高速铁路弓网动态受流仿真研究硕士研究生学位论文.doc
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1、硕士学位论文高速铁路弓网动态受流仿真研究Current-Collection Simulation Analysis On Pantograph-Catenary Dynamic System of High-speed Railway学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,提供阅览服务,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名: 导师签名:签字日期:
2、年 月 日 签字日期: 年 月 日中文摘要摘要:受电弓-接触网系统的动力学性能直接影响受电弓的受流质量和机车的运行可靠性。随着列车速度的提高,接触网与受电弓之间的动态接触变得越来越复杂,高速状态下稳定受流出现了很多问题。通常对受电弓-接触网系统的研究主要集中在动态性能,如对弓网接触力的分析,对参数和结构的研究,对接触线磨损的研究等等。本文基于非线性有限元理论,建立了高速铁路弓网动态系统的有限元耦合模型,模型中接触网各部件均采用欧拉-伯努利直梁来模拟,受电弓弓头和上框架、上下框架之间采用铰链和非线性弹簧相互连接模拟,借助MARC软件的后处理功能对影响高速铁路弓网受流性能的主要弓网参数(接触线截面
3、、张力、结构高度、弓头弹簧等)进行了动态仿真分析,分析过程均是设定其他参数变量不变的情况下目标参数的变化对弓网受流性能造成的影响,通过仿真结果的分析得到一些有用结论。以京津城际高速列车弓网动态系统为实例,建立与实际参数统一的有限元模型,借助仿真软件从接触线动态接触力、动态抬升量、弓网离线率等方面对该弓网性能情况进行仿真,得到一系列动态接触力、抬升量随时间变化的历程图,结合西门子公司提供的仿真结果及京津城际现场的测试结果表明,本文建立的有限元模型和计算方法是正确和有效的,同时也表明京津城际具有良好的动态受流质量。关键词:高速铁路;弓网系统;动态受流;京津城际;MARC;有限元仿真 ABSTRAC
4、TABSTRACT: The dynamic characteristic of the pantograph-catenary system affects directly the qualities of the current collection and the reliability of the locomotive movement. With the locomotive running speed increased, the dynamical contacting turns more and more complex and lead to a lot of prob
5、lems about stable current-collection. The study on pantograph-catenary system is mainly focus on dynamic behavior, such as analysis of the contact force, study of parameters and structure, investigation of wear, etc.Based on the nonlinear finite element theory (FEM), the finite element model of the
6、pantograph-catenary dynamic system of High-speed train has been established in this thesis, in which model the highly nonlinear flexible catenary is modeled by flexible beam and the pantograph is modeled by hinge and nonlinear springs. The dynamic current-collecting performance of this pantograph-ca
7、tenary system of High-speed train has been simulated and analyzed using MARC software, the dynamic contact pressure, lift-up displacement and the off-line ratio are all calculated and analyzed. Analysis is that the performance results of pantograph-catenary caused by changed target parameter with th
8、e other parameters unchanged and get some useful conclusions through the analysis of simulation resultsTake pantogranph-catenary dynamic system of Beijing-Tianjin inter-city express as an example, establish finite element model which the model parameters are the same with the actual parameters, usin
