載流接觸網(wǎng)對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響分析

載流接觸網(wǎng)對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響分析

通過(guò)提高列車(chē)速度，提高弓-觸網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求越來(lái)越高。為了提高弓網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，有必要解決弓網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)流問(wèn)題。為保證電力機(jī)車(chē)的穩(wěn)定運(yùn)行,要求受電弓與接觸網(wǎng)之間保持相對(duì)恒定的接觸壓力,且接觸壓力的變化越小,受電弓的受流特性越好。目前,有關(guān)弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸壓力的論述主要集中在機(jī)械匹配、氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域。近年來(lái),諸多學(xué)者在大量研究的基礎(chǔ)上提出了一些受電弓、接觸網(wǎng)的動(dòng)力學(xué)特性及其物理、數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)基于風(fēng)洞試驗(yàn)研究了受電弓結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性、氣流特性,并進(jìn)行了弓網(wǎng)系統(tǒng)的流固耦合振動(dòng)分析。文獻(xiàn)采用半實(shí)物半虛擬方法設(shè)計(jì)的受電弓-接觸網(wǎng)試驗(yàn)臺(tái),可以模擬不同接觸網(wǎng)參數(shù)下的受電弓動(dòng)力學(xué)性能。文獻(xiàn)利用半實(shí)物半虛擬相結(jié)合的方法,建立受電弓-接觸網(wǎng)運(yùn)行模擬試驗(yàn)臺(tái),進(jìn)行受電弓等效參數(shù)測(cè)定、動(dòng)力學(xué)性能測(cè)試及弓網(wǎng)參數(shù)匹配試驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上分析雙弓作用下的弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)性能,研究雙弓間距對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的影響,為實(shí)現(xiàn)高速條件下的雙弓穩(wěn)定受流提供了理論支持。弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸壓力不僅與機(jī)械、氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域有關(guān),弓網(wǎng)系統(tǒng)的電磁耦合也影響弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸壓力作用。但是,國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的電磁耦合作用研究甚少。因此,有必要對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的電磁耦合作用進(jìn)行詳細(xì)的研究。1受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)的幾何模型受電弓通過(guò)與接觸網(wǎng)接觸滑動(dòng)受流,經(jīng)回流線、鋼軌形成回路。接觸網(wǎng)的拉出值保證了受電弓的磨耗范圍始終在受電弓中心線的兩側(cè)且左右相等,以保證受電弓磨損均勻,增加了受電弓使用壽命。運(yùn)行中受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸壓力包括靜態(tài)接觸壓力、空氣動(dòng)力分量和動(dòng)態(tài)接觸壓力分量。電力機(jī)車(chē)在高速運(yùn)行時(shí),受電弓將收到各種力的影響,如圖1所示。