最新受電弓接觸網(wǎng)系統(tǒng)

1、受電弓接觸網(wǎng)系統(tǒng)研究受電弓接觸網(wǎng)系統(tǒng)研究張衛(wèi)華 教授牽引動力國家重點實驗室內(nèi)容內(nèi)容n受電弓結(jié)構(gòu)基本n世界受電弓介紹n弓網(wǎng)動態(tài)仿真研究混合模擬受電弓主動控制動應(yīng)力仿真虛擬樣機動力學(xué)研究對象動力學(xué)研究對象機車車輛列車弓網(wǎng)系統(tǒng)輪軌系統(tǒng)弓網(wǎng)系統(tǒng)動力學(xué)研究機械、電氣、控制、摩擦、力學(xué)、材料、氣動受電弓結(jié)構(gòu)受電弓結(jié)構(gòu)受電弓結(jié)構(gòu)受電弓結(jié)構(gòu)n受電弓單臂、雙臂、t形n單臂非對稱結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕高速n雙臂對稱結(jié)構(gòu)，質(zhì)量重低速nt形空氣動力學(xué)特性好高速單臂受電弓基本結(jié)構(gòu)單臂受電弓基本結(jié)構(gòu)弓頭框架升降弓裝置基本要求：上下走直線弓頭不偏擺靜態(tài)接觸恒定弓頭縱向偏移量計算弓頭縱向偏移量計算0.5700.5750.5800.58

2、50.5900.5950.6000.500.751.001.251.501.752.002.25(0.595,1.86)升弓高度(m)弓頭 縱 向偏移量(m)(0.575,1.23)靜態(tài)接靜態(tài)接觸壓力觸壓力動力學(xué)性能基本要求動力學(xué)性能基本要求n弓頭跟隨性好n動態(tài)響應(yīng)快n阻尼合理n受空氣影響小n噪音小質(zhì)量小弓頭結(jié)構(gòu)弓頭結(jié)構(gòu)滑板形式n單滑板n整體雙滑板n分體雙滑板懸掛形式n圓彈簧直線作用斜線作用n板簧n橡膠直線作用扭轉(zhuǎn)作用單滑板直線彈簧單滑板直線彈簧整體雙滑板橡膠扭簧整體雙滑板橡膠扭簧整體雙滑板斜彈簧整體雙滑板斜彈簧分體雙弓頭板簧分體雙弓頭板簧框架框架四連桿結(jié)構(gòu)一個自由度mhfchzlkh,ch,

3、bhkf,cf,bffc0zhmeqeze兩自由度模型低速低速受電弓受電弓升弓力矩加在下面的桿升弓力矩加在下面的桿高速受電弓高速受電弓升弓力矩加在上面的桿升弓力矩加在上面的桿上臂桿（上框架）上臂桿（上框架）框架型框架型雙桿型雙桿型單桿型單桿型下臂桿下臂桿方形管方形管圓形管圓形管方形方形叉形叉形結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)升弓裝置升弓裝置氣瓤氣瓤充氣充氣升弓升弓放氣放氣收弓收弓彈簧升弓氣缸降弓彈簧升弓氣缸降弓升弓力矩升弓力矩0.500.751.001.251.501.752.002.251200125013001350140014501500155016000.5015710.7514861.0014261.251

4、3801.5013401.7513062.0012762.251253升弓力矩(n.m)升弓高度(m)氣瓤或彈簧氣瓤或彈簧推力或拉力推力或拉力扇形板扇形板力矩變化力矩變化保證弓頭保證弓頭接觸壓力接觸壓力70n降弓緩沖阻尼氣降弓緩沖阻尼氣受電弓頻響受電弓頻響兩自由度兩自由度0.11101e-61e-51e-41e-30.010.11102.25m1.5m幅 值比 (m/n.m)頻率(hz)0.5m框架框架懸掛懸掛控制控制頻率頻率弓頭弓頭懸掛懸掛控制控制頻率頻率框架（升弓）阻尼對頻響的影響框架（升弓）阻尼對頻響的影響0.11101e-61e-51e-41e-30.010.11101000 nm.s