9、g simulation software to simulate the pantogranph-catenary dynamic performance, the simulation includes such three aspects as dynamic contact force of the contact line, dynamic uplift and the off-line ratio of pantogranph-catenary . Then get series of process map for dynamic contact force, uplift wh
10、ich vary with the time. Comparing with the simulation results provided by Siemens and the field measure results show that, the finite element model and simulation approach proposed in this thesis are correct and credible, the results also show that the dynamic current-collecting performance is perfe
11、ct.KEYWORDS: High-speed railway; Pantograph-Catenary System; Dynamic Current- Collection; Beijing-Tianjin Inter-City Express; MARC; Finite Element Simulation目录中文摘要vABSTRACTvii目录ix1绪论11.1 研究背景及意义11.2 接触网结构介绍21.3 受电弓种类介绍41.3.1法国TGV型受电弓41.3.2德国受电弓1551.3.3日本PS系列受电弓1551.3.4国内电力机车受电弓介绍15,2561.4弓网动态受流的研究现状
12、71.5 MARC软件介绍81.5.1 MARC简介81.5.2 MARC在接触分析中的应用91.6 论文主要内容及章节安排102接触网的有限元建模112.1接触网的有限元分析112.1.1有限元理论简介112.1.2 接触网的有限元分析说明112.2国内外接触悬挂的几类典型模型122.3接触网的MARC有限元建模142.3.1高速接触网建模时的仿真假设142.3.2 简单链形接触悬挂的有限元建模说明143受电弓的有限元建模163.1受电弓模型163.1.1 受电弓模型主要建模方法163.1.2 各类受电弓模型的优劣性比较183.2受电弓的MARC有限元建模说明193.3 小结214接触网-受
13、电弓耦合动力学分析224.1弓网动态受流质量评价标准224.2弓网接触分析在MARC中的实现过程234.2.1关于接触问题的描述方法234.2.2 接触分析流程234.3 应用MARC进行弓网有限元仿真结果的分析244.3.1 接触导线截面尺寸对受流性能的影响分析244.3.2接触线和承力索的张力对受流性能影响分析304.3.3 接触悬挂的结构高度对受流性能的影响分析324.3.4 受电弓的弓头弹簧对弓网受流的影响344.4 小结425京津城际弓网系统MARC有限元分析445.1 京津城际弓网有限元模型内部参数统计445.1.1 合成的京津城际弓网系统模型445.1.2 关于节点元素等的统计4
14、45.1.3 物理及几何特性445.1.4 模型分析的工况说明465.2 京津城际高速弓网的MARC有限元动态模型仿真结果分析475.2.1 不同速度下动态接触力仿真结果分析475.2.2不同速度下动态抬升量仿真结果分析495.2.3 数据结果分析5053 小结526全文总结53参考文献54索引56作者简历57独创性声明58学位论文数据集591 绪论1.1 研究背景及意义电力机车是十分重要的交通工具并以其运量大、速度快、能耗低、污染小、运价廉和安全可靠等优点,成为高速机车中的主力军。目前我国高速铁路的发展十分迅速,2007年,中国首条高速铁路-京津城际轨道交通客运专线完成铺轨,它不仅是中国现代
15、化铁路建设的一个开端,也是中国真正掌握世界最先进的高速铁路建设技术的里程碑。2008年,中国高速铁路建设步伐加快,不仅引人注目的京沪高速铁路开始兴建,广深港高速铁路、京石高速铁路客运专线、南宁至广州高速铁路等等一大批高速铁路建设工程都开始动工。未来为满足快速增长的旅客运输需求,将建立省会城市及大中城市间的快速客运通道,规划“四纵四横”铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统。建设客运专线1.2万公里以上,客车速度目标值达到每小时200公里及以上,可见我国真正意义上的高速铁路时代已经到来,其蓬勃发展必然需要更多的专业人员加入到高速铁路技术研究当中。 电力机车是通过受电弓从接触网获取电能,并驱动牵
16、引电机运行的。受电弓弓头的滑板与接触线接触,相对滑动,从接触网上取下电流,输送给电力机车,这一过程称之为受流。受电弓与接触网可靠地接触是保证高速受流的重要条件,在此过程中受电弓与接触网在电器和机械两方面相互制约、相互依赖。通常受流质量受很多因素的影响1-7,如接触网的弹性系数、接触线的坡度、接触悬挂类型、接触线材质、接触网的结构高度、受电弓静提升力、滑板材质、弓头刚度值以及列车运行速度、加速度、车辆类型和线路条件等。随着电力机车运行速度的提高,弓网间的动态性能越来越差8-14,尤其是弓网之间的接触压力变化幅度增大,当接触力过小时,接触电阻增大,将不能保证可靠受流,当接触力等于零时,就出现离线现
