高速列车过隧道对弓网动力学影响分析

为研究高速列车通过隧道时产生的受电弓空气动力学效应对弓网动力学性能的影响,分别建立了受电弓/高速列车空气动力学仿真模型和弓网耦合系统动力学模型。采用滑移网格技术实现了高速列车运动,通过有限体积法求解三维瞬态可压缩Navier-Stokes方程和 两方程湍流模型,计算了列车速度为350km/h通过隧道时受电弓的气动抬升力,对考虑和未考虑列车通过隧道产生的受电弓气动抬升力作用时的弓网动力学响应进行了对比分析。计算结果表明,受电弓气动抬升力在隧道入口和出口时出现峰值,隧道内的气动抬升力较明线上大;通过隧道时产生的受电弓气抬升力变化对弓网接触压力和接触线抬升位移具有显著影响,导致受流质量变差。     

基于有限元法的弓网过渡段处动态性能仿真分析

针对城市轨道交通铁路中采用的接触网锚段关节、刚柔过渡段及CED125D受电弓结构,基于ANSYS有限元软件,采用广州地铁实际接触网线路的基本参数,建立包含刚性接触网、柔性接触网及刚柔过渡段的接触网模型以及简化为弹簧阻尼机构的CED125D受电弓归算质量模型。通过动力学仿真分析得到反映弓网系统动态性能的接触压力与抬升位移等数据,进而对受电弓在通过锚段关节、刚柔过渡段时的动力学行为及规律进行探讨与研究。与实测结果比较,所建立的弓网系统有限元模型是正确和有效的。     

计及受电弓幅频特性的受电弓参数与吊弦间距匹配研究

首先推导了受电弓的稳态幅频特性,结合对接触压力波动原因的分析,得出了受电弓参数与吊弦频率的匹配关系;然后逐一改变受电弓参数,分析受电弓幅频特性,可得受电弓弓头质量和刚度对受电弓幅频特性的影响明显;最后在建立的弓网动态模型中,分别调整受电弓弓头质量和刚度,统计得到接触压力标准差,验证了匹配的效果。研究结果表明,在运行中受电弓通过吊弦间隔的频率若为f,调整受电弓的参数,使受电弓幅频特性在频率f处有极小值,能有效降低接触压力的波动,有利于改善受流。该匹配关系可为弓网系统设计、选型和评价提供参考。     

转向架对高速列车气动性能的影响

随着列车速度不断提高,转向架对整车气动阻力的影响越来越大,也是研究轮轨关系及地面效应的基础。采用数值计算方法对有无转向架列车不同运行速度和横风风速下的气动特性进行了数值计算,研究了转向架对列车气动特性的影响。研究结果表明:当无横风时,有无转向架列车受到的气动阻力和升力均近似与列车运行速度的平方成正比,而转向架受到的空气阻力约占总阻力的25%,且随着列车速度的增加而增加,但增加幅度较小;横风对列车的气动阻力、气动升力、侧向力影响都很大,且相同横风下,考虑转向架时列车的气动阻力约为不考虑时的1.7倍。     

