弓网系统动态接触电阻数学模型的研究

弓网接触电阻是衡量弓网接触性能的重要指标,而接触压力、牵引电流和滑动速度是影响弓网接触电阻的重要因素。通过测试不同接触压力、牵引电流、滑动速度条件下的弓网动态接触电阻试验,阐明了弓网动态接触电阻随这3因素变化的趋势,并分析了它们的作用机制。研究表明:弓网动态接触电阻随滑动速度的增大而增大,且上升趋势逐渐加快;弓网动态接触电阻随牵引电流的增大而减小,且下降趋势逐渐趋于平缓;弓网动态接触电阻随接触压力的增大而减小,且下降趋势逐渐趋于平缓。根据试验结果和理论分析建立了弓网动态接触电阻关于接触压力、牵引电流和滑动速度的数学模型。经实验验证,该模型是有效的。     

弓网系统滑动电接触特性

弓网系统接触电阻不仅是表征其电接触性能的重要指标,而且对弓网系统的受流质量和使用寿命有着重要影响。因此开展了不同牵引电流、运行速度和接触压力条件下的动态接触电阻试验,分析了上述3个因素对接触电阻的影响机理。研究表明:当接触压力小于100 N时,弓网系统接触电阻随着接触压力的增大而减小,当接触压力大于100 N时,接触电阻的变化趋于平缓;弓网系统接触电阻随着运行速度和牵引电流的增大而增大,且上升趋势较陡峭;在运行速度和牵引电流一定时,当接触压力大于80 N时,受电弓滑板的磨损量随着接触压力的增大而增大。     

弓网系统静态接触电阻特性研究

弓网良好接触是保障机车稳定受流的关键,合适的弓网接触压力是弓网稳定可靠受流的基础。笔者研究了不同接触压力、牵引电流条件下的弓网静态接触电阻,并得到了弓网接触电阻的数学表达式。研究结果表明:弓网静态时接触电阻随接触压力、牵引电流增大而减小,接触压力小于70~80 N,接触电阻所接触压力的增加,接触电阻激剧减少;大于70~80 N后,接触电阻随接触压力的变化不明显,近似恒定关系。     

波动载荷下弓网滑动电接触载流特性研究

为获取波动载荷下弓网滑动电接触载流特性,利用FCH-03型销盘式滑动电接触摩擦磨损试验机模拟弓网接触状态,进行强电流密度、不同速度与波动接触压力条件下的浸金属碳/铜对磨实验。根据实验数据获得载流效率、载流稳定性在不同条件下的特性规律,并针对影响受流的运行速度、接触电流、波动接触压力等因素作出深入的机理分析及电弧能量干扰相关性分析。研究表明:载流效率随接触压力振幅的增大而减小,随接触压力频率的增大呈较小的增大趋势。载流稳定性随接触压力振幅的增大而减小。低速时基本不随接触压力频率变化;高速时随接触压力频率增大呈先增大后减小。弓网离线及离线电弧是导致高速弓网系统载流质量下降的主要原因。     

电气化铁路动态弓网接触电阻研究

在现代牵引供电系统中,受电弓和接触网系统为列车提供电能,滑板和接触线之间的接触电阻直接影响了电能的传输质量。本文首先基于弓网接触电阻模型,分析了静态接触电阻的影响因素;然后,考虑以往研究的不足,采用动力学理论构建了弓网仿真模型,得到弓网间接触力曲线,通过将动态接触力引入接触电阻模型,获得了实际运行中弓网接触电阻的变化趋势。考虑不同车速、电流大小等实际运行工况,分析了动态电阻的各项统计值和变化趋势。     

弓网离线接触电流总谐波畸变率的实验研究

受电弓与接触网(弓网)是电气化铁路中牵引供电系统的重要组成部分,弓网系统在运行过程中会发生离线现象,弓网离线会带来严重的电磁噪声问题。利用弓网电弧电磁噪声实验平台开展了不同条件下的弓网离线实验,分析了弓网离线状态下接触电流的频域特性。采用接触电流总谐波畸变率来表征弓网离线的传导电磁噪声特性,获得了接触电流总谐波畸变率与回流电流、接触压力和滑动速度之间的变化关系,建立了有效的接触电流总谐波畸变率数学模型,为深入研究弓网离线传导电磁噪声提供了实验依据和理论基础。     

直流牵引供电系统弓网电接触特性研究

为避免电气化铁路弓网烧蚀,毁坏受电弓断接触网,结合列车运行工况数据,建立弓网电接触模型,研究接触网拉出值、列车运行速度、运行工况及受电弓碳滑板设计与弓网电接触温升之间的关系,计算了电力机车动力负荷条件下弓网温升过程.研究表明,弓网温升随着列车运行速度增大而减小,牵引工况双受电弓六碳滑板情况,弓网接触温升超出标准限制.研...     

