受電弓滑板動(dòng)態(tài)受流受熱仿真分析

劉 吉，張衛(wèi)華，周 寧，王江文，鄒 棟，黃冠華

?

受電弓滑板動(dòng)態(tài)受流受熱仿真分析

劉 吉，張衛(wèi)華，周 寧，王江文，鄒 棟，黃冠華

將流入受電弓的電流通過(guò)等效電功率形式施加到接觸面，建立受電弓滑板的熱源輸入模型，分析在接觸壓力恒定并考慮接觸網(wǎng)拉出值情況下滑板的溫度動(dòng)態(tài)分布規(guī)律，并結(jié)合某地鐵線路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了該模型及仿真方法的可靠性。

受電弓；滑板；動(dòng)態(tài)受流；溫度

0 引言

受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)為列車運(yùn)行提供電能，受電弓與接觸網(wǎng)在滑動(dòng)接觸過(guò)程中完成取流，因此，弓網(wǎng)受流質(zhì)量對(duì)列車運(yùn)行的安全性和可靠性具有重要影響。弓網(wǎng)受流質(zhì)量受到力、機(jī)械、電氣和材料等多種因素的影響，電氣化鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)受流過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性、氣動(dòng)特性、電接觸及溫度特性相互制約、相互作用，涉及多個(gè)物理場(chǎng)的相互耦合和交叉，僅從傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)角度研究分析已顯不足。而傳統(tǒng)的弓網(wǎng)受流問(wèn)題研究主要致力于研究并解決其動(dòng)力學(xué)和電接觸問(wèn)題，對(duì)弓網(wǎng)進(jìn)行熱分析的研究則較少。

文獻(xiàn)[1]研究了弓網(wǎng)靜態(tài)電接觸時(shí)穩(wěn)態(tài)的熱分析和滑動(dòng)電接觸的暫態(tài)熱效應(yīng)，以及電弧作用下的瞬態(tài)熱分析；文獻(xiàn)[2]分析與計(jì)算了弓網(wǎng)系統(tǒng)在摩擦條件下滑板的溫度；文獻(xiàn)[3]研究建立了弓網(wǎng)電接觸試驗(yàn)臺(tái)溫度測(cè)量系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4，5]基于暫態(tài)熱功率平衡原理，建立了一個(gè)針對(duì)動(dòng)車組升降弓取/斷流時(shí)雙點(diǎn)接觸和左右滑板小離線情況下接觸線電氣暫態(tài)熱流溫升模型，得出了弓網(wǎng)系統(tǒng)單/雙點(diǎn)滑動(dòng)電接觸的熱流分布差別；文獻(xiàn)[6]研究了考慮對(duì)流換熱和熱輻射作用下弓網(wǎng)滑動(dòng)接觸溫度場(chǎng)的計(jì)算問(wèn)題；文獻(xiàn)[7]對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)滑動(dòng)接觸區(qū)域溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真研究；文獻(xiàn)[8]分析了不同環(huán)境中不同接觸線在電弧作用下的溫度分布特性；文獻(xiàn)[9]對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)滑動(dòng)電接觸瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真研究，對(duì)滑板溫度特性的進(jìn)一步研究具有重要的借鑒意義。

從現(xiàn)有文獻(xiàn)研究來(lái)看，對(duì)受電弓的熱分析研究還不夠深入，多為靜態(tài)性能方面的研究，未充分考慮受電弓運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，而對(duì)受電弓接觸壓力-電流-溫度分布關(guān)系的深入研究是其有力補(bǔ)充。因此有必要對(duì)受電弓的動(dòng)態(tài)受熱情況，尤其是對(duì)弓頭滑板動(dòng)態(tài)熱分布規(guī)律進(jìn)行研究。本文基于對(duì)滑板Z字形運(yùn)動(dòng)的考慮，建立受電弓滑板在接觸線電流作用下的動(dòng)態(tài)受熱模型，分析受電弓在運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)受熱情況。

1 熱源模型

在實(shí)際的弓網(wǎng)接觸過(guò)程中，接觸線與滑板并非完全接觸，而是通過(guò)凹凸不平的接觸斑接觸，并傳導(dǎo)電流。在滑板與接觸線滑動(dòng)接觸過(guò)程中，也有可能發(fā)生離線，并產(chǎn)生電弧，且每一時(shí)刻接觸斑的形式也不同，因此很難精確獲得滑板與接觸線的接觸面積。

為了更真實(shí)地模擬和估算滑板與接觸線的接觸面積，對(duì)滑板與接觸線的接觸形式進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)：（1）接觸線與滑板接觸良好，未發(fā)生離線，受流仿真過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生電弧；（2）接觸線與滑板接觸過(guò)程中，不考慮接觸線與滑板形狀的變化；（3）考慮接觸線與碳滑板接觸變形部分完全重合。

當(dāng)已知接觸壓力時(shí)，將其作為接觸線與滑板間的初始正壓力，通過(guò)有限元軟件建立受電弓滑板模型，在已知邊界條件的情況下，可以求出滑板與接觸線的接觸深度。本文通過(guò)有限元軟件Ansys Workbench計(jì)算接觸深度，計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 受電弓滑板接觸深度計(jì)算模型