高速铁路关键振动问题

自1964年世界上第一条高速铁路在日本投入运营以来,列车的速度越来越高,2007年法国创造了并保持着574.8 km/h的轮轨式高速铁路的最高速度试验记录,截止2018年2月,中国高速铁路运营里程达26 869千米,在建里程10 738千米,分别占世界的64%和71%。轮轨式高速列车是通过受电弓从接触网获取电能,通过轮轨关系实现高速列车的导向和支撑,并在电机的驱动下通过轮轨粘着获得牵引力,然后克服气动阻力来实现高速运行的。这是一个车-线-网-气流耦合系统,需要应用空气动力学、结构动力学、多刚(柔)体系统动力学、线性和非线性振动理论、弹塑性理论、非线性随机振动理论、有限元方法、复合材料力学、模态分析、参数辩识技术、声学和控制动力学(主动悬挂)等理论来研究。随着列车速度的提高,一方面,气动阻力与列车速度的平方成正比,高速列车的气动阻力、气动噪声、气动激扰将急剧增大;另一方面,列车速度越来越接近接触网波动速度,弓网耦合振动将引起更频繁的离线和断流,影响受流质量,因此轮轨关系、弓网关系、流固耦合关系成为制约高速列车最高速度、影响列车运动行为的主要因素。本报告简要介绍了高速铁路所涉及的一些关键振动问题,包括地震预警、高速轮轨关系、高速铁路极限速度、振爆现象、轮轨粘着力、波浪形磨耗、滚动噪声、高速列车空气动力学、气动阻力、列车风的影响、高速交会气动效应、隧道气动效应、微气压波、乘坐舒适性(振动和耳膜)、自然风下的运行安全性、高速弓网耦合振动、接触网振动波速、车辆动力学、车辆蛇形运动稳定性、车-线-桥耦合振动、桥梁动力学、高速铁路环境噪声和振动、减振等。     

高速列车过车站受电弓气动冲击载荷研究

采用数值计算方法对2车编组的CRH1型高速列车以不同速度通过车站和于车站内交会进行了模拟,研究了DSA型受电弓升力变化及运行状态(闭口和开口)和屏蔽门对受电弓升力的影响。研究表明,列车进、出车站过程受电弓升力波动显著。单车以闭口和开口状态下过车站时,均为弓头和上框架升力变化最大,受电弓运行状态不改变弓头升力变化幅值与车速幂次方呈线性关系,且开口状态下弓头升力变化大于闭口状态,屏蔽门对受电弓升力影响有限。列车在站内交会时,受电弓运行状态显著改变了受电弓各部件升力变化及其随车速变化规律,屏蔽门对交会工况的影响比单车工况显著;车站内交会位置对受电弓升力变化基本无影响;不等速交会对受电弓变化影响明显。     

基于滑模控制的接触网/受电弓系统抗振动分析

该文研究了接触网/受电弓组成的弓网系统的抗振动问题。首先以滑模控制理论为基础,用系统的实际位移和理想位移差作为误差函数,根据弓/网系统的动力学平衡方程组,设计了基于滑模控制的抗振动算法,最后结合DSA250型受电弓对所提出算法进行验证。仿真结果表明,该算法可以降低接触网的动态抬升位移,对抑制弓/网系统的振动具有一定效果。     

导流罩对受电弓气动噪声影响的风洞试验研究

受电弓是高速列车顶部最主要的气动噪声源,合理的导流罩设计是降低受电弓气动噪声的重要方法。通过声学风洞试验的方法,研究缩比模型导流罩对高速列车受电弓气动噪声的影响,采用远场麦克风及声阵列,给出了风速范围为200～250 km·h~(-1)时的升弓、降弓状态下,受电弓和加装导流罩的远场气动噪声频谱、主要噪声源位置、强度和对应频带范围。研究表明,受电弓气动噪声为宽频带噪声,中频噪声源位于受电弓区域后部近车体位置,中高频、高频噪声源对应弓头和支座区域;升弓状态下,导流罩增大了弓头区域的气动噪声能量,在降弓状态下,导流罩减小了弓头和支座的噪声水平。     

电气化铁路接触网-受电弓动力学模型探究

电气化是铁路发展的大势所趋,为保证铁路电气化过程中良好的弓网受流,需要对接触网及受电弓进行系统研究。本文对目前世界范围内广泛应用的三类接触网,简单链型、弹性链型及复式链型接触网的结构特性及作用特点进行总结。文中还对受电弓动力学建模常用的四种模型,多刚体模型、归算质量模型、刚柔混合模型、全柔性体模型进行对比。为建立合适的弓网动力学模型,本文结合目前应用最广泛的几种接触网简化方式,单根索结构、单根梁结构及实际接触网结构,对弓网系统动力学的建模方法及动力学方程进行推导。     