降弓电弧对接触线侵蚀的仿真研究

接触线是牵引供电系统必不可少的一环,降弓电弧可能导致站内接触线断线,而接触线断线又会造成接触网失电,使得列车停运,甚至引发接触网垮网等严重事故。因此,有必要开展降弓电弧对接触线侵蚀的相关研究。论文仿真研究了降弓过程中降弓电弧对接触线的侵蚀特性,分析了降弓电弧电流及不同驱动力对接触线熔池形成和熔池流动特性的影响。结合降弓电弧模型,建立了接触线传热和流体流动分析模型。研究发现:随着降弓过程的进行,注入接触线的热流密度幅值逐渐减小,接触线表面的电弧压力逐渐升高。接触线熔池面积和熔池流动速度随着电弧电流的增大而逐渐增大。此外,降弓电弧电流越大,接触线开始熔化的时间就越早。相对于电弧压力和表面张力,Marangoni效应会显著改变接触线熔池面积和熔池流动速度。通过改变接触线材料的氧元素含量可以控制Marangoni张力系数,进而提高接触线的抗烧蚀能力。研究结果可为提高接触线的抗烧蚀能力提供理论支撑。     

考虑电极熔化的弓网电弧与电极耦合模型

为了探明弓网电弧对受电弓滑板与接触线材料的侵蚀规律,基于磁流体动力学(MHD)理论并考虑弓网电弧与电极之间的能量传递,建立了弓网电弧与电极熔化耦合分析模型。采用熔化/凝固模型求解弓网电极材料内部的能量方程,分析弓网电弧作用下的弓网电极材料熔化特性;通过计算稳态弓网电弧特性,得到弓网电弧对电极的热流密度分布情况,将热流密度注入受电弓滑板与接触线来分析弓网电极的熔化特性;研究了弓网电弧燃弧时弓网电极材料的熔池特性随时间的变化情况;分析了弓网电极材料在不同弓网电弧电流情况下的熔池特性。研究结果表明:弓网电弧对接触线和受电弓滑板的热流密度注入呈现高斯分布形态;接触线与受电弓滑板的熔池深度、熔池半径均随着弓网电弧作用时间的增大而增大;随着弓网电弧作用时间增加,接触线表面的熔池深度始终大于受电弓滑板表面的熔池深度,受电弓滑板与接触线表面的熔池半径大小出现2次交点;400 A弓网电弧电流作用0.2 s时间后,受电弓滑板和接触线的熔池半径分别达到3.86 mm和4.3 mm,熔池深度分别达到1.24 mm和2.95 mm;随着弓网电弧电流的增加,弓网电极材料表面的熔池深度与熔池半径均增大,且受电弓滑板与接触线的熔池半径随弓网电弧电流的变化趋势相同,接触线表面的熔池深度随弓网电弧电流的变化率更大。计算结果可为轨道车辆的弓网系统的设计和评估提供参考意见。     

波动载荷下弓网滑动电接触失效研究

电力机车高速运行时,接触电流、压力波动和机车的运行速度均会影响弓网间的可靠接触。通过浸金属碳滑板与铜导线的对磨实验,得到接触电阻随接触电流、滑动速度、压力波动幅度和压力波动频率变化的特性规律。采用极限学习机(ELM)建立接触电阻与接触电流、滑动速度、压力波动幅度、压力波动频率的预测模型;综合考虑接触电阻和电流稳定系数,提出弓网滑动电接触失效判据。分析得出弓网接触失效机理:接触压力波动幅度和滑动速度增大使得弓网间摩擦振动加剧,接触电阻增大超过临界值,接触失效。在此基础上根据接触电阻概率分布建立失效概率模型,最后分析给出一定工况条件下弓网滑动电接触的失效概率。     