圖中，為接觸線半徑，為壓入滑板中的弧長(zhǎng)，為滑板寬度。該模型中理想化認(rèn)為接觸線壓入部分與滑板完全接觸，由此可以通過(guò)已計(jì)算得到的接觸深度求得接觸面弧長(zhǎng)。

cos= (-)（1）

=（2）

由式（1）和式（2）可得到接觸面弧長(zhǎng)，由此可計(jì)算接觸線與滑板的接觸面積為

=（3）

結(jié)合弓網(wǎng)靜態(tài)接觸電阻關(guān)系式[1]，可計(jì)算得到接觸線與滑板之間的接觸電阻c為

式中，1和2分別為接觸線和滑板的電阻率。

已知受流過(guò)程中通過(guò)接觸線與滑板的電流，即可求得電阻熱流量[10]為

= (1-)2c（5）

式中，為材料損失率。

此時(shí)可計(jì)算出接觸面單位面積通過(guò)的熱功率—熱流密度為

=/（6）

2 仿真計(jì)算

在建立熱源模型的基礎(chǔ)上，為了明晰弓網(wǎng)受流情況下的溫度分布規(guī)律（尤其是滑板部分），利用Ansys Workbench有限元軟件研究滑板與接觸線動(dòng)態(tài)滑動(dòng)接觸過(guò)程中滑板的溫度分布規(guī)律。

2.1 有限元計(jì)算建模

在Ansys Workbench中建立滑板與接觸線接觸的三維模型，如圖2所示。

圖2 弓網(wǎng)接觸三維模型

模型所用材料見(jiàn)表1。

表1 模型所用材料

為該模型施加接觸壓力，計(jì)算得到關(guān)系如表2所示，關(guān)系曲線如圖3所示。

表2 F-δ關(guān)系

圖3 F-δ關(guān)系曲線

該模型中接觸線半徑= 0.006 5 m，滑板寬度= 0.05 m，電阻率[2]1= 10×10-6W·m，2= 18×10-9W·m，由此可計(jì)算出接觸力與接觸電阻c關(guān)系如表3所示，關(guān)系曲線如圖4所示。

表3 F-Rc關(guān)系

圖4 F-Rc關(guān)系曲線

在Ansys中建立滑板的有限元模型，如圖5所示。在滑板表面施加移動(dòng)的循環(huán)熱載荷作為輸入，模擬不同時(shí)刻滑板在Z字形接觸線上運(yùn)動(dòng)的受熱情況，如圖6所示。

圖5 滑板有限元模型

圖6 熱源在滑板上隨時(shí)間變化的位置

2.2 計(jì)算結(jié)果

為了辨識(shí)不同接觸壓力作用下滑板的溫度分布規(guī)律，計(jì)算了在電流為100 A、環(huán)境溫度為22 ℃時(shí)，滑板在接觸線拉出值300 mm范圍內(nèi)，與接觸線動(dòng)態(tài)滑動(dòng)接觸到熱平衡時(shí)的受熱狀況，計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 不同接觸力時(shí)碳滑板中心溫度時(shí)程曲線

圖8 初始時(shí)刻放大圖

由圖7、圖8可見(jiàn)，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡時(shí)，接觸力越小溫度越高，接觸力越大溫度越低。在溫升階段，熱源經(jīng)過(guò)時(shí)溫度會(huì)出現(xiàn)急劇升高，熱源過(guò)后，溫度急速下降，如此往復(fù)，溫度呈階梯狀上升，直至熱平衡。熱平衡時(shí)溫度波動(dòng)幅度約為40 ℃。

通常，城市軌道交通弓網(wǎng)的靜態(tài)接觸壓力設(shè)置為60 N左右，因此，重點(diǎn)關(guān)注該工況下的滑板動(dòng)態(tài)溫度分布情況。碳滑板上不同拉出值位置處溫升結(jié)果如圖9所示。在仿真的最后時(shí)刻，系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，此時(shí)碳滑板上不同位置處的溫升結(jié)果如圖10所示。

圖9 滑板不同拉出值處溫度時(shí)程曲線

圖10 穩(wěn)態(tài)時(shí)滑板不同位置溫度

由圖9和圖10可見(jiàn)，熱平衡狀態(tài)時(shí)，滑板中心位置溫度最高，約為50 ℃，兩側(cè)溫度逐漸下降，離滑板中心越遠(yuǎn)，溫度越低。距離中心位置300 mm處的溫度比中心位置低約20 ℃。同理，可以得到滑板鋁托架上的溫度結(jié)果，如圖11、圖12所示。

由圖11、圖12可知，鋁托架上溫度分布規(guī)律與碳滑板上基本一致，中心位置溫度最高，接近50 ℃，向兩側(cè)呈下降趨勢(shì)。距離中心位置300 mm處的溫度比中心位置低約18 ℃。再次對(duì)比穩(wěn)態(tài)時(shí)碳滑板和鋁托架上溫度分布，如圖13所示。

