CN112861406B - 一种基于载流摩擦学试验的弓网结构参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于载流摩擦学试验的弓网结构参数优化方法，属于测试技术领域，该方法包括：建立接触网的有限元模型，得到不同列车行驶速度下的动态接触力幅频参数；利用载流摩擦磨损试验机，进行摩擦磨损试验，根据试验获得的初始数据，计算不同列车行驶速度下受电弓滑板的摩擦系数和磨损率；判断是否达到最优摩擦系数范围和最优磨损率范围。本发明考虑了动态接触力的幅频参数对受电弓滑板的摩擦系数和磨损率的影响，通过改变有限元模型中的跨距，确定摩擦磨损试验用到的幅频参数，利用最优摩擦系数范围和最优磨损率范围进行判断，以确认是否是最优跨距参数，能够快速确定不同列车行驶速度下的最优跨距参数，提高了列车运行的安全性和稳定性。

Description

一种基于载流摩擦学试验的弓网结构参数优化方法

技术领域

本发明属于测试技术领域，具体涉及一种基于载流摩擦学试验的弓网结构参数优化方法。

背景技术

弓网滑动电接触是指电流从接触网导线经受电弓滑板输送给电力机车，受电弓滑板和接触网导线在整个过程中一直处于滑动摩擦状态，在滑动摩擦过程中出现一系列物理、机械、电学等方面的变化，具有典型的电接触特征。电源、接触网、受电弓、列车、钢轨、回流装置、电源形成一个闭合回路，使电机机车在行驶过程中获得持续的电能供应。

接触网在铁路上方成Z字形布置，沿着接触线(即接触网导线)的前进方向，电力机车向前行驶，可防止受电弓滑板的某处过度磨损。由于接触面粗糙不平，受电弓滑板与接触线之间的接触力并不是固定不变的，受电弓的运动导致接触网产生垂向运动，又由于接触网按照跨距分布的规律，因此，弓网系统间的接触力按照一定周期波动变化，称为动态接触力。

动态接触力通过振动幅值B和振动频率f来表征，动态接触力的波动表现为振动幅值B和振动频率f的变化，会影响受电弓滑板的摩擦磨损性能和弓网之间的载流质量，进而影响列车运行的安全性和稳定性，因此，有必要确定合适的跨距(一种弓网结构参数)，实现对动态接触力的幅频参数(B,f)进行间接控制，以提高列车运行的安全性和稳定性。

两相邻支柱(隧道内为悬挂定位点)间的水平距离称作跨距，其长度的选定涉及一系列经济和技术问题，是接触网设计中的重要问题之一。目前，我国铁路高速接触网的跨距基本上是48m左右。在其他参数保持不变的情况下，弓网之间动态接触力的振动幅值和振动频率成为定值。那么，该结构参数下由弓网动态接触力所引起的载流摩擦磨损(包括异常磨损)也成为不可调结果。弓网异常磨损一方面会导致受电弓滑板断裂和接触材料的电弧烧蚀，另一方面，会干扰弓网之间的载流效率和载流稳定性，严重时可致弓网离线甚至引发列车断电。二者均对列车的安全运行产生关键影响。因此，从列车的安全运行角度出发，需要严格控制电接触条件下受电弓滑板的摩擦磨损性能，保证弓网处于最佳载流摩擦接触状态。通过调节跨距参数可改变弓网之间的动态接触力，从而改善弓网接触状态，以此到达优化接触材料摩擦磨损性能的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于载流摩擦学试验的弓网结构参数优化方法，用于解决现有方法确定弓网结构参数不合理导致机车安全性降低的问题。

基于上述目的，一种基于载流摩擦学试验的弓网结构参数优化方法的技术方案如下：

步骤一，获取接触网的初始结构参数和材料参数，初始结构参数中包括一个选定的跨距，根据所述初始结构参数和材料参数，建立接触网的有限元模型，进行有限元分析，得到不同列车行驶速度下的动态接触力幅频参数，包括动态接触力的振动幅值和振动频率；

步骤二，利用载流摩擦磨损试验机，按照所述不同列车行驶速度下动态接触力的幅频参数控制，并进行摩擦磨损试验，根据试验获得的初始数据，计算不同列车行驶速度下受电弓滑板的摩擦系数和磨损率；