5、/rad幅 值比 (m/n.m)頻率(hz)無阻 尼100 nm.s/rad弓頭阻尼對頻響的影響弓頭阻尼對頻響的影響0.11101e-61e-51e-41e-30.010.1110100 n.s/m幅 值比(m/n.m)頻率(hz)無阻 尼10 n.s/m世界受電弓介紹世界受電弓介紹世界著名的受電弓世界著名的受電弓n德國stemmann-technik 速度等級速度等級最高運行速度最高運行速度材料材料重量（不包括絕緣件）重量（不包括絕緣件）縱向固定縱向固定橫向固定橫向固定延伸長度（最深位置）延伸長度（最深位置）最高提升高度最高提升高度最深位置最深位置弓頭長度弓頭長度額定電壓額定電壓額定安培值額

6、定安培值觸點壓力觸點壓力驅(qū)動類型驅(qū)動類型驅(qū)動供壓驅(qū)動供壓作用時間作用時間提升提升下降下降330 公里公里/小時小時不銹鋼不銹鋼/鋁鋁大約大約109 公斤公斤800 毫米毫米1100 毫米毫米2640 毫米毫米3000 毫米（包括絕緣件）毫米（包括絕緣件）540 毫米（包括絕緣件）毫米（包括絕緣件）1950 毫米毫米15 kv/(25 kv)1000 a70 120 n（可調(diào)）（可調(diào)）氣動提升驅(qū)動機構(gòu)氣動提升驅(qū)動機構(gòu)5 bar 10 秒（可調(diào)）秒（可調(diào)） 空間模型，由等效質(zhì)量的多體模型 - 實體模型。 考慮機車頂部的振動，考慮接觸網(wǎng)的弛度、不平順和坡度，考慮空氣動力學(xué)。 主動控制受電弓。簡單鏈形

7、懸掛接觸網(wǎng)模型簡單鏈形懸掛接觸網(wǎng)模型tv ()aiiidqdtaasasbdroppersasbcontact wiremd1md2mbt1mat1kd1kdpmd2md1mdpmatwmbtw eia eibabxl support wiretowerktwkt1)sin()(),()sin()(),(lxiiibilxiiatbtxztatxz00222200lzzzzlzz接觸網(wǎng)動能tt接觸線+t承力索t吊弦+t限位器t支撐桿接觸網(wǎng)勢能vv張力+v彎曲v吊弦彈性+t支撐桿()biiidqdtbb 222221210mmmmmmaamkbbmjlxjijbimjlxjijaiba11sin

8、sin接觸線和承力索模態(tài)timiimiiibbaaba 11, det()0km特征方程 i接觸網(wǎng)自由運動方程：模態(tài)振型和自振頻率110階階1.0331.0431.0701.1071.1412.0562.0782.1372.2112.2751120階階3.0873.1243.2203.3543.5084.11456.8056.8156.8156.81自振頻率0255075 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 1st mode shape 2nd mode shapedistance (m)0255075 100 125 150 175 200 225

9、 250 275 300 325 3th mode shape 4th mode shapedistance (m)振型ansys第1階 (0.92955hz)第2階 (0.94428hz)第3階 (0.97522hz)第4階 (0.97524hz)第5階(1.0021hz)第10階 (1.9612hz)用用ansys 算的算的ch-160接觸網(wǎng)模態(tài)接觸網(wǎng)模態(tài))(22tqqmqmqmiiniiiiniiii 設(shè)模態(tài)廣義變量qi，接觸網(wǎng)運動方程：dxxtxfqlii0)(),(mjijijlbq12（j=1，3，5，） 單位重力：f（x，t）=1 iiimk2模態(tài)剛度作用廣義力iiibkqy接觸

10、線模態(tài)廣義坐標的靜變形 )(sin11)(lxjbkqymjijmiiixb接觸線靜變形 pjjbijaidjwjjbitbjwjjaitajlbiblaiaixxmxmxmdxdxm122121200)()()()(010203040506070-0.05-0.04-0.03-0.02-0.010.00距離 s / m 幅值 a / m)2cos(1 (21)(lxaxyz接觸網(wǎng)不平順mjlxjijbicibxftq1sin)()(njjicjixftq1)()(接觸壓力的廣義力多弓單弓11( )sin()mmj xciijlijzxqb 接觸點的接觸線位移)()(222111chscchs