17、象。一旦出现离线,会使弓网接触中断,从而产生不良的后果,如:(1)离线的瞬间会产生电弧放电,烧蚀接触线和滑板接触面,使受流更加恶化,同时增加两者间的电器腐蚀,缩短了工作寿命。(2)对附近的通讯线路产生干扰。(3)大离线和连续离线会使电力机车的正常供电受到破坏,并可能导致车内电子元件破坏。因此研究解决受电弓在接触网下的高速受流问题,研究受电弓的运动学特性和动力学特性十分重要,只有这样才能使电力机车从接触网上可靠地获取电力能源。但是我国在受电弓和接触网动态性能的研究方面起步较晚,在200以上的高速线路上所应用的大部分还是进口产品。因而,针对高速铁路弓网关系的特点,在理论上建立较合理的受电弓接触网系
18、统模型,研究高速弓网的动态受流问题成为发展我国高速铁路的当务之急。1.2 接触网结构介绍接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路,主要由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础四部分组成。其中接触悬挂由接触线、吊弦、承力索以及连接部件等构成,它通过支持装置架设在支柱上,其功用是将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车;支持装置包括斜腕臂、水平拉杆、悬式绝缘子串,棒式绝缘子及其它建筑物的特殊支持设备,用以支持接触悬挂,并将其负荷传给支柱或其它建筑物,这根据接触网所在区间、站场和大型建筑物而有所不同;定位装置包括定位管和定位器,其功用是固定接触线的位置,使接触线在受电弓滑板运行轨
19、迹范围内,保证接触线与受电弓不脱离,并将接触线的水平负荷传给支柱;支柱与基础用以承受接触悬挂、支持和定位装置的全部负荷,并将接触悬挂固定在规定的位置和高度上。我国接触网中采用预应力钢筋混凝土支柱和钢柱,基础是对钢支柱而言的,即钢支柱固定在下面的钢筋混凝土制成的基础上,由基础承受支柱传给的全部负荷,并保证支柱的稳定性;预应力钢筋混凝土支柱与基础制成一个整体,下端直接埋入地下。接触网按接触悬挂的类型来区分,一般有简单接触悬挂和链形接触悬挂两大类。下面将对这两种悬挂形式的接触网加以介绍:(1)简单接触悬挂:简单接触悬挂(以下简称简单悬挂)系由一根接触线直接固定在支柱支持装置上的悬挂形式。该悬挂方式较
20、为简单,支持装置和支柱所承受的荷载较轻,支柱高度要求较低,因而建造费用比较经济,且施工方便及维修简单。但缺点是弛度大,弹性不匀,不利于电力机车高速运行时受流的要求。过去简单悬挂只用于在机车运行速度较低,取流较小的线路,如机车出入库线、厂矿企业内的直流电气化铁路和其它临时铁路中。但是在干线上有隧道高度限制时也可采用简单悬挂。由于隧道内设置悬挂点比较方便,可适当缩短跨距,从而使上述问题得到改善。高速铁路通常不采用这种悬挂方式。我国现采用的带补偿装置的弹性简单悬挂系统时在接触线下锚处装设了张力补偿装置,以调节张力和弛度的变化;在悬挂点上加装816长的弹性吊索,通过弹性吊索悬挂接触线,这就减少了悬挂点
21、处产生的硬点,改善了取流条件;另外也通过适当缩小跨距,增大接触线的张力去改善弛度对取流的影响。 (2)链形悬挂:链形悬挂的接触线是通过吊弦悬挂在承力索上。承力索悬挂于支柱的支持装置上,使接触线在不增加支柱的情况下增加了悬挂点,利用调整吊弦长度,使接触线在整个跨距内对轨面的距离保持一致。链形悬挂减小了接触线在跨距中间的弛度,改善了弹性,增加了悬挂重量,提高了稳定性,可以满足电力机车高速运行受流的要求。链型悬挂有多种形式,有单链形、双链形和多链形等。其中简单链型悬挂如图1.1(a)所示由一条接触线和一条承力索以及它们之间若干根吊弦组成。这种链型悬挂的弹性,决定于跨距、接触线和承力索的张力。采用一条
22、接触线和传统拉应力的链型悬挂,其跨中弹性范围为0.15至1.5,当然其跨中和悬挂点处的弹性差别很大,悬挂点处的弹性只能达到跨中弹性的30%至50%左右。弹性链型悬挂,如图1.1 (b)所示,仍为单链型悬挂的一种,跨距以及承力索和接触线的张力也决定其弹性,跨中弹性值为0. 5至1.2,应对辅助承力索的长度和张力进行优选,致使悬挂点处的弹性达到跨中弹性的80%,这是高速行驶性能所要求的。图1.1 (c) (d)所示为复式链型悬挂结构形式,这种悬挂形式是在承力索和接触线之间另加一条辅助承力索,它使弹性大大降低。在65跨距时,跨中弹性可在0.25至0. 4之间,日本在新干线上就经常采用这类悬挂形式。(
23、a)简单链型悬挂 (b)弹性链型悬挂 (c)简单双链型悬挂 (d)弹性双链型悬挂 1-接触线;2-承力索;3-简单支柱吊弦;4-弹性吊弦;5-辅助承力索;图1.1接触悬挂示意图Fig 1.1 Schematic diagram of overhead suspension1.3 受电弓种类介绍受电弓是一个弹性结构装置,它由升弓弹簧保持弓头滑板与接触导线的接触。弓网系统中要保持良好的受流特性,除了接触网的参数外,还必须有性能良好的受电弓来配合。各国在发展高速电气化铁路的过程中,相继开展了对高速受电弓的研究。近20年来研制了不少类型的高性能受电弓,取得了很大的效益。以下将简要介绍一下各国不同类型结
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