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...     

弓网滑动电接触电磁热力耦合效应研究进展

为电力机车提供牵引动力的受电弓滑板与接触网导线是典型的滑动电接触摩擦副，二者在工作中存在电、磁、热、力多场耦合效应，复杂的多场耦合作用将影响弓网的受流质量和摩擦磨损性能，开展电气化铁路弓网接触多物理场耦合效应研究，对降低弓网运行维护成本，提高受电弓滑板和接触网导线使用寿命等具有重要意义。该文重点归纳总结了近些年来弓网系统在电、磁、热、力多场效应下的相关研究进展。结合列车实际运行工况，综述了弓网接触电阻、电弧、接触温度、电磁力和压力载荷等因素对弓网载流摩擦磨损性能的影响规律，针对多物理场作用下研究中存在的问题与不足，提出进一步研究和完善的意见。在此基础上，从提高弓网滑动电接触性能、保障列车安全稳定运行角度，采用弓网接触电阻、燃弧率及接触温度对电接触性能的评价进行阐述和探讨，以期对弓网电接触行为进行合理预测与评估，为进一步研究弓网滑动电接触多场耦合效应提供参考。     

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。     

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。     

波动载荷下滑动电接触摩擦力建模

在弓网滑动电接触过程中,受电弓滑板磨损加剧,大大缩短了其使用寿命。由于受电弓滑板的磨损问题与滑动摩擦力直接相关,对于滑板的滑动摩擦力的研究具有重要的理论意义。该文采用库伦+黏性静摩擦模型对滑动电接触摩擦力进行建模,再对原始摩擦模型的黏性摩擦部分进行修正,同时引入接触电流和接触力及其波动幅值与波动频率等因素,建立了一个新的摩擦模型。通过自行研制的滑动电接触实验机进行实验,利用得到的实验数据,采用粒子群算法和Matlab对新摩擦模型的参数进行辨识,并对得到的改进摩擦模型进行验证。由实验数据与改进摩擦模型的拟合效果图和残差图可知,改进摩擦模型能够对波动载荷下弓网滑动电接触滑动摩擦力进行合理预测。     

不同受电弓滑板材料电弧烧蚀特性对比研究

列车高速运行时的弓网离线现象会导致弓网电弧的产生,烧蚀受电弓滑板,加剧滑板的摩擦磨损,影响列车的安全稳定运行。基于自制的升降台电弧烧蚀试验装置,研究纯碳和浸金属受电弓滑板的电弧烧蚀特性。通过计算单次烧蚀过程中的电荷转移量,测量烧蚀后滑板材料的烧蚀量,并观察烧蚀后的滑板表面形貌,探究滑板材料的烧蚀量及烧蚀形貌与电荷转移量间的关系。     

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。     

波动接触力下弓网载流摩擦力建模研究

电气化铁路弓网系统的载流摩擦特性,严重影响着受电弓滑板与接触网导线的寿命和电力机车的受流质量。该文使用自行研制的滑动电接触实验机模拟高速铁路受电弓和接触网的接触状况,进行波动接触力下弓网载流摩擦力建模研究。通过实验数据获得不同速度下摩擦系数与接触力波动频率和波动幅度以及电流的特性规律,分别建立与波动接触力和电流相关的摩擦系数模型,并将其与速度相关的Stribeck摩擦模型相结合,实现对摩擦力模型中摩擦系数的修正,最终建立与速度、波动接触力和电流相关的弓网载流摩擦力模型。使用麦夸特法与通用全局优化算法对该模型进行参数辨识,利用实验数据验证该模型的有效性,为弓网摩擦力的预测及摩擦磨损性能的研究提供参考。     

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。     

QGA-SVM在弓网滑动电接触下的最优载荷研究

弓网滑动电接触过程中,电、力、速多个物理域的复杂耦合影响列车的高速、重载、稳定运行。为了提高载荷最优控制,使摩擦副摩擦磨损与受流稳定性达到相对最佳,利用量子遗传算法优化支持向量机的相关参数,建立了受电弓滑板磨损率的预测模型。经过MATLAB仿真结果表明,量子遗传算法比遗传算法有更好的优化性能,建立的模型能够稳定预测滑板磨损率,对选取最优载荷、研究载流摩擦副材料具有重要意义。     

波动载荷下弓网摩擦振动特性分析与建模

在电气化铁路弓网系统中,弓网滑动电接触载流摩擦振动特性是决定电力机车速度和受流质量的重要因素.波动载荷条件下,压力波动幅值、压力波动频率、受流电流和滑动速度影响弓网间摩擦振动状态.通过自制滑动电接触实验机,以铜导线和浸金属碳滑板为摩擦副进行对磨实验,通过观测滑板表面形貌,分析摩擦振动特性.结果表明,压力波动幅值、受流电...     

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。     

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。     

北京地铁6号线弓网异常磨耗原因解析及改进措施

北京地铁6号线自西延线开通试运营以来,受电弓和接触网出现异常磨耗,受电弓碳滑板磨耗速率急剧增大,表面呈粗糙形貌。汇总了该现象导致的设备故障并进行了测试试验。经分析,认为导致弓网异常磨耗的根本原因是新增电客车受电弓压力较小,引起了弓网间离线电弧发生的频率增大,导致弓网间接触位置温升增大、接触线软化、碳滑板材质变化,使弓网间磨损速率急剧增加,接触线出现拉丝形态。为此,提出了改进弓网关系的措施。     