11、czzkfzzkfniicicniicictqxztqxz122111)()()()(接觸壓力受電弓模型受電弓模型mhfchzlkh,ch,bhkf,cf,bffc0zhmeqeze線性模型弓頭框架oxzabcdeefgpfhfhmyl1l2l3l4l5l6l7l8(ua,ba)(ub,bb)(uc,bc)(ud,bd)mf1,j1mf2,j2mf3,j3feh1h2zezh2zh1fc1fc2kh1,ch1,bh1kh2,ch2,bh2mh1mh2zlj4受電弓非線性模型lzfffff )(),()()()(543221框架的非線性運動方程框架的非線性運動方程11110hhchm zff22

12、220hhchmzff0cos2)(21lffjhh 012sgn()ffffffffchhm zc zbzk zfff1111111(cos)sgn(cos)22(sin )2hhfhhfhhfhllfczzbzzlkzz 2222222(cos)sgn(cos)22(sin )2hhfhhfhhfhllfczzbzzlkzz ) )()(1111niicihsctqxzkf2221() ( )ncshiciifk zxq tmmm1h2hkjkccbb2hh2h2fffffcbkh2ffh1h1h1c12c0ch1zzz速度(km/h)100120140160170180最大值（n）991

13、03105117119367最小值 (n)424024200離線率 (%)00001041速度的影響弛度的影響5010015020025030035030354045505560657075808590 弛度= 5 0 mm 弛度= 0接觸壓力 p / n距離 s / m5010015020025030020406080100120 無不平順 正弦不平順，波長1 0 m接觸壓力 p / n距離 s / m5010015020025030020406080100120 無不平順 正弦不平順，波長5 m距離 s / m接觸壓力 p / n501001502002503000100200300400

14、 無不平順 正弦不平順，波長4 m距離 s / m接觸壓力 p / n連續(xù)正弦接觸網(wǎng)不平順的影響單個余弦不平順的影響波長（m）1.52.02.53.05.0接觸壓力最大值（n）93.3104.6121.9132.2132.8130.4121.596.4接觸壓力最小值（n）39.430.723.715.313.910.315.5840.12不平順敏感波長065130195260325050100150200250contact force /ndistance /mwithoutwith彈鏈和簡鏈的影響彈鏈和簡鏈的影響651301952600255075100125150175

15、200225contact force /ndistance /melasticity stitched catenarysimple stitched catenary 張力的影響張力的影響651301952600255075100125150175200225250275contact force /ndistance /m 20kn 10kn跨距的影響跨距的影響65130195260020406080100120140160180contact force /ndistance /m 65m 60m弓頭剛度的影響弓頭剛度的影響65130195260050100150200250300co

16、ntaact force /ndistance /mkh=800n/mkh=3800n/m弓頭阻尼的影響弓頭阻尼的影響065130195260325050100150200250300contact force /ndistance /mch=0n.s/mch=100n.s/m弓頭質(zhì)量的影響弓頭質(zhì)量的影響065130195260325050100150200250300contact force /ndistance /m mh=6kg mh=10kg機車弓網(wǎng)模型機車弓網(wǎng)模型050100150200250300350-0.008-0.006-0.004-0.0020.0000.0020.004

17、0.0060.008displacement /mdistance /m機車振動影響機車振動影響65130195260406080100120140contact force /ndistance /mwith vibration of locomotivewithout vibration of locomotive仿真演示仿真演示混合模擬混合模擬受電弓接觸網(wǎng)系統(tǒng)混合模擬研究受電弓接觸網(wǎng)系統(tǒng)混合模擬研究建立受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)試驗系統(tǒng)的必要性n進行受電弓的性能檢測頻響特性、跟隨性、懸掛參數(shù)、動態(tài)特性n接觸網(wǎng)和特定受電弓的性能匹配建立受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)試驗臺的困難n弓網(wǎng)振動是耦合振動有別于輪軌n

18、接觸網(wǎng)是柔性系統(tǒng)，難以相似模擬混合模擬：受電弓實物接觸網(wǎng)虛擬接觸網(wǎng)數(shù)學(xué)模型放大器伺服控制器計算機伺服閥伺服控制器伺服閥機車運動的再現(xiàn)激振器力傳感器受電弓激振器a/d弓頭模擬接觸網(wǎng)模擬機車運動部分試驗結(jié)果部分試驗結(jié)果頻響特性051015200.00.81.0hz2.73hzdisplacementfrequency (hz)02468-100102030405060dispalcement of catenary (mm)time (s)接觸線位移0246820406080100120contact force (n)time (s)接觸壓力02468-100