弓网系统滑动电接触区域温度场仿真

弓网系统滑动电接触区域的高温会使摩擦副材料的磨损加剧并影响系统的受流质量,严重时甚至发生接触线断线事故。针对弓网系统受流摩擦下接触区域温度,研究弓网系统的温度场,进一步发现影响温度变化的因素。利用COMSOL仿真软件对弓网系统进行仿真,建立三维立体有限元模型,通过实验测得的数据验证了仿真模型的准确性,得出电流、压力、速度和滑板材料对接触区域的温度影响,接触区域温度随电流与速度的增加而升高,随压力的增大呈现U型变化,为弓网系统温度分析提供理论支持。     

弓网系统灵敏度分析

接触线在电气化铁路中既是牵引供电系统的配电线路又是受电弓的滑道,良好的弓网耦合是高速铁路发展的关键技术之一。弓网接触力作用在接触线上时接触线会有一定的抬升量,而接触线的抬升量是与受电弓的参数密切相关的。本文根据受电弓的线性模型,给出了接触线的抬升量与受电弓初始抬升力之间的开、闭环数学模型,并对其性能指标进行了分析,同时研究了弓网系统的灵敏度。分析结果表明,受电弓闭环控制模型能有效提高系统的稳定性;作为一个低频振荡系统,弓网系统只有对受电弓弓头刚度系数的灵敏度相对较高。     

高速铁路弓网离线电弧电磁辐射特性的试验研究

高速铁路系统电磁环境十分复杂,其中弓网离线电弧产生的电磁辐射是高速铁路系统最重要的电磁干扰源之一。利用高速弓网关系试验台开展了大电流、高速条件下的弓网离线放电模拟试验,测量了不同牵引电流及不同行车速度下放电辐射场的时域波形,经快速傅里叶变换后得到了离线放电电磁辐射的主要分布频段、分布疏密程度、典型频率值等特征,探讨了放电辐射特性随牵引电流和行车速度的变化规律及原因。研究表明：在大电流、高速条件下,弓网放电电磁辐射能量主要分布于0~100 MHz的频率范围,其中分布最密集频段为45~55 MHz,起弧电磁辐射强度大于熄弧电磁辐射强度;在100~700 A的牵引电流区间内,放电辐射场的幅值随电流增大而增大;相同牵引电流下,频域峰值对应的频率值随车速增大而逐渐变小。该研究结果为弓网电弧电磁辐射干扰的机理研究以及防护提供了试验数据和参考依据。     

波动载荷和电流作用下的弓网摩擦力模型研究

电气化铁路中接触网与受电弓良好的接触是列车安全可靠运行的前提条件,而弓网的接触是载流条件下的摩擦接触,因此有必要对其摩擦接触进行深入研究。文中通过滑动电接触实验机,开展不同工况(压力波动幅度、压力波动频率、接触电流、滑动速度)条件下的弓网滑动电接触摩擦力研究。研究表明:作用于滑板上的接触电流增大时,弓网间的滑动摩擦力随之减小;压力波动幅度和滑动速度增大时,弓网间的摩擦力也随之增大;压力波动频率对弓网摩擦力的影响极小。利用曲线估计的基本思想,优选出最能表达压力波动幅度、接触电流、滑动速度各参量对弓网间滑动摩擦力影响的单一因素数学模型;在此基础上,通过多元回归方法建立压力波动载荷和电流作用下的弓网摩擦力模型并验证模型的有效性。     

基于光谱的降弓过程弓网电弧研究

高速铁路运营速度的提升,导致弓网振动加剧,离线频繁,电弧频发,严重烧蚀弓网材料,而电弧的燃炽强度和熄灭特性会受到温度这一重要参数的影响。为此基于光谱诊断法和红外图像,对降弓过程的弓网电弧等离子体的温度以及受电弓滑板、接触线的温升情况进行了研究。首先基于弓网电弧试验装置,记录了降弓过程中弓网电弧电压电流波形;并且同步采集了弓网电弧等离子体发射光谱;利用Boltzmann斜线法,计算得出了弓网电弧等离子体激发温度的变化,并且分析了电流对激发温度的影响;此外,分析了降弓过程中受电弓滑板和接触网导线的温度变化情况。实验结果表明:在16～22 A的电流范围内,燃弧电压在30～36 V之间变化,降弓时随弓网间隙增大而逐渐增大,弧压基本呈现线性增长趋势;在同一电流下,弓网电弧等离子体的激发温度在降弓过程中逐渐降低,但在同一间隙下,电弧温度随着电源输出电流的增加而上升。通过受电弓滑板和接触网导线的红外图像,可知降弓过程中,接触线温度始终高于受电弓滑板,滑板导线的最高温度的上升趋势逐渐放缓。     