步骤三，确定不同列车行驶速度下的最优跨距参数：分别判断各列车行驶速度下受电弓滑板的摩擦系数是否达到设定的最优摩擦系数范围，受电弓的磨损率是否达到设定的最优磨损率范围，若均达到，则第一次选定的跨距为相应列车行驶速度下的最优跨距参数；若未均达到，则改变有限元模型中的跨距，重复上面步骤一、步骤二的内容，再次判断受电弓滑板的摩擦系数和磨损率，若仍未均达到最优摩擦系数范围和最优磨损率范围，则再次改变有限元模型中的跨距，直到在某次改变有限元模型中的跨距后，重复步骤一、步骤二的内容，最终使受电弓滑板的摩擦系数和磨损率达到设定的最优摩擦系数范围和最优磨损率范围，输出相应列车行驶速度下的最优跨距参数。

上述技术方案的有益效果是：

本发明的弓网结构参数优化方法，考虑了动态接触力的幅频参数对受电弓滑板的摩擦系数和磨损率的影响，通过改变有限元模型中的跨距，确定摩擦磨损试验用到的动态接触力的幅频参数，并利用设定的最优摩擦系数范围和最优磨损率范围进行判断，以确认是否是最优跨距参数。本发明能够快速确定不同列车行驶速度下的最优跨距参数，提高了列车运行的安全性和稳定性。

进一步的，受电弓滑板的摩擦系数的计算式如下：

式中，

——在某一列车行驶速度下，受电弓滑板的摩擦系数；

——在某一行驶速度下多次试验的动态接触力平均值(kN)；

——在某一列车行驶速度下的扭矩平均值(N·m)，L——销试样中心矩。

进一步的，受电弓滑板的磨损率的计算式如下：

式中，w——在某一列车行驶速度下受电弓滑板的磨损率，g/km；Δw——在某一列车行驶速度下，试验机在试验前后的销试样磨损质量损失(g)；v——试验速度(m/s)，即模拟的列车行驶速度；t——磨损时间(s)。

进一步的，为了减小弓网滑动接触的放电电弧，增加机车运行安全，在选定的最优跨距时，还需满足以下条件：步骤一中的动态接触力的振动幅值不能大于设定幅值上限。

附图说明

图1是本发明实施例中的弓网结构参数优化方法示意图；

图2-1是本发明实施例中的实际接触网结构示意图；

图2-2是本发明实施例中建立的有限元模型图；

图3(a)是本发明实施例中的20km/h行驶速度下的弓网动态接触力曲线图；

图3(b)是本发明实施例中的40km/h行驶速度下的弓网动态接触力曲线图；

图3(c)是本发明实施例中的60km/h行驶速度下的弓网动态接触力曲线图；

图3(d)是本发明实施例中的80km/h行驶速度下的弓网动态接触力曲线图；

图3(e)是本发明实施例中的100km/h行驶速度下的弓网动态接触力曲线图；

图3(f)是本发明实施例中的120km/h行驶速度下的弓网动态接触力曲线图；

图4是本发明实施例中的销-盘式载流摩擦磨损试验机示意图；

图中，1、主电机；2、机座；3、润滑冷却系统；4、液压加载机构；5、恒流源；6、液压加载系统；7、伺服阀；8、销试样；9、盘试样；10、扭矩仪；11、轴承座；12、传动系统；

图5是本发明实施例中的柔性加载模块及柔性加载原理图；

图6是本发明实施例中的试验机工作原理图；

图中，61、旋转轴；62、扭矩传感器；63、卡具；64、压力传感器；8、销试样；9、盘试样；

图7是本发明实施例中的参数优化流程图；

图8-1是本发明实施例中的不同行驶速度下进行试验、计算得到受电弓滑板的摩擦系数示意图；

图8-2是本发明实施例中的不同行驶速度下进行试验、计算得到受电弓滑板的质量磨损率；

图9-1是本发明实施例中的不同速度下，接触力的振动频率对纯碳滑板摩擦系数的影响关系曲线；

图9-2是本发明实施例中的不同速度下，接触力的振动频率对纯碳滑板磨损率的影响关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本实施例提出一种基于载流摩擦学试验的弓网结构参数优化方法，方法整体流程如图1所示，该方法具体包括以下步骤：

步骤一，获取接触网的初始结构参数和材料参数，初始结构参数如跨距等，各梁单元的材料、横截面积、弹性模量等。根据接触网的初始结构参数和材料参数，利用ANSYS软件，建立接触网的有限元模型，进行有限元分析，得到不同列车行驶速度下的动态接触力曲线。