19、102030405060 displacement of frame displacement of headdisplacement (mm)time (s)受電弓弓頭和框架位移020 40 60 80 100120140160180200020406080100120contact force (n)displacement (m)140km/h020 40 60 80 100120140160180200020406080100120contact force (n)displacement (m)160km/h020 40 60 80 100120140160180200-500501

20、00150200250300350contact force (n)displacement (m)180km/h混合混合模擬模擬260km/h330km/h400km/h05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0-5 005 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 0t y p e : t s g 3v = 2 0 0 km /hcontact forcem / nd ista n ce / m05 01 0 01 5 02 0 02 5 005 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0t y p e :

21、 w b l 8 5v = 4 5 0 k m /hp r e s a g = 3 0 m mcontact force / nd is ta n c e / m受電弓類型臨界速度沒有弛度有弛度tag3160260wbl85330400dsa3802503008wl0240300四種受電弓試驗比較012345050100150200250300350type: tsg3contact force / ntime / s012345050100150200250300350type: wbl85contact force / ntime / s01234505010015020025030035

22、0type: dsa380contact force / ntime / s012345-50050100150200250300350400type: 8wl0contact force / ntime / s12340.00.81.01.88wl0wbl85dsa380tsg3time / s類型阻尼系數(shù)(n.s/m)tsg334.5dsa38034.13wbl85104.27國外其它試驗臺國外其它試驗臺受電弓主動控制受電弓主動控制受電弓主動控制受電弓主動控制主動受電弓控制系統(tǒng)原理圖主動受電弓系統(tǒng)的運動方程及狀態(tài)空間方程：uhfhhfhheqhhhhfh

23、fhhfhffffxxuxxkxkxmxkxkkxuxuuxm)()(0)()(取狀態(tài)變量：t4321t xxxxxxxxxhhff得到狀態(tài)空間方程：cxybfaxxu控制器的設(shè)計控制策略：線性二次型最優(yōu)控制策略（lq） 狀態(tài)空間法利用狀態(tài)變量的線性組合作為 反饋，因為狀態(tài)變量更易于測量，因而這 種方法易于實現(xiàn)。二次型性能指標：控制力：反饋矩陣： 0ttd)()(21trfftqxtxjuu0t10)(ccuftpxbrfkxf274.649 60.5160 96.1886 5160.60k65130195260020406080100120140160 x（m）接觸力（n）主動系統(tǒng)被動系統(tǒng)2

24、50km/h65130195260050100150200 x(m)接觸力(n)主動系統(tǒng)被動系統(tǒng)300km/h動應(yīng)力仿真動應(yīng)力仿真動強度研究動強度研究n動力學(xué)仿真強度仿真n得到動應(yīng)力接觸網(wǎng)動應(yīng)力計算接觸網(wǎng)動應(yīng)力計算類型接觸線承力索輔助承力索無輔助承力索有幅值承力索ch160-y108.33129.6194.989151.30050100150200250300050100150200250contact force /kn distance /mv = 200 km/h050100150200250300050100150200250300350400contact force /kn dis

25、tance /mv = 250 km/h050100150200250300406080100120140160contact force /kn distance /mv = 160 km/h050100150200250300350-0.02-0.010.000.010.020.030.04 lifted displacement /mposition of pantograph /m120 km/h160 km/h200 km/h0501001502002503003500.000.010.020.030.040.050.06speed160 km/h lifted displaceme

26、nt /m position of pantograph /m qqtuinii1 )()(tuatuee eeetuktp)()(ihmanppp2)(22tqqmqmqmiiniiiiniiii ypqxp6p5p4p3p2p1u3u6u5u4u1u2應(yīng)力單元力模態(tài)響應(yīng)矩陣位移 tqqqpppemqnmqnp單元位移受電弓位置/m接觸線 /mpa承力索 /mpa輔助承力索 /mpa單元數(shù)動應(yīng)力總應(yīng)力單元數(shù)動應(yīng)力總應(yīng)力單元數(shù)動應(yīng)力總應(yīng)力32.57159.245117.58375.0348134.63236.442187.69657152.4583110.791386.3348131.2434