圖11 托架上不同位置處溫升曲線

圖12 穩(wěn)態(tài)時(shí)鋁托架上不同位置溫度

圖13 穩(wěn)態(tài)時(shí)碳滑板與托架上不同位置溫度對(duì)比

由此可以看出，穩(wěn)態(tài)時(shí)碳滑板和鋁托架上溫度均以中心位置為中心，向兩邊呈對(duì)稱分布，兩邊呈下降趨勢(shì)，鋁托架上的溫度略低于碳滑板上的溫度，這是由于鋁托架離熱源較遠(yuǎn)的原因。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了驗(yàn)證仿真方法的可靠性，將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。選取某地鐵線路上實(shí)測(cè)接觸壓力值（圖14）與對(duì)應(yīng)電流值（圖15）的一部分。

圖14 實(shí)測(cè)接觸壓力

圖15 實(shí)測(cè)電流

實(shí)驗(yàn)測(cè)得滑板托架上距離其中央位置400 mm處的溫度值。采用本文所述方法將熱源輸入，得到溫度的仿真值，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖16所示。

圖16 托架上距中央位置400 mm處溫度結(jié)果

可以發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果非常接近，最大誤差不超過(guò)10%，說(shuō)明了該仿真方法的可靠性和可行性。

4 結(jié)論

通過(guò)建立受電弓滑板動(dòng)態(tài)接觸過(guò)程中的溫度分布模型，在已知接觸力的情況下，推導(dǎo)出接觸電阻，再通過(guò)加載熱載荷的方式作為受電弓滑板熱源輸入，進(jìn)行了受電弓滑板動(dòng)態(tài)受熱仿真分析，并基于仿真與線路試驗(yàn)得出了滑板在滑動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)受熱分布規(guī)律：

（1）在接觸力恒定情況下，達(dá)到熱平衡時(shí)，接觸力越小溫度越高，接觸力越大溫度越低。

（2）在溫升階段，當(dāng)熱源經(jīng)過(guò)時(shí)溫度會(huì)出現(xiàn)急劇升高，熱源過(guò)后溫度急速下降，如此往復(fù)，溫度呈階梯狀上升，直到熱平衡。

（3）達(dá)到熱平衡時(shí)，碳滑板和鋁托架上溫度均以中心位置為中心呈兩邊對(duì)稱分布，中心位置溫度最高，兩邊衰減，鋁托架上的溫度略低于碳滑板上的溫度。

（4）將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該仿真方法的可靠性。

[1] 吳積欽. 受電弓_接觸網(wǎng)系統(tǒng)電接觸特性研究[D]. 西南交通大學(xué)，2009.

[2] 陳忠華，康立乾，李本君. 弓網(wǎng)系統(tǒng)受流摩擦下滑板溫度分析與計(jì)算[J]. 高壓電器，2012，48（5）：1-5.

[3] 楊洋. 弓網(wǎng)電接觸試驗(yàn)臺(tái)溫度測(cè)量系統(tǒng)研究[D]. 西南交通大學(xué)，2013.

[4] 王英. 升降弓電接觸的接觸線暫態(tài)熱流建模與驗(yàn)證[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2014，35（12）：2663-2671.

[5] 王英. 弓網(wǎng)電接觸熱流和電流傳導(dǎo)及影響規(guī)律研究[D]. 西南交通大學(xué)，2015.

[6] 李華偉. 弓網(wǎng)滑動(dòng)電接觸的電磁暫態(tài)與熱特性及控制研究[D]. 北京交通大學(xué)，2015.

[7] 潘凱元. 弓網(wǎng)系統(tǒng)滑動(dòng)接觸區(qū)域溫度場(chǎng)仿真研究[D]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2015.

[8] 郭夢(mèng)琪，王智勇，劉帥. 弓網(wǎng)電弧接觸線溫度分布仿真研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2017，36（6）：14-17.

[9] 郭鳳儀，劉帥，王智勇. 弓網(wǎng)系統(tǒng)滑動(dòng)電接觸瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真研究[J]. 電工電能新技術(shù)，2017，36（3）：29-34.

[10] Nagasawa H, Kato K, Wear mechanism of copper alloy wire sliding against iron-base strip under electric current[J]. Wear. 1998,216(2):179-183.

The current that flows into the pantograph is being imposed onto the contact face in a form of equivalent electric power for establishing of pantograph’s thermal input model and analyzing the thermal dynamic distribution regularities of the strip when the contact force is keeping constant, with consideration of overhead contact line stagger; with connection to the comparison and analysis made for the real tested data of one subway line, the reliabilities of the model and simulation method are verified.

Pantograph; strip; dynamic current collection; temperature

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.014

U225.3

B

1007-936X(2018)06-0059-05

2018-03-26

劉 吉.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，碩士研究生；

張衛(wèi)華，周 寧，王江文，鄒 棟.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；

黃冠華.北京海東青機(jī)電設(shè)備有限公司。

國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目（51475391）；上海申通地鐵集團(tuán)有限公司科研計(jì)劃項(xiàng)目（JS-KY17R036-1）。