基于仿真方法研究中间接头对弓网接触压力的影响

中间接头是刚性接触网的重要部件,其状态直接影响着弓网受流质量。本文建立了包含中间接头的刚性接触网有限元模型,利用该模型对弓网接触压力进行了仿真,通过与广州地铁三号线弓网接触压力实测数据进行对比,验证了模型的有效性。在此基础上,对中间接头注入故障,通过仿真方法研究中间接头失效对弓网接触压力的影响。     

接触网动态检测和缺陷处理

我国电气化铁路迅猛发展,运行速度随之提高.接触网和电力机车的弓网关系是能否运行高速电力机车的关键.接触网和电力机车受电弓的弓网关系不能简单地通过接触线高度、拉出值等几何尺寸和受电弓的抬升力等指标评估,要利用接触网动态检测车模拟受电弓的实际运行,通过接触网动态检测评价接触网和电力机车的弓网关系.     

带载工况下降弓电弧磁流体建模分析

带负载降弓会造成大电流电弧严重烧蚀弓网系统材料,甚至导致接触线断裂等事故。为了分析降弓电弧动态特性,建立了降弓电弧二维轴对称磁流体动力学模型。采用固定电导率以及LTE-diffusion近似方法处理阴极鞘层和阳极鞘层,使用动网格方法模拟降弓过程,研究了降弓速度、电弧电流对电弧特性的影响。研究结果表明:降弓过程中接触线底部和受电弓滑板顶部存在高气压区域,降弓电弧最高气压约为800 Pa;加快降弓速度可以加速降弓电弧的熄灭,减轻降弓对弓网材料的烧蚀;降弓速度对于降弓电弧电压的变化起主导作用。研究结果为进一步研究降弓电弧侵蚀接触线的热过程以及降弓电弧烧蚀防护奠定了基础。     

基于熵测度的地铁弓网燃弧电流扰动分析

城市轨道交通大多采用弓网(受电弓与接触网)接触方式向电力机车供电。当弓网分离时,将造成燃弧发生和牵引电流扰动,恶化机车受流。针对地铁直流牵引电流特征,提出了一种改进的小波包奇异熵算法,并用于燃弧牵引电流处理分析,得出牵引电流扰动指标Γ。根据非接触式弓网燃弧检测系统采集广州地铁现场试验数据,分析结果表明:改进后小波包奇异熵能直观、有效地提取牵引电流扰动特征;扰动指标Γ能有效反映牵引电流扰动程度,衡量机车受流质量;牵引电流扰动指标Γ与燃弧紫外能量呈幂函数关系,燃弧紫外能量越大,扰动越严重,特别当燃弧紫外能量超过400 m J时,牵引电流扰动Γ急剧上升,机车受流受到严重影响。     

基于 SOA-SVM 的弓网电弧识别方法

受电弓-接触网作为牵引供电系统的重要组成部分关系着高速列车的安全与稳定,及早的对弓网电弧进行识别对于保障列车稳定运行具有十分重要的意义。通过计算更符合列运实际的“Z”字摩擦速率并对列车的运行时速、接触压力及接触电流依次进行单变量调整,模拟了4种不同工况的弓网受流实验。基于实验数据,从特征供给和参数优化两方面出发：首先,利用D-score评估准则对电流特征进行对比,筛选出电弧识别特征及其显著区间;其次,设计样本定容环节考察特征信息的完备性;最后,利用海鸥算法(seagull optimization algorithm, SOA)优化支持向量机(support vector machine, SVM)对弓网电弧建模识别。经测试结果与对比分析得出,SOA-SVM能够快速、有效的对弓网电弧建模识别,平均识别水平达98.5%、总体识别水平在97%以上。