基于有限元方法的靴轨系统动力学建模及参数影响规律研究

摘要

为避免城市交通拥堵给人们生活与出行带来不便，我国大部分城市已经修建了地铁，我国已成为世界上最大的城市轨道交通市场。接触轨系统因具有使用寿命长、可靠性高、维修费用低等优势，在地铁中得到了广泛应用。第三轨列车的取流设备为集电靴和接触轨，靴轨之间通过滑动接触传递电能，两者之间稳定接触是列车可靠运行的保证。靴轨接触力是评价靴轨受流质量的重要指标，接触力太大，会造成靴轨摩擦力增大，加速靴轨之间的机械磨损；接触力太小，会使靴轨之间的接触电阻增大，增加靴轨之间的电气损耗。因此，研究靴轨动态特性具有十分重要的意义。本文以靴轨系统为研究对象，建立了靴轨系统的有限元模型，研究了列车运行速度、接触轨跨距、滑靴质量、支撑刚度、接触刚度和温度等参数对靴轨接触力的影响，为保障第三轨系统的正常运行提供了理论支撑。　　首先，以靴轨系统为研究对象，利用虚位移原理，推导了集电靴的质量块模型；根据应变能和动能相等得到了接触轨支撑结构的质量块等效模型；采用罚函数算法，考虑了运动载荷等复杂边界条件，建立了精确的靴轨耦合模型。并将仿真结果和现场测量结果进行对比，验证了仿真模型的正确性和有效性。在此基础上，结合实际运营的技术需求，研究了列车运行速度、接触轨跨距、滑靴质量、支撑刚度和接触刚度等参数对靴轨接触力的影响，为提高靴轨受流质量提供了理论支撑。　　其次，由于靴轨间的接触压力与支撑结构、定位装置的高度变化和运行速度等多种因素有关，分析了接触轨的静力特性和模态特性，结果表明：和等跨布置的接触轨相比，不等跨布置的接触轨挠度变化更均匀，更利于靴轨受流。　　最后，研究了温度变化对靴轨受流质量的影响。在之前建立的靴轨系统有限元模型上，考虑不同的温度载荷的影响，研究不同温度场中的集电靴-接触轨动态性能。研究结果表明：在绝缘支架卡死的情况下，随着接触轨温度的升高，接触轨挠度逐渐增大；当温度变化大于等于20℃时，支架反力将会使绝缘支架发生破坏；随着绝缘支架破坏程度的增加，靴轨动态受流质量也越差。

目录

声明

目 录

第1章绪论

1.1 课题的背景与意义

1.2 靴轨受流系统国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.3 研究内容

第2章集电靴与接触轨系统仿真模型建立

2.1 第三轨受流系统

2.1.1 接触轨

2.1.2 集电靴

2.2有限元分析方法

2.3 基于有限元的接触轨系统模型

2.3.1 钢铝复合接触轨模型

2.3.2 接触轨支撑结构等效模型

2.3.3 接触轨中间接头和膨胀接头模型

2.4 集电靴力学模型

2.5 靴轨耦合动力学模型

2.6 本章小结

第3章接触轨静态特性及模态特性

3.1 接触轨的静力特性

3.1.1 等跨布置时接触轨挠度曲线

3.1.2 不等跨布置时接触轨挠度曲线

3.2 接触轨模态特性

3.3 本章小结

第4章集电靴和接触轨的动态特性分析

4.1 集电靴/接触轨系统受流质量评价指标

(1) 静态方面

(2) 动态方面

4.2 靴轨系统模型的验证

4.3 集电靴结构参数对靴轨动力特性的影响

4.3.1 滑靴质量对接触力的影响

4.3.2 集电靴刚度对靴轨接触力的影响

4.3.3 集电靴阻尼对靴轨接触力的影响

4.4 接触轨结构参数对靴轨动力特性的影响。

4.4.1 跨距对靴轨接触力的影响

4.4.2 支撑刚度对靴轨接触力的影响

4.5 接触刚度对靴轨接触力的影响

4.6 静态抬升力对靴轨动力特性的影响

4.7 列车运行速度对靴轨动力特性的影响

4.8 温度变化对靴轨动力特性的影响

4.8.1温度对接触轨影响研究

4.8.2接触轨挠度分析

4.8.3绝缘支架应力分析

4.8.4绝缘支架破坏后的动态分析

4.9 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果