離成正比;(2)結(jié)構(gòu)振動時，梁的動變形與靜變形曲線一致。從彈性勢能、動能等效相等推導(dǎo)出剛性懸掛結(jié)構(gòu)等效剛度keq和等效質(zhì)量meq的表達(dá)式為:式中，其中，l,EI為與螺栓相連的槽鋼長度及抗彎剛度;l1、E1I1、l2、E2I2為左右螺栓的長度及抗拉剛度;ρ1、k1、ρ2、k2為將螺栓考慮為桿單元時，左右螺栓的線密度與剛度;ρ、k3為將螺栓考慮為梁單元時，左右螺栓的線密度與剛度。在對懸掛結(jié)構(gòu)、匯流排和接觸線作如上假設(shè)和簡化基礎(chǔ)上，得出剛性懸掛接觸網(wǎng)簡化模型如圖4所示。根據(jù)假設(shè)模態(tài)法，設(shè)梁單元的垂向位移y(x,t)的表達(dá)式為式中，x、t分別為位移變量和時間變量;ue788i(x)為模態(tài)函數(shù);qi(x)為梁廣義坐標(biāo);n為截斷振型階數(shù)?？傻玫絼傂越佑|網(wǎng)的振動微分方程:式中，其中，F(xiàn)c為受電弓與接觸網(wǎng)間的接觸壓力;mij,kij為模態(tài)質(zhì)量和模態(tài)剛度;M為彈性支持的個數(shù);xm為第m個彈性支持距左端支點的距離;xc為受電弓對接觸網(wǎng)的施力位置。傳統(tǒng)三元受電弓與剛性接觸網(wǎng)的耦合模型如圖5所示。受電弓與剛性接觸網(wǎng)通過接觸力Fc耦合在一起。對于上述弓網(wǎng)耦合模型，弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的平衡動力方程組為:式中，m1、c1、k1,m2、c2、k2,m3、c3、k3分別為受電弓模型中的等效質(zhì)量、等效剛度和等效阻尼;F3,F2為受電弓弓頭及上框架所受的氣動抬升力;F1為受電弓的靜態(tài)抬升力;y1、y2、y3為相應(yīng)質(zhì)量塊的位移。3弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)建模在實際運行中受電弓是通過雙滑板接觸實現(xiàn)動態(tài)受流的，剛性接觸網(wǎng)的匯流排與接觸線具有各自的截面形狀和材料特征。簡單采用傳統(tǒng)的弓網(wǎng)耦合模型進(jìn)行仿真，無法反映出受電弓前后滑板分別對弓網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生的振動激勵作用和剛性接觸網(wǎng)的自身特性。因此本文基于弓網(wǎng)接觸壓力檢測原理對弓網(wǎng)系統(tǒng)建立了更為精確的數(shù)學(xué)模型。弓網(wǎng)間接觸力的測量主要通過在受電弓弓頭部分安裝壓力傳感器實現(xiàn)，考慮到弓網(wǎng)接觸力作用位置及方向具有不確定性，檢測時分別在雙滑板兩端各安裝力傳感器(共四個)，四個力傳感器在機械結(jié)構(gòu)與電氣性能方面完全相同，檢測原理如圖6所示。當(dāng)受電弓與接觸網(wǎng)保持機械接觸時，四個力傳感器均動作，將感應(yīng)到的壓力信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過壓力變送器放大后按標(biāo)準(zhǔn)電壓信號輸出，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后通過光纖將此數(shù)字信號送至光電接收器件。光電接收器件將接收到的數(shù)字信號通過D/A模塊轉(zhuǎn)換為電壓模擬信號，最后將此信號存儲到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，計算檢測出的弓網(wǎng)接觸力數(shù)值，即四個傳感器測量到的數(shù)值之和?；诮佑|壓力檢測原理，本文研究采用“四元質(zhì)量塊”進(jìn)行受電弓建模方法，采用以匯流排和接觸線實際截面尺寸作為梁單元截面形狀的雙材料剛性接觸網(wǎng)模型。剛性接觸網(wǎng)和受電弓在機車行進(jìn)過程中是一直相互作用著的，它們之間通過前后滑板動態(tài)接觸力Fa,Fb偶合在一起，共同構(gòu)成弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)，改進(jìn)的弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)模型如圖7。該模型能更好地模擬受電弓弓頭前后滑板各自的動態(tài)受流過程。在此基礎(chǔ)上根據(jù)式(4)、(5)可推導(dǎo)出改進(jìn)后弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的動力平衡方程組為:式中:m1、c1、k1,m2、c2、k2,m3、c3、k3分別為受電弓模型中的等效質(zhì)量、等效剛度和等效阻尼;F3,F2為受電弓滑板及上框架所受氣動抬升力;F1為受電弓靜態(tài)抬升力;ya、yb、y2、y3分別為相應(yīng)質(zhì)量塊的位移;xc、xc-d分別為受電弓前后滑板對接觸網(wǎng)的施力位置;d為受電弓前后滑板間距。4弓網(wǎng)間接觸壓力仿真分析基于改進(jìn)的弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，在Ansys仿真軟件中建立仿真用有限元模型。剛性接觸網(wǎng)模型選用Beam188單元代替?zhèn)鹘y(tǒng)選用的Beam3單元，運用Apdl參數(shù)化編程完成剛性接觸網(wǎng)的建模，其中梁單元截面采用實際接觸線與匯流排截面形狀，并分別賦予它們各自的材料屬性。受電弓采用四元模型，弓頭前后滑板與剛性接觸網(wǎng)間通過彈簧實現(xiàn)耦合，運用Ansys非線性完全瞬態(tài)動力學(xué)分析弓網(wǎng)間相互滑動過程。仿真分析的基本步驟如圖8所示。接觸壓力檢測線路的剛性懸掛結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。帶入式(1)和(2)得到懸掛結(jié)構(gòu)等效剛度和等效質(zhì)量:接觸線與匯流排截面如圖1，按實際尺寸繪制。其中，匯流排截面2213mm2，彈性模量70Gpa，單位長度質(zhì)量5.91kg/m;接觸線截面120mm2，彈性模量113Gpa，單位長度質(zhì)量1.07kg/m。三元傳統(tǒng)受電弓和四元優(yōu)化受電弓各部分的仿真參數(shù)對比見表2。根據(jù)以上參數(shù)分別對傳統(tǒng)和改進(jìn)的弓網(wǎng)耦合模型進(jìn)行非線性動力學(xué)仿真。截取實測數(shù)據(jù)中勻速直線路段數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，去除車體振動噪聲后與傳統(tǒng)和改進(jìn)模型的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖9。比較實測和仿真數(shù)據(jù)中弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力的評價指標(biāo)值，見表3。以上結(jié)果可以看出，改進(jìn)后的四元模型仿真結(jié)果更接近實測數(shù)據(jù)。運用改進(jìn)后的模型仿真不同列車速度下弓網(wǎng)間接觸壓力的變化曲線如圖10所示。隨著列車速度增大，弓網(wǎng)間接觸力并不是線性變化的，當(dāng)速度等于或大于160km/h，弓網(wǎng)間最小接觸力接近0，弓網(wǎng)間可能會產(chǎn)生劇烈燃弧，嚴(yán)重影響弓網(wǎng)間的穩(wěn)定受流。5弓網(wǎng)相互作用模擬仿真本文基于弓網(wǎng)接觸壓力檢測原理，在傳統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了由四