27、9.130200.4397.5101112.168120.501388.1201136.98337.868189.171308597.2892115.622505.9894133.24461.595212.89162.5127110.394118.733156.2815135.86444.753196.0519511196.5348114.8738010.8133.46598.250.02227.5153112.4120.734457.6148137.20538.275189.5726013435.9816114.315109.3796133.70679.830231.13292.517911

28、3.667122.005758.2333137.82652.746204.04012345678106108110112114116118120122124element 1531 at contact wire stress /mpa time /s static stress total stress012345678140160180200220240260element 5 at assistant wire stress /mpatime /s static stress total stress02468100.05.0 x1051.0 x1061.5x106frequence /

29、hzamplitude024681001x1062x1063x106frequence /hzamplitude02468100.02.0 x1064.0 x1066.0 x1068.0 x1061.0 x1071.2x107frequence /hzamplitude承力索 接觸線 輔助承力索 虛擬樣機虛擬樣機基于虛擬樣機的受電弓設(shè)計開發(fā)過程基于虛擬樣機的受電弓設(shè)計開發(fā)過程 方案設(shè)計方案設(shè)計三維實體設(shè)計三維實體設(shè)計參數(shù)優(yōu)參數(shù)優(yōu)化化結(jié)構(gòu)優(yōu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化化綜合性能的虛擬試驗綜合性能的虛擬試驗部件強度部件強度機構(gòu)分析機構(gòu)分析動力學(xué)動力學(xué)性能性能摩擦磨損噪摩擦磨損噪聲分析聲分析動強度動強度疲勞分析疲勞分析

30、受流性能受流性能分析分析控制控制工程工程空氣空氣動力學(xué)動力學(xué)受電弓受電弓動強度動強度接觸網(wǎng)動接觸網(wǎng)動應(yīng)力應(yīng)力受電弓三維設(shè)計和基本性能分析受電弓三維設(shè)計和基本性能分析 n受電弓運動幾何關(guān)系分析 0.51.01.52.02.53.08889909192偏轉(zhuǎn) 角/ 度升弓高度/m0.51.01.52.02.53.0-0.05-0.04-0.03-0.02-0.010.000.010.02位移/m升弓高度/m零部件強度設(shè)計零部件強度設(shè)計 最大應(yīng)力值為120.939mpa，小于極限應(yīng)力值225mpa。最大應(yīng)力點發(fā)生在上框架和下臂桿的交接處 接觸網(wǎng)模型接觸網(wǎng)模型接觸網(wǎng)振動模態(tài)接觸網(wǎng)振動模態(tài)n德國的re25

31、0彈性鏈型接觸網(wǎng)，設(shè)計運行速度250km/h。模擬中取3跨接觸網(wǎng)為一個錨段， 弓網(wǎng)耦合模型弓網(wǎng)耦合模型 simpack軟件的rail模塊 不同速度下的弓網(wǎng)接觸壓力響應(yīng)不同速度下的弓網(wǎng)接觸壓力響應(yīng) 6070809010011012013014004080120160200240280接觸壓力/n受電弓位置/m6070809010011012013014004080120160200240280接觸壓力/n受電弓位置/m機車振動對受流影響機車振動對受流影響 6070809010011012013014004080120160200240280接觸壓力/n受電弓位置/m01234-1.0-0.50.

32、00.51.01.5加速度/(m/s2)時 間/s 表 4 160km/h時無激勵和有激勵接觸壓力響應(yīng)比較最大接觸壓力/n最小接觸壓力/n標準差/n平均接觸壓力/n無軌道激勵192.918316.9087133.8144889.95452有軌道激勵195.75028.9958835.458790.15107接觸網(wǎng)動應(yīng)力研究接觸網(wǎng)動應(yīng)力研究 20406080100120140160180-50510152025303540受電弓位置/m動應(yīng)力/mpa20406080100120140160180-505101520253035404550受電弓位置/m動應(yīng)力/mpa 160km/h承力索末端動應(yīng)力 250km/h承力索始端動應(yīng)力 接觸網(wǎng)振動和動應(yīng)力模擬接觸網(wǎng)振動和動應(yīng)力模擬膠濟線試驗分析膠濟線試驗分析日本車，德國弓，法國網(wǎng)，中國線日本車，德國弓，法國網(wǎng)，中國線受電弓機車線路接觸網(wǎng)車