接触网-受电弓振动主动控制问题的研究

针对铁路机车受电引系统存在的振动问题，提出了一种基于模糊技术的旨在抑制振动的主动控制方案。在对接触网－受电弓系统特征进行了基础上，设计开发了以PⅡ300工控机为主控器件的受电弓主动模糊空制系统，并以SS7型机车受电弓为对象进行了试验，试验结果表明，采用主动控制技术以后，受电弓弓头接触压力波动值大大降低，弓网系统者到了明显改善。     

高速列车受电弓气动噪声分布特性及仿生降噪研究

随着列车运行速度的提高,列车产生的噪声对周围环境产生的影响愈发严重。高速列车受电弓位于车顶,其产生的气动噪声成为高速列车主要噪声来源之一。选取某典型受电弓结构建立受电弓的流体及气动噪声的仿真分析模型,通过大涡模拟方法计算流场场量的分布特征及气动噪声大小。根据仿真分析结果研究受电弓气动噪声产生的机理,并在此基础上引入翼缘仿生结构对当前受电弓结构进行优化改进。研究结果表明,仿生优化后的受电弓能够有效降低受电弓尾涡脱落量,降低了气动噪声,并且其宽频噪声品质表现较好,具有比较良好的空气动力学性能。另外,优化后的受电弓适当的提高了受电弓的升力,可以减小跳网情况的发生,有助于受流稳定,具有一定的工程参考价值。     

横风下移动列车非定常气动力计算

为研究横风对移动列车非定常气动力的影响,该文介绍了两种获得移动列车脉动风速时程的模拟方法;基于准定常理论和气动权函数方法,推导了能同时考虑三个方向的湍流脉动和不同横风风向角效应的移动列车非定常气动力计算公式;通过数值算例,研究了不同参数对计算结果的影响。研究结果表明:通过气动权函数方法得到的非定常气动力会出现滤波和时间滞后效应;当考虑更多方向的湍流分量时,会获得更大的力脉动;横风风向角和侧向湍流分量会分别影响非定常力的均值和变异系数。     

横风下高速列车突入隧道瞬变压力及列车风

针对高速列车在横风下突入隧道的普遍情形,考虑空气的非定常、可压缩湍流特性,建立列车-隧道-横风三维数值模型,对比研究有无横风条件下列车突入过程中隧道内的瞬变压力变化规律和列车风特性。通过将数值计算结果与现场实测数据进行对比,验证了数值方法的准确性。研究结果表明:与无横风情况相比,列车在横风中高速驶入时隧道入口周围的瞬变压力和列车风发生明显变化;在尾车完全驶入前,横风对背风侧气动压力的影响程度比迎风侧的大,其中头车突入时对隧道入口气动压力的影响最为显著;横风对隧道内气动压力和列车风的影响范围有限,当横风速度为24.4 m/s时,隧道内受影响距离为50 m;头车突入隧道时,横风对列车背风侧列车风的影响较大,而尾车完全驶入时,横风对列车迎风侧的列车风的影响比较严重。横风效应是列车背风侧气动压力和气流速度大幅波动的根本原因。     

受电弓动态检测方法研究

对监测最高运行速度在80 km/h~300 km/h之间的机车、动车组的受电弓动态性能检测方法研究,具体包括弓网动态接触压力、硬点、冲击检测,接触线动态高度和离线火花的检测,以及弓网工作状态图像监视等功能。     

类高尔夫球表面处理对受电弓气动噪声的影响

针对高速列车弓网噪声,为降低主要由细长圆柱杆件构成的受电弓的气动噪声,建立三维圆柱绕流气动噪声分析模型,基于大涡模拟方法、声类比理论模拟圆柱杆件的流场特征,分析远场气动噪声频谱特性与分布规律,并对圆柱杆件表面作球缺型凹坑处理,分析表面处理方案的降噪效果。数值结果表明,来流与圆柱轴向所在平面法向的气动噪声受升力波动影响,声压级最大;圆柱来流方向前后气动噪声受阻力波动影响,声压级最小。圆柱表面球缺型凹坑处理方式可以有效降低圆柱杆件远场R=5 m处最大声压级,凹坑加密,降噪效果更好,优化模型II-1、II-2和II-3在R=5 m处最大声压级分别降低1.5 d B、1.9 d B和2.4 d B。相关结果可为高速列车噪声控制提供参考。     