在機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中,受電弓向上運(yùn)動(dòng)時(shí),弓網(wǎng)間的接觸壓力P可以用式(1)表示;受電弓向下運(yùn)動(dòng)時(shí),弓網(wǎng)間的接觸壓力可以用式(2)表示。式中:P0為受電弓框架和受電弓滑板的重力之和;PE為弓網(wǎng)系統(tǒng)電磁力的垂直分量;Pt為受電弓的支撐力;Pa為受電弓的慣性力,由歸算質(zhì)量及垂直加速度決定;Pm為受電弓鉸接處的摩擦力;Pk為空氣動(dòng)力對(duì)受電弓的垂直分量,在高速運(yùn)行時(shí)對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力產(chǎn)生較大影響。交流電的“集膚效應(yīng)”使接觸網(wǎng)導(dǎo)線內(nèi)部電流很小,牽引電流集中在臨近導(dǎo)線表面的薄層。將接觸網(wǎng)導(dǎo)線等效為截面積可忽略不計(jì)的長(zhǎng)直圓導(dǎo)線,通有電流的接觸網(wǎng)導(dǎo)線可等效為載流長(zhǎng)直導(dǎo)線。畢奧-薩法爾定理表明載流長(zhǎng)直導(dǎo)線周?chē)鷮⒏袘?yīng)出不均勻的磁場(chǎng),受電弓獲取電流的瞬間感受到磁場(chǎng)力的作用。實(shí)際弓網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)系如圖2所示。受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)的三維幾何等效模型圖如圖3所示。其中,I表示牽引供電電流;θ表示接觸網(wǎng)導(dǎo)線與鋼軌的平面夾角;x表示與鋼軌平行的方向;y表示與受電弓平行的方向;右手定理構(gòu)成了z方向;d表示接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)由于車(chē)軌振動(dòng)而造成的弓網(wǎng)垂向間距。畢奧-薩伐爾定律用于計(jì)算載流導(dǎo)線周?chē)母袘?yīng)磁場(chǎng),見(jiàn)式(3)。安培力計(jì)算公式用于計(jì)算磁場(chǎng)中載流導(dǎo)體的磁場(chǎng)力大小,見(jiàn)式(4)。式中:的方向由左手定則確定,四指指向電流方向,磁感線穿過(guò)手心,大拇指與四指垂直,大拇指所指方向就是力的方向;表示處于磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體上的電流元微元。2載流導(dǎo)電數(shù)值等效模型為方便后續(xù)計(jì)算,考慮一條供電臂的牽引電流。在弓網(wǎng)系統(tǒng)滑動(dòng)受流的瞬間將牽引電流進(jìn)行平面分解,分解為跟受電弓平行和垂直的兩個(gè)微電流元,如圖4所示。各電流分量如下從式(3)、式(4)可以看出,x方向的電流分量雖然有感應(yīng)磁場(chǎng)的作用,但對(duì)受電弓不產(chǎn)生力的作用,因此只需要y方向的電流分量對(duì)受電弓的作用,即可等效為兩平行載流導(dǎo)體之間的電磁作用。其數(shù)值等效模型如圖5所示,其中O點(diǎn)為受電弓中心。圖5中,用c表示接觸網(wǎng)拉出值,即L=c,由圖5中的三角幾何關(guān)系有進(jìn)一步對(duì)式(3)、式(4)進(jìn)行簡(jiǎn)化,可得由式(8)可知,受電弓上感應(yīng)磁場(chǎng)的大小與牽引電流y方向的分量、弓網(wǎng)垂向振動(dòng)間隙、受電弓有效工作長(zhǎng)度以及接觸網(wǎng)拉出值的大小密切相關(guān)。3安培定理求解電磁力之大小在弓網(wǎng)系統(tǒng)滑動(dòng)受流的瞬間,假定牽引供電電流以等大相反的方向通過(guò)受電弓流經(jīng)車(chē)頂高壓設(shè)備。受電弓上牽引電流的分解示意圖如圖6所示。圖6中,AB表示受電弓的有效工作長(zhǎng)度。OA段電流分解結(jié)果為所以,受電弓OA段上磁場(chǎng)力的大小通過(guò)安培力計(jì)算公式方向由左手法則確定?；?jiǎn)結(jié)果為式(10)表明:在接觸網(wǎng)牽引電流的作用下,受電弓OA段上受到x方向和z方向的感應(yīng)磁場(chǎng)力作用,負(fù)號(hào)表示實(shí)際磁場(chǎng)力的方向與假設(shè)的正方向相反。同理可直接得到受電弓OB上電磁力的大小。