受電弓滑板動態受流受熱仿真分析

劉 吉，張衛華，周 寧，王江文，鄒 棟，黃冠華

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受電弓滑板動態受流受熱仿真分析

劉 吉，張衛華，周 寧，王江文，鄒 棟，黃冠華

將流入受電弓的電流通過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拉出值情況下滑板的溫度動態分布規律，并結合某地鐵線路實測數據進行對比分析，驗證了該模型及仿真方法的可靠性。

受電弓；滑板；動態受流；溫度

0 引言

受電弓-接觸網系統為列車運行提供電能，受電弓與接觸網在滑動接觸過程中完成取流，因此，弓網受流質量對列車運行的安全性和可靠性具有重要影響。弓網受流質量受到力、機械、電氣和材料等多種因素的影響，電氣化鐵路弓網系統動態受流過程中的動力學特性、氣動特性、電接觸及溫度特性相互制約、相互作用，涉及多個物理場的相互耦合和交叉，僅從傳統的動力學角度研究分析已顯不足。而傳統的弓網受流問題研究主要致力于研究并解決其動力學和電接觸問題，對弓網進行熱分析的研究則較少。

文獻[1]研究了弓網靜態電接觸時穩態的熱分析和滑動電接觸的暫態熱效應，以及電弧作用下的瞬態熱分析；文獻[2]分析與計算了弓網系統在摩擦條件下滑板的溫度；文獻[3]研究建立了弓網電接觸試驗臺溫度測量系統；文獻[4，5]基于暫態熱功率平衡原理，建立了一個針對動車組升降弓取/斷流時雙點接觸和左右滑板小離線情況下接觸線電氣暫態熱流溫升模型，得出了弓網系統單/雙點滑動電接觸的熱流分布差別；文獻[6]研究了考慮對流換熱和熱輻射作用下弓網滑動接觸溫度場的計算問題；文獻[7]對弓網系統滑動接觸區域溫度場進行仿真研究；文獻[8]分析了不同環境中不同接觸線在電弧作用下的溫度分布特性；文獻[9]對弓網系統滑動電接觸瞬態溫度場進行了仿真研究，對滑板溫度特性的進一步研究具有重要的借鑒意義。

從現有文獻研究來看，對受電弓的熱分析研究還不夠深入，多為靜態性能方面的研究，未充分考慮受電弓運行時的動態過程，而對受電弓接觸壓力-電流-溫度分布關系的深入研究是其有力補充。因此有必要對受電弓的動態受熱情況，尤其是對弓頭滑板動態熱分布規律進行研究。本文基于對滑板Z字形運動的考慮，建立受電弓滑板在接觸線電流作用下的動態受熱模型，分析受電弓在運行過程中的動態受熱情況。

1 熱源模型

在實際的弓網接觸過程中，接觸線與滑板并非完全接觸，而是通過凹凸不平的接觸斑接觸，并傳導電流。在滑板與接觸線滑動接觸過程中，也有可能發生離線，并產生電弧，且每一時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。

為了更真實地模擬和估算滑板與接觸線的接觸面積，對滑板與接觸線的接觸形式進行簡化，假設：（1）接觸線與滑板接觸良好，未發生離線，受流仿真過程中不會產生電弧；（2）接觸線與滑板接觸過程中，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。

當已知接觸壓力時，將其作為接觸線與滑板間的初始正壓力，通過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。本文通過有限元軟件Ansys Workbench計算接觸深度，計算模型如圖1所示。

圖1 受電弓滑板接觸深度計算模型

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

cos= (-)（1）

=（2）

由式（1）和式（2）可得到接觸面弧長，由此可計算接觸線與滑板的接觸面積為

=（3）

結合弓網靜態接觸電阻關系式[1]，可計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。

已知受流過程中通過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。

此時可計算出接觸面單位面積通過的熱功率—熱流密度為

=/（6）

2 仿真計算

在建立熱源模型的基礎上，為了明晰弓網受流情況下的溫度分布規律（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態滑動接觸過程中滑板的溫度分布規律。