本步骤中，接触网的材料参数如表1所示，包括承力索、接触线、支柱等梁单元的各种性能参数。其中，接触网的承力索采用GLJC120/35型铝包钢芯铝绞线，接触线选用铬青铜QCr0.5，支柱、水平拉杆、吊弦、绝缘子和腕臂均选用钢质。

表1接触网材料性能参数

本步骤中，接触网的初始结构参数包括：结构高度，跨距，跨数，总长，单位跨距内的吊弦数，以及支柱分别与承力索、接触线之间的张紧力等。

基于上述接触网的结构参数和材料参数，建立的有限元模型如图2-2所示(图2-1为实际的接触网结构)，模型结构高度为1.5米，一共包括6个跨，每跨跨距65米，模型总长390米。每两根支柱之间的接触网呈“之”字型排列。每跨接触网系统包含有4根吊弦；对最后一个支柱与承力索和接触线的两节点分别施加17kN和13kN的张紧力。图2-2中，所有的梁单元均采用Tying52铰接相连，将接触线、承力索视为具有抗弯刚度、张力以及线密度的2节点欧拉-伯努利直梁单元。

采用上述的有限元模型进行有限元分析，分别得到20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100km/h和120km/h行驶速度下的弓网动态接触力曲线，如图3(a)-图3(f)所示。从图中可以知晓，弓网的动态接触力曲线具有明显的振动规律：动态接触力以跨为周期，呈周期性波动。通过对动态接触力曲线进行傅里叶变换，可以将计算得到的接触力原始信号以一个常量和基波分量的和近似表征，表征公式如下：

F(t)＝70+Bsin(2πft+θ) (1)

式中，F(t)——动态接触力；

B——动态接触力的基波分量的幅值，称为振动幅值；

f——动态接触力的基波分量的频率，称为振动频率；

θ——动态接触力的基波分量的相位。

按照上面的公式，通过对不同列车运行速度下的动态接触力曲线进行傅里叶变换，得到如下的动态接触力幅频参数(B，f)，见表2所示。

表2不同列车运行速度下动态接触力幅频参数

步骤二，利用HST-100载流摩擦磨损试验机，按照表2中的不同行驶速度下动态接触力的幅频参数设置试验机，进行摩擦磨损试验，根据试验获得的初始数据，计算受电弓滑板的摩擦系数和磨损率。

本步骤中，为了提高摩擦系数和磨损率的准确性，需要在同一速度下进行多次试验，多次试验后，根据试验机获得的初始数据(包括接触力、扭矩等)，计算受电弓滑板的摩擦系数的公式如下：

式中，

——本实施例中为纯碳滑板的摩擦系数，(销试样尺寸9mm×14mm×20mm由滑板材料加工而成，盘试样为Φ180mm圆盘由接触线材料制成)；

——在同一行驶速度下多次试验的接触力平均值(kN)；

——扭矩平均值(N·m)，L——销试样中心矩(160mm)。

本步骤中，在试验机进行试验前后分别用感量为0.1mg的电子天平，测定销试样的磨损质量损失Δw，利用该磨损质量损失、磨损时间和试验速度(即上面的行驶速度)，计算销试样的质量磨损率，作为纯碳滑板的磨损率，质量磨损率的计算公式可表示为：

式中：

w——质量磨损率，g/km；

Δw——试验前后销试样磨损质量损失(g)；

v——试验速度(m/s)；

t——磨损时间(s)。

本步骤中，采用的试验设备为HST-100型销-盘式载流摩擦磨损试验机，试验机主要由高速传动模块(即传动系统，包括调速电机和传动轴)、销-盘模块(包括销试样和摩擦盘)、柔性加载模块及与计算机主机相连接的测控模块组成。如图4所示，该试验机包括主电机1，机座2，润滑冷却系统3，液压加载机构4，恒流源5，液压加载系统6，伺服阀7，销试样8，盘试样9，扭矩仪10，轴承座11，传动系统12。

试验机通过销试样与高速旋转的盘试样(摩擦盘)之间的对磨来模拟弓网之间的相对运动。该试验机中，采用IAG132M-3000-15型变频调速电机驱动传动轴高速旋转，以带动摩擦盘与销试样产生相对运动，最大旋转线速度可达100m/s。试验前，将销试样固定在卡具上，与摩擦盘垂直接触，利用电液伺服阀控制液压缸对摩擦副(即销-盘模块)施加动态载荷来模拟弓网(滑板和受电弓)之间的柔性接触。

