铁路采用架空刚性导体集电牵引装置外文翻译资料

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铁路采用架空刚性导体集电牵引装置

CARLOS VERA ¹ , BERTA SUAREZ ^{2 3} JENNY PAULIN ² and PABLO RODRIGUEZ ²

^摘要

架空刚性导电轨牵引系统与其他传统的电流供应系统相比有较大优势。他们简单，坚固，容易维护。它们灵活的安装高度，使得它们特别适合使用于地铁基础设施。随着现代地铁新车速度的不断增加，需要更高效的设计系统。在本文中，作者提出地架空导电轨牵引系统的动态性能优于目前使用的系统。这意味着，车辆的运行速度可以超过110公里/小时，并为刚性连接支架的建设节省安装成本。其已经通过ANSYS程序和SEVIPACK程序进行验证分析。

关键词：悬链，受电弓，架空导电轨，优化，新设计；

1. 铁路架空导电轨牵引系统

1.1 背景

1972年，法国公司Delachaux [1]注册了一项关于铁路架空导体系统的专利，它包括夹持铜线的铝型材通过铝轨的弹性偏转就位（图1）。但是没有严格执行到1983年。1984年，瑞士公司Furrer Frey [1,2]通过这个系统，从那以后大大增加了电气化安装的总长度。顶置刚性导体系统的主要优点是其简单，坚固耐用，易于维护。 另外，避免了意外接触的风险，从而可以使用比传统第三轨更高的电压。 另一个优点，与其他架空集电器系统相比，其对于所需安装高度的灵活性，使其特别适用于隧道。正是这个功能导致它被越来越多地用于城市地下系统以及其他地下铁路线。

本文介绍了马德里中心（CITEF-CentrodeInvestigacionenTecnologiasFerroviarias）技术大学（UPM-马德里政治大学）协助马德里地铁工程集团铁路技术研究所开展的项目研究。这个项目的目的是设计一个新的动态性能优于传统系统的硬化悬臂型材或架空导轨。这意味着运行速度可以超过110公里/小时，并且为刚性悬链线支撑的安装节省成本。这个设计为了准确性使用了ANSYS程序和弹性多体系统SEVIPACK进行模拟分析。

1理工大学工业工程技术学院机械工程系马德里

2铁路技术研究中心（CITEF - 中央铁路研究中心）。

3通讯作者：BertaSuaacute;rezEsteban，CITEF - ETSII马德里，C /Joseacute;Gutieacute;rrezAbascal n°2，ES-28006马德里，西班牙，电子邮件：citef.bsuarez@etsii.upm.es。

1.2 目前刚性悬链线的主要特点

刚性悬链线[1-4]包括一个中空的铝型材轨道，其中有一个开口作为钳子或钳子的下侧，从而夹紧铜接触线（图1）。铝轨的长度介于5到12米之间通过桁架相互连接，固定在内侧从而形成更长的跨度（高达500米），称为重叠部分，其总长度受到轨道纵向热膨胀的限制。

图.1导电轨。

每个轨道从隧道屋顶拱顶悬挂，通过可以调节垂直和横向位置的支撑件确保其正确定位。这些支撑件可能发生的纵向位移从而导致热膨胀，支撑件在重叠部分之间的距离保持不变，除了在该部分的开头，逐渐地从2米增加到其标称长度，其等于铝型材部分的长度。

在安装过程中，支架（图2）放置在两侧轨道的中心，使导轨在水平方向呈正弦形状。这种被称为“交错”的效应将磨损均匀地扩散到整个接触宽度上。

图2 支撑和导电轨

两个相邻部分之间的分离区域称为重叠区3。重叠区末端机械不连续，可以自由膨胀。这种机械不连续性是通过两个部分的横向重叠获得的，分离大约100至200mm，其出现在大约3至6m的长度上，并且导轨的端部向上弯曲，以避免与受电弓的任何突然的颠簸。

图3.重叠截面改进

1. 电流采集质量评估标准

电流采集质量取决于系统的动态行为；更大接触网的均匀性越好。同时，受电弓施加的力必须足够大，以防止接触损失，和小到足以限制磨损。欧洲铁路局同意通过统计学处理接触网与受电弓[ 8 ]之间的接触力评估目前的采集质量，

同时考虑以下参数：

bull;平均接触力，FM；

bull;接触力的标准偏差，一；

bull;最小接触力，（FM—3A）；

bull;最大接触力，（FM＋3A），

bull;持续超过0.01秒的接触损耗时间；

bull;累计接触损耗时间。

2.1 标准

评价当前收集质量的各种标准和指南以及受电弓-悬链线的相互作用，以下是值得一提的：

bull;prEN 50318 [9]：对模拟程序输入和输出进行系统化参数，以便能够评估受电弓 - 悬链线互动的模拟方法。

bull;prEN 50367 [10]：建立具有可联系性的参数，提供的系统参数必须尽可能的降低。它根据速度限制了接触力的最大值：120 N，110 km / h，135 N，140 km / h。研究的案例的最大值标准差和达到的接触损失的百分比，分别为0.3-Fm和0.2％。

bull;UIC 794-1 [11]：运用模拟程序对所提供的材料数据进行验证分析。这包括平均接触力和接触损耗百分比在110公里/小时的情况下，分别必须小于180 N和0.14％。

1. 开发高级刚性模型

考虑到其弹性行为，直接在ANSYS中建立悬链线模型。然后将该模型的力学特征导入SIMPACK，分析与受电弓的相互作用的影响，后者是被认为是具有四个自由度的刚性多体系统，其在后面段落讲述。