城市轨道交通受电弓参数敏度分析及优化设计

为研究城市轨道交通受电弓单参数优化和双参数优化对弓网系统耦合性能的影响,首先建立受电弓-刚性接触网系统动力学模型,根据线路实测数据验证模型的准确性,然后采用接触力随机统计特征作为参数优化的目标函数,对CED125D型受电弓的9 个等效参数进行敏度分析,得到弓头等效质量的敏度评级最高,上框架等效质量及等效刚度次之,下框架等效刚度最低,并给出单参数优化建议。最后分析受电弓弓头3 个等效参数联合变化时的接触力统计特征,结果表明双参数优化能实现比单参数优化更好的弓网耦合性能,该研究可为城市轨道交通弓网系统设计、选型和评价提供参考。     

高速铁路接触线气动参数仿真及风振响应研究

为深入研究接触网系统在风载荷作用下接触线形成的风振响应,采用流体力学软件Fluent模拟计算形状不规则接触线截面的气动力参数,由其获得接触线与承力索的风载荷模型。在有限元软件MSC-Marc中建立京津城际铁路接触网整体模型,并利用MSC-Marc用户子程序功能实现接触网中接触线及承力索的风载荷动态输入,求解得接触线在不同风速、不同初始风攻角风载荷作用下产生的风振响应。结果表明,由于接触线的气动特性,任意风攻角风载荷作用下接触线竖直方向振动位移均值为负值,会加剧弓网间相互作用;接触线扭矩系数很小可忽略不计,接触线发生驰振原因之一为升力系数随攻角变化较大,在风攻角25º左右最可能发生驰振现象。     

接触线坡度超标的原因及整治方法探索

本文重点分析了接触线坡度超标的原因，提出影响接触线坡度超标的主要的因数，提出整治超标线坡的一般方法，并对处理效果进行了动态、静态检测，保证受电弓的抬升量变化较小，且抬升量在一个跨距内比较均匀，从而改善弓网间接触压力偏差值，保证电力机车受流的质量。     

高速列车耦合大系统动力学研究

根据高速铁路结构和技术特点,把高速列车以及与之相关并影响其动力学性能的线路、气流、供电和接触网等耦合系统作为一个统一的大系统,通过建立高速列车、线路、弓网及供电等子系统动力学模型,以及轮轨、弓网、流固和机电等耦合关系模型,形成高速列车耦合大系统动力学模型。针对高速列车运行模拟要求,给出基于循环变量方法的列车动力学建模及计算方法、基于滑移模型的车线耦合计算方法、基于松弛因子的流固耦合计算方法,实现高速列车耦合大系统动力学仿真。     

简单链形悬挂接触网整体吊弦瞬态动力学性能研究

以我国京津线高速铁路接触网整体吊弦为研究对象,建立弓网系统耦合模型。建模时将吊弦等效为仅可承受拉力的非线性弹簧,并利用罚函数法实现弓网系统的耦合。对建立的弓网耦合模型进行验证后,研究了弓网相互作用下整体吊弦的瞬态动力学响应。研究结果表明:弓网相对滑动速度为300 km/h及350 km/h时,同一跨内不同吊弦的动态接触力振动主频相同,均为7.8 Hz;弓网相对滑动速度300 km/h下,受电弓滑过后不同吊弦上下节点横向振动振幅很小,均小于3 mm;同一吊弦上下节点垂向振动相位基本一致,且不同吊弦上下节点垂向振动的主频均为1.42 Hz;弓网相对滑动速度250～350 km/h内,同一跨内3#吊弦的松弛时间最长。