弓网滑动电接触摩擦力特性与建模研究

电气化铁路受电弓与接触网(弓网)系统的载流摩擦性能是影响列车受流和受电弓滑板磨损的关键因素。该文利用销盘式高速载流摩擦磨损实验机,以浸金属碳磨销与纯铜盘为摩擦副,获得与压力载荷、滑动速度、电流密度相关的摩擦力特性规律。摩擦力随着压力载荷的增加而增大,随着电流密度的增加而减小,随着滑动速度的增加而增大。并且随着压力载荷的增加,摩擦力的增大幅度逐渐变缓。在此基础上,采用支持向量机建立弓网系统下与压力载荷、滑动速度、电流密度相关的摩擦力回归模型,采用遗传算法进行参数优化。利用实验数据,验证模型的有效性,为今后弓网系统摩擦力的进一步研究提供参考。     

高速列车弓网电弧温度场特性仿真研究

弓网离线过程中会产生弓网电弧。弓网电弧稳态燃烧时,弧心温度很高。同时,电弧等离子体对接触网导线和受电弓滑板的热传导造成弓网系统材料的电气磨损,降低弓网系统使用寿命,严重情况时会导致列车事故。由于现有试验条件的限制,难以直接采用试验方式准确测试出电弧等离子体的温度分布。因此基于流体动力学理论,建立了弓网电弧稳态燃烧的物理分析模型,并采用流体分析软件,对模型方程进行求解,得出了电弧等离子体、接触线内部以及滑板内部的温度场分布情况。通过仿真计算不同接触线廓形半径情况下接触线内部的温度场分布情况,发现增大廓形半径可以降低接触线表面材料的电气磨损。同时,随着滑板材料热导率的增加,也可以降低滑板材料的电气磨损。     

波动载荷下弓网动态接触电阻特性研究

在实际的列车运行过程中压力载荷是以正弦形式波动变化,波动载荷对弓网系统中的接触电阻特性有重要影响。文中利用销盘式高速载流摩擦磨损实验机模拟弓网系统中的压力波动状态,研究了波动载荷、滑动速度和接触电流对动态接触电阻特性的影响,结合表面形貌对其变化规律产生的原因进行了分析。结果表明:载流滑动接触且压力波动频率一定时,动态接触电阻随压力波动幅度的增大先减小后增大;压力波动幅度一定时,动态接触电阻随压力波动频率的增大而缓慢增大;波动载荷条件下,动态接触电阻随滑动速度的增大而逐渐增大,随接触电流的增大而逐渐减小。高温电弧和接触温升是导致动态接触电阻变化的主要原因。     

高速列车静态升降弓电弧的磁流体动力学仿真研究EI北大核心CSCD

为了分析列车在站内起动和进站制动时弓网系统接触面材料的电气磨损情况,对弓网系统静态升降弓过程所产生的弓网电弧特性开展了研究。基于磁流体动力学理论,建立了弓网电弧等离子体有限元分析模型,利用有限元仿真软件计算了电弧的动力学方程和电磁学方程,得出了在不同间隙距离下的电弧温度场分布情况和不同接触线廓型情况下的接触线温度场分布情况。并通过仿真结果与试验结果对比验证了仿真模型的正确性。研究结果表明,随着弓网间隙的不断减小,靠近接触网导线处的电弧弧柱半径增大,接触线表面最高温度从1 872 K下降为956 K,受电弓滑板表面的最高温度由5 400 K下降为3 590 K;且在一定弓网间隙情况下,接触线表面最高温度较滑板表面最高温度低。同时,当接触线廓型半径由8 mm增加至15 mm,接触线表面最高温度有一定程度的降低。分析仿真结果可得,列车静态升降弓时,不同弓网间隙情况下的电弧温度场分布不同,但滑板表面材料的电气磨损均较接触线严重。此外,通过适当增大接触网导线廓形半径可降低接触线表面的电气磨损。     

高速列车静态升降弓电弧的磁流体动力学仿真研究

为了分析列车在站内起动和进站制动时弓网系统接触面材料的电气磨损情况,对弓网系统静态升降弓过程所产生的弓网电弧特性开展了研究。基于磁流体动力学理论,建立了弓网电弧等离子体有限元分析模型,利用有限元仿真软件计算了电弧的动力学方程和电磁学方程,得出了在不同间隙距离下的电弧温度场分布情况和不同接触线廓型情况下的接触线温度场分布情况。并通过仿真结果与试验结果对比验证了仿真模型的正确性。研究结果表明,随着弓网间隙的不断减小,靠近接触网导线处的电弧弧柱半径增大,接触线表面最高温度从1 872 K下降为956 K,受电弓滑板表面的最高温度由5 400 K下降为3 590 K;且在一定弓网间隙情况下,接触线表面最高温度较滑板表面最高温度低。同时,当接触线廓型半径由8 mm增加至15 mm,接触线表面最高温度有一定程度的降低。分析仿真结果可得,列车静态升降弓时,不同弓网间隙情况下的电弧温度场分布不同,但滑板表面材料的电气磨损均较接触线严重。此外,通过适当增大接触网导线廓形半径可降低接触线表面的电气磨损。     

基于磁流体动力学模型的弓网电弧温度场仿真

笔者针对弓网电弧产生的瞬时高温严重烧蚀受电弓滑板和接触网导线的问题展开研究。以磁流体动力学(MHD)理论为基础,考虑电弧的基本物理特性及电磁效应、热效应和辐射效应,建立了静态弓网电弧二维磁流体动力学模型,仿真计算了电弧的温度场分布,得到了电弧弧柱和两电极内部的温度分布特性。仿真结果表明,弧柱中心区域温度最高,并逐渐向外衰减;滑板表面温度高于导线表面,两电极表面温度低于弧柱温度;受电弓滑板表面的温度随着滑板材料热导率的增大而降低;电弧区域、滑板和导线上的温度随电流的增加而增大,而两电极之间的电位差基本保持不变。