3.1 ANSYS中的建模

使用有限元方法建立悬链线模型，构造成三种情况：

bull;导体导轨和接触导线：导线夹紧接触线，他们之间的力相互作用，这意味将电线和导轨视为一个刚性体，其质心用

等效的铝部分计算。

bull;导体导轨，接触导线和匝线：这些部分的几何参数由连接器的来确定。然而，已经证明缰绳实际上对系统的动态性能没有影响，因此不需要考虑。

bull;弹性支撑：进行实验测试，保证弹性支承能够调整导轨的垂直刚度并允许导轨纵向移动。

通过比较研究分析参数对系统性能的影响。为此，根据各项参数对系统的影响建立相应的模型，模型将在后面描述。为了减少初始阶段得研究时间，该模型的直线跨度只有57m，双弹性支承距离从2逐渐增大到10米。Euler Bernouilli用一维梁单元来模拟轨道，和弹簧元件的支持。

结果显示，300米长的模型可以支持研究。一阶特征频率和特征模态随着模型的建立而被确定。

3.2。窗体顶端

3.2将悬链线作为弹性体引入SIMPACK

窗体顶端

完成了对悬链线的模态分析，ANSYS给出的结果是导出到SIMPACK，以便与其进行受电弓建模，如下文所述。确切地说，将质量和刚度矩阵导入SIMPACK，

建立方程定义系统整体动态性能。弹性体的位移通过叠加模式来定义，其幅度都是相对于时间计算，求解定义整个系统的动态特性方程。

其次，计算重力作用下的静力平衡作为弹性体初始变形的位置。

其他特有的刚性链的特性也在SIMPACK中建模，如阻尼、错开轨道中心线（图4）和改变重叠部分。

图4.悬链线模型，显示偏离轨道中线。

实验确定，阻尼被认为是可以忽略不计。这是包括自然阻尼应用于每一个本征模。窗体顶端

为了模拟错位，在惯性系统中定义了一系列点或标记，其位于支撑件的确定位置。在弹性体上同一纵向位置上的这些标记和等效标记之间，放置高刚度弹簧。在计算静态平衡时，弹簧的位置接触标记在惯性系统的等效点上， 弹性体变形根据需要。同样地，向上弯曲的轨道在重叠部分的一端用相同的方法定义。

在这一点上，受电弓在SIMPACK中形成了接触网弓集模型，并可以进行相应的模拟。

1. 受电弓模型的发展

在动力学研究中的受电弓 - 悬链线互动，一般侧重于后者的弹性行为，使用简单的受电弓模型是相当普遍的[5，12，13]。 根据制造商提供的数据，对受电弓的模型进行检点的微调，但是，分析之后得到意想不到的结果。最后决定自己建立一个更准确的受电弓模型。

由于仿真工具可用于建模接触网，允许弹性体用于对悬链线进行建模，选择了三维缩放模型（图5），其包括实际机构的所有特征[14].图5还显示了使用的受电弓模型的功能图[15]

窗体顶端

这个刚体模型运由动接头和力的相互作用来确定（弹簧，阻尼器等）。

主弹簧确保静态力和两个垂直弹簧用于缩放电弓头的悬挂，从而使其能够适应接触网的微小不规则。 关节中的摩擦损失能量也被考虑在内，这并经过实验调整。

由此定义的机构具有四种运动自由度：受电弓机构的升降和弹跳，受电弓头的滚动和俯仰运动（图6）。

图6.受电弓自由度：提升机构（左上），反弹（向上），滚（左下）和俯仰（右下）。

还考虑了受电弓提高机构，气动力，在110公里/小时为10 N（图7），和凸点停止限制头的俯仰运动，角度大于5^。_。

受电弓窗体顶端

受电弓空气动力学

图7. 受电弓气动力：取向“A”，顶部朝着运行方向，和 B 相反的方向。

1. 受电弓-接触网模型的发展

定义了受电弓-接触网的模型，进行静平衡计算，在纵向等速移动中调整受电弓的工作高度。

5.1.接触模型

基本上，在处理两个物体之间的接触问题时，有两种可能的选择：

bull; 这两个物体的相对位置是重要的，但不是几何形状（简单接触）；

bull; 几何有关的接触问题（“复杂”接触模型）。

在简单的模型中，接触仅仅取决于两个点或标记位于每个身体的轮廓之间的相对位置。这种接触是通过一个特殊的弹簧来连接的，它只在距离改变时才起作用，从而避免物体的相互渗透。

在复杂的模型中，计算的几何形状的身体的表面和弹簧之间的最小距离，被定义之间的移动点之间的距离。

优势:

bull; 接触点是自由地定位在电线的表面和弓头；

bull; 可以考虑每个接触带的俯仰运动；在运动积分方程中得到更均匀的结果。

为了尽可能的靠近长条形带一个大半径封闭圆柱面（图8）被用于受电弓滑 板。出于受电弓头部俯仰运动的考虑，两点接触的位置，一个位于前地带和另一 个位于后方地带。

悬链线定义为一个小球体或圆柱体的直径相同的电线（图8）。运行的悬链线的长度，总是定位在相同的纵向位置的受电弓。

接触表面

图8.接触网和受电弓的表面。

5.2.模型的其他特征

5.2.1.重叠截面变化的移动标记

这个标记，用于定义接触点，最初固定在开始的重叠部分，但不遵循受电弓，直到后者达到这个位置。然后标记跟随受电弓的纵向运动沿着重叠部分运行，到达终点时停止。

5.2.2.接触弹簧刚度的影响

在高运行速度中，接触弹簧刚度对于运动方程异常重要。另一方面，一些微弱的接触产生意想不到的结果。

我们的模型中，接触弹簧的刚度为50 000 N / M（每个受电弓头的两个）。

5.2.3。利用SIMPACK研究刚性接触网本征模的影响

虽然大量的本征模式提供了更精确的结果，由于计算机限制，因此模拟计算时间的有限。后的比较研究，

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