本步骤中，选择低压恒流源作为试验用电源，最大输出电流为300A。并且，在试验过程中，电流通过一侧销试样，流经摩擦盘，最后再回到另一侧销试样，形成完整的电流回路，从而模拟弓网之间电能的传输。

本步骤中，柔性加载模块及柔性加载原理如图5所示，柔性加载模块包括电液伺服阀、液压缸、缓冲器、压力传感器、线位移传感器等。测控系统(测控模块)通过调节电液伺服阀，经过液压缸、缓冲器控制销-盘模块。其中，缓冲器用于防止加载过程中的过载伤害。电液伺服阀选用湖北襄阳航宇HY130型电液伺服阀，最高加载频率可达50Hz，且加载频率连续可调，完全可以满足弓网动态研究0～20Hz的频率响应。

本实施例中，HST-100型载流摩擦磨损试验机可实现接触载荷、扭矩、回路电流等同步数据的实时采集。试验机工作原理如图6所示，包括：旋转轴61带动盘试样9转动，扭矩传感器62采集扭矩信息，利用液压缸控制销试样8靠近盘试样9，模拟弓网滑动电接触，盘试样9上设置有压力传感器64，通过压力传感器64可实现销盘试样间接触力的实时采样，并通过求平均值获得式(2)中的接触力平均值

通过扭矩传感器62实现扭矩的实时采样，并通过求平均值获得式(2)中的扭矩平均值

图6中，卡具63引出支路，该支路上串设有电源v和电阻R，通过该支路连接测控系统，用于检测实时电流。

步骤三，分别判断滑板的摩擦系数和磨损率是否达到设定的最优摩擦系数范围和最优磨损率范围，若达到，说明有限元模型中动态接触力的幅频参数合适，从而说明采用的跨距为最优跨距参数；若未达到，说明有限元模型中采用的跨距不合适，需要进一步优化。

具体优化步骤如图7所示，改变有限元模型中的跨距，重复上面步骤一、步骤二的内容，再次进行有限元分析，得到改变后的动态接触力幅频参数，然后利用改变后的动态接触力幅频参数对试验机进行摩擦磨损试验，进行滑板材料的摩擦系数和销试样的质量磨损率(即滑板的磨损率)的再次判断，若仍未达到最优摩擦系数范围和最优磨损率范围，则再改变有限元模型中的跨距，直到某次有限元模型中的跨距改变后，重复步骤一、步骤二和本步骤中的内容，最终使滑板材料的摩擦系数和销试样的质量磨损率达到设定的最优摩擦系数范围和最优磨损率范围，输出最优跨距参数。

由于列车实际运行过程中，车速受路况、进出站、调度及气候等因素的影响，在不同的路段最佳行驶速度不尽相同。因此，经过反复多次试验，可根据以上循环试验方法进行动态加载载流摩擦学试验，检测纯碳滑板的摩擦系数和质量磨损率，如果获得最优摩擦磨损性能则停止优化。否则，继续改变跨距，重复试验。最终，使用该优化方法能够寻找不同时速下，能够保持材料最佳摩擦磨损性能的跨距参数。

按照上述三个步骤的方法，在跨距为65米，不同行驶速度下进行试验、计算得到受电弓滑板的摩擦系数和质量磨损率分别如图8-1、图8-2所示。图8-1表示出弓网振动对摩擦系数的影响，低于80km/h纯碳滑板的摩擦系数呈降低趋势，从40km/h的0.326下降到80km/h的0.295；滑动速度加快至100km/h，摩擦系数转而升高到0.339。图8-2表示出弓网振动对磨损率的影响，纯碳滑板的磨损率在40～80km/h之间呈下降趋势；当滑动速度大于80km/h后，纯碳滑板的磨损率转变为上升趋势。

按照图7中的试验方法，变换跨距参数可得到一系列不同的动态接触力，利用不同的动态接触力在试验机上进行载流摩擦学试验，即可得到不同跨距参数影响下，列车在不同时速下的摩擦系数和质量磨损率。

图9-1、图9-2为不同速度下，接触力的振动频率对纯碳滑板摩擦系数和磨损率的影响关系曲线。根据图中的数据显示，在试验速度为80km/h的动态接触工况下，随着接触力的振动频率的升高，纯碳滑板的摩擦系数和磨损率均表现出逐渐降低的趋势。而在试验速度为40km/h和100km/h的动态接触工况下的测试结果显示，随动态接触力的频率加快，纯碳滑板的磨损率呈逐渐上升趋势，摩擦系数则处于平稳波动状态。在试验速度为40km/h的动态接触工况下，随着动态接触力频率的升高，纯碳滑板的摩擦系数在0.32上下波动；在试验速度为100km/h的工况下，纯碳滑板的摩擦系数维持在0.35左右，相对于低速滑动试验数据有所升高。