2.1 有限元計算建模

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 弓網接觸三維模型

模型所用材料見表1。

表1 模型所用材料

為該模型施加接觸壓力，計算得到關系如表2所示，關系曲線如圖3所示。

表2 F-δ關系

圖3 F-δ關系曲線

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，由此可計算出接觸力與接觸電阻c關系如表3所示，關系曲線如圖4所示。

表3 F-Rc關系

圖4 F-Rc關系曲線

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的循環熱載荷作為輸入，模擬不同時刻滑板在Z字形接觸線上運動的受熱情況，如圖6所示。

圖5 滑板有限元模型

圖6 熱源在滑板上隨時間變化的位置

2.2 計算結果

為了辨識不同接觸壓力作用下滑板的溫度分布規律，計算了在電流為100 A、環境溫度為22 ℃時，滑板在接觸線拉出值300 mm范圍內，與接觸線動態滑動接觸到熱平衡時的受熱狀況，計算結果如圖7、圖8所示。

圖7 不同接觸力時碳滑板中心溫度時程曲線

圖8 初始時刻放大圖

由圖7、圖8可見，當達到穩態熱平衡時，接觸力越小溫度越高，接觸力越大溫度越低。在溫升階段，熱源經過時溫度會出現急劇升高，熱源過后，溫度急速下降，如此往復，溫度呈階梯狀上升，直至熱平衡。熱平衡時溫度波動幅度約為40 ℃。

通常，城市軌道交通弓網的靜態接觸壓力設置為60 N左右，因此，重點關注該工況下的滑板動態溫度分布情況。碳滑板上不同拉出值位置處溫升結果如圖9所示。在仿真的最后時刻，系統處于熱平衡狀態，此時碳滑板上不同位置處的溫升結果如圖10所示。

圖9 滑板不同拉出值處溫度時程曲線

圖10 穩態時滑板不同位置溫度

由圖9和圖10可見，熱平衡狀態時，滑板中心位置溫度最高，約為50 ℃，兩側溫度逐漸下降，離滑板中心越遠，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果，如圖11、圖12所示。

由圖11、圖12可知，鋁托架上溫度分布規律與碳滑板上基本一致，中心位置溫度最高，接近50 ℃，向兩側呈下降趨勢。距離中心位置300 mm處的溫度比中心位置低約18 ℃。再次對比穩態時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 穩態時鋁托架上不同位置溫度

圖13 穩態時碳滑板與托架上不同位置溫度對比

由此可以看出，穩態時碳滑板和鋁托架上溫度均以中心位置為中心，向兩邊呈對稱分布，兩邊呈下降趨勢，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的原因。

3 實驗對比

為了驗證仿真方法的可靠性，將仿真結果與實測數據進行對比。選取某地鐵線路上實測接觸壓力值（圖14）與對應電流值（圖15）的一部分。

圖14 實測接觸壓力

圖15 實測電流

實驗測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，并與實測值進行對比，對比結果如圖16所示。

圖16 托架上距中央位置400 mm處溫度結果

可以發現，仿真結果與實測結果非常接近，最大誤差不超過10%，說明了該仿真方法的可靠性和可行性。

4 結論

通過建立受電弓滑板動態接觸過程中的溫度分布模型，在已知接觸力的情況下，推導出接觸電阻，再通過加載熱載荷的方式作為受電弓滑板熱源輸入，進行了受電弓滑板動態受熱仿真分析，并基于仿真與線路試驗得出了滑板在滑動過程中的動態受熱分布規律：

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

（2）在溫升階段，當熱源經過時溫度會出現急劇升高，熱源過后溫度急速下降，如此往復，溫度呈階梯狀上升，直到熱平衡。

（3）達到熱平衡時，碳滑板和鋁托架上溫度均以中心位置為中心呈兩邊對稱分布，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）將仿真結果與實測結果進行對比，驗證了該仿真方法的可靠性。

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[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.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，碩士研究生；

張衛華，周 寧，王江文，鄒 棟.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室；

黃冠華.北京海東青機電設備有限公司。

國家自然科學基金委項目（51475391）；上海申通地鐵集團有限公司科研計劃項目（JS-KY17R036-1）。