OA段上微元力的大小為接觸網(wǎng)導(dǎo)線在受電弓上各點(diǎn)處的感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度不同,無(wú)法直接應(yīng)用安培定理進(jìn)行求解電磁力的大小。而受電弓是剛體機(jī)構(gòu),所以將受電弓劃分成長(zhǎng)度為1mm的多個(gè)均勻磁場(chǎng),分別計(jì)算各個(gè)均勻磁場(chǎng)中的電磁力的大小,并進(jìn)行疊加,可得到整個(gè)受電弓上的電磁力作用。4牽引供電電流對(duì)電磁力的影響在工程實(shí)際運(yùn)行中,受電弓的有效工作長(zhǎng)度為1200mm,即圖5中L0=600mm。目前的運(yùn)營(yíng)線路中,直線區(qū)段的拉出值設(shè)計(jì)一般為200~300mm,曲線區(qū)段拉出值設(shè)計(jì)則根據(jù)曲線半徑不同一般為150~400mm,接觸網(wǎng)簡(jiǎn)單鏈形懸掛的標(biāo)準(zhǔn)跨距為50m。根據(jù)圖5中的等效模型,應(yīng)用MATLAB編程軟件計(jì)算分析。當(dāng)牽引電流I=600A時(shí),受電弓上感應(yīng)電磁力合力的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7(a)可以看出,在弓網(wǎng)振動(dòng)間隙一定的條件下,電磁力隨著接觸網(wǎng)拉出值的增大呈現(xiàn)單調(diào)增大的趨勢(shì)。從圖(b)可以看出,在接觸網(wǎng)拉出值一定的條件下,受電弓的感應(yīng)電磁力隨著弓網(wǎng)振動(dòng)間隙的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著接觸網(wǎng)拉出值的增大,牽引電流y方向的電流分量也增大。式(8)表明,牽引電流y方向分量的增大使感應(yīng)磁場(chǎng)也增大,同理弓網(wǎng)振動(dòng)間隙的增大使感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度降低。從圖7可以看出,當(dāng)牽引供電電流I=600A時(shí),受電弓上電磁力的最大值僅為弓網(wǎng)接觸壓力的3.7%~5%,對(duì)弓網(wǎng)接觸壓力的影響較小。然而,當(dāng)牽引供電發(fā)生故障且故障點(diǎn)距離牽引變電所15km時(shí),故障牽引電流瞬間可高達(dá)4500A,故障電流對(duì)弓網(wǎng)供電系統(tǒng)沖擊影響較大。此時(shí),牽引供電方式由雙邊供電轉(zhuǎn)換成越區(qū)供電,即故障變電所擔(dān)負(fù)的供電臂經(jīng)開(kāi)關(guān)設(shè)備由相鄰牽引變電所進(jìn)行臨時(shí)供電。取瞬間故障電流I=4500A,得到電磁力與接觸網(wǎng)拉出值、弓網(wǎng)系統(tǒng)振動(dòng)間隙、牽引電流的變化關(guān)系如圖8所示。圖8表示牽引供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí),弓網(wǎng)系統(tǒng)電磁力與牽引電流、接觸網(wǎng)拉出值以及弓網(wǎng)系統(tǒng)振動(dòng)間隙之間的變化關(guān)系。由圖8可以看出,電磁力的變化趨勢(shì)與正常工況時(shí)的變化一致,電磁力隨著牽引供電電流的增加而增大,對(duì)式(3)、式(4)進(jìn)行化簡(jiǎn),可以得出電磁力隨牽引供電電流呈現(xiàn)平方增大的趨勢(shì)。但當(dāng)牽引供電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),弓網(wǎng)系統(tǒng)電磁力最大值瞬間可達(dá)40N,達(dá)到弓網(wǎng)系統(tǒng)正常接觸壓力的50%左右,嚴(yán)重影響弓網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。5弓網(wǎng)系統(tǒng)電磁力隨時(shí)間的變化規(guī)律本文針對(duì)鐵路接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng),利用畢奧-薩法爾定律建立弓網(wǎng)系統(tǒng)感應(yīng)電磁力的理論計(jì)算模型,應(yīng)用MATLAB編程軟件計(jì)算弓網(wǎng)系統(tǒng)的電磁力大小,分析電磁力的變化規(guī)律,主要包括接觸網(wǎng)拉出值、車(chē)軌振動(dòng)造成的弓網(wǎng)振動(dòng)間隙以及牽引供電