本实施例中，根据图9-1、图9-2，中低速段40km/h设定的最优摩擦系数范围为0.32-0.325，设定的最优磨损率范围为0.19-0.20m/km；中速段80km/h设定的最优摩擦系数范围为0.27-0.275，设定的最优磨损率范围为0.072-0.08m/km；高速段100km/h设定的最优摩擦系数范围为0.347-0.357，设定的最优磨损率范围为0.16-0.17。根据此范围，可获得该跨距(65m)下不同时速是否均获得最优摩擦磨损状态。若未达到材料的最优摩擦磨损性能，则需要改变跨距，重新建立弓网有限元模型，通过再次仿真计算获得新的跨距参数下弓网的振动频率。并利用新获得的振动频率再次进行载流摩擦磨损试验，获得新的摩擦磨损数据，将这组数据与图9-1、图9-2相对比，判断新的跨距下是否可以将材料的摩擦磨损调节至最优状态。如此循环操作，直到获得材料的最佳摩擦磨损性能，停止试验。进而确定有限元模型中采用的对应跨距，作为最优跨距参数。

本实施例中，改变跨距的同时，通过弓网动力学分析，还要时刻监控动态接触力的振动幅值B，不能超过设定幅值上限，以防B过大，导致系统稳定性变差，引发强烈的电弧放电，对优化结果造成负面影响。

本发明的方法将有限元分析方法与试验论证相结合，获得跨距与弓网最佳载流磨损磨损性能之间的关系，从技术因素角度确定不同路段下接触网的合理跨距。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于载流摩擦学试验的弓网结构参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，获取接触网的初始结构参数和材料参数，初始结构参数中包括一个选定的跨距，根据所述初始结构参数和材料参数，建立接触网的有限元模型，进行有限元分析，得到不同列车行驶速度下的动态接触力幅频参数，包括动态接触力的振动幅值和振动频率；

步骤二，利用载流摩擦磨损试验机，按照所述不同列车行驶速度下动态接触力的幅频参数控制，并进行摩擦磨损试验，根据试验获得的初始数据，计算不同列车行驶速度下受电弓滑板的摩擦系数和磨损率；

步骤三，确定不同列车行驶速度下的最优跨距参数：分别判断各列车行驶速度下受电弓滑板的摩擦系数是否达到设定的最优摩擦系数范围，受电弓滑板的磨损率是否达到设定的最优磨损率范围，若均达到，则第一次选定的跨距为相应列车行驶速度下的最优跨距参数；若未均达到，则改变有限元模型中的跨距，重复上面步骤一、步骤二的内容，再次判断受电弓滑板的摩擦系数和磨损率，若仍未均达到最优摩擦系数范围和最优磨损率范围，则再次改变有限元模型中的跨距，直到在某次改变有限元模型中的跨距后，重复步骤一、步骤二的内容，最终使受电弓滑板的摩擦系数和磨损率达到设定的最优摩擦系数范围和最优磨损率范围，输出相应列车行驶速度下的最优跨距参数。

2.根据权利要求1所述的基于载流摩擦学试验的弓网结构参数优化方法，其特征在于，受电弓滑板的摩擦系数的计算式如下：

式中，

——在某一列车行驶速度下，受电弓滑板的摩擦系数；

——在某一行驶速度下多次试验的动态接触力平均值(kN)；

——在某一列车行驶速度下的扭矩平均值(N·m)，L——销试样中心矩。

3.根据权利要求1所述的基于载流摩擦学试验的弓网结构参数优化方法，其特征在于，受电弓滑板的磨损率的计算式如下：

式中，w——在某一列车行驶速度下受电弓滑板的磨损率，g/km；Δw——在某一列车行驶速度下，试验机在试验前后的销试样磨损质量损失(g)；v——试验速度(m/s)，即模拟的列车行驶速度；t——磨损时间(s)。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于载流摩擦学试验的弓网结构参数优化方法，其特征在于，选定的最优跨距时，还需满足以下条件：步骤一中的动态接触力的振动幅值不能大于设定幅值上限。

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