田升平，張學(xué)武，關(guān)金發(fā)，陳俊卿

(1.軌道交通工程信息化國家重點(diǎn)實驗室(中鐵一院),西安 710043; 2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 611756)

1 概述

接觸線是電氣化列車受電的載體,同時又是受電弓的滑道[1]。弓網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)性能以及零部件服役情況直接影響受流質(zhì)量的好壞。近年來,電氣化鐵路現(xiàn)場時有發(fā)生接觸網(wǎng)系統(tǒng)故障,其中文獻(xiàn)[2-3]統(tǒng)計了國內(nèi)接觸網(wǎng)故障類型,主要是由外部環(huán)境和零部件松脫造成,其中零部件松脫又包含吊線斷裂、定位器脫落、線夾松脫等。此外,接觸網(wǎng)覆冰是電氣化鐵路系統(tǒng)中廣泛存在的問題,接觸網(wǎng)覆冰使得接觸網(wǎng)硬點(diǎn)增加,增加了弓網(wǎng)電弧,加速受電弓滑板磨耗[4]。外部環(huán)境和零部件故障會影響到接觸網(wǎng)的受流質(zhì)量,降低鐵路供電安全性與可靠性。因此,研究接觸網(wǎng)故障是保證電氣化鐵路安全運(yùn)營的重要工作,其中,故障分析所需數(shù)據(jù)的獲取至關(guān)重要。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前,對接觸網(wǎng)故障數(shù)據(jù)的獲取主要有現(xiàn)場實測和動態(tài)仿真兩種方式,其中現(xiàn)場實測僅能對故障的種類、發(fā)生位置、事后現(xiàn)象等簡單的故障表征進(jìn)行統(tǒng)計,但無法測量出故障的特征與規(guī)律;而通過弓網(wǎng)動態(tài)仿真,可以模擬弓網(wǎng)振動以及外部激勵對弓網(wǎng)的影響,為優(yōu)化弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)提供有利手段,在弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計、運(yùn)營維修階段的應(yīng)用越來越廣泛[5]。

為保證電氣化列車的安全運(yùn)營,出現(xiàn)接觸網(wǎng)故障后可以快速測量分析,接觸網(wǎng)的故障仿真分析變得尤為重要。針對接觸網(wǎng)出現(xiàn)的故障,文獻(xiàn)[6]以普速鐵路為例,闡述接觸網(wǎng)運(yùn)行中的故障原因,提出故障檢測、原因分析、故障檢修等流程。文獻(xiàn)[7-9]針對接觸網(wǎng)斷線類故障的原因、故障定位、檢測等進(jìn)行了研究,并提出改進(jìn)方案。但上述文獻(xiàn)未對各類故障對接觸網(wǎng)的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行模擬仿真,因此仿真結(jié)論無法應(yīng)用于故障的特征識別與診斷分類。文獻(xiàn)[10]針對吊弦容易發(fā)生斷裂松弛的問題,應(yīng)用LSTM網(wǎng)絡(luò)模型,吊弦的斷裂和松弛故障容易檢測。針對接觸網(wǎng)故障問題,大量文獻(xiàn)進(jìn)行模擬仿真并針對問題進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[11-12]利用有限元法建立受電弓與接觸網(wǎng)的動態(tài)仿真模型,通過仿真結(jié)果分析,結(jié)合對弓網(wǎng)系統(tǒng)的特性研究以及試驗經(jīng)驗,提出改進(jìn)弓網(wǎng)受流質(zhì)量的意見。文獻(xiàn)[13]提出了接觸線脫槽、絕緣子傾斜等四類故障的建模方法,建立接觸網(wǎng)故障模型,通過仿真計算結(jié)果研究這些故障對受流質(zhì)量的影響。文獻(xiàn)[14]分析發(fā)生故障時的弓網(wǎng)受流質(zhì)量,利用ANSYS平臺建立剛性懸掛接觸網(wǎng)以及柔性接觸網(wǎng)模型,仿真分析了諸多因素對弓網(wǎng)受流質(zhì)量的關(guān)系,同時為改善受流質(zhì)量,提出安裝彈性定位線夾的方案。除此以外,分布式設(shè)備[15]、支撐向量機(jī)[16]、故障樹分析[17]、圖像識別[18-20]等方法均在接觸網(wǎng)故障檢測或分析中得到了應(yīng)用。

綜上所述,接觸網(wǎng)故障模式分析的主要手段為機(jī)理分析與模擬仿真,而其中仿真建模的工作量大,且需要工作者對仿真原理以及計算機(jī)相關(guān)知識有深入的了解,不利用接觸網(wǎng)的運(yùn)維人員對現(xiàn)場情況做出模擬,為增加仿真的便捷度,仿真平臺的開發(fā)具有必要性,但目前尚且缺乏有效的接觸網(wǎng)故障仿真平臺。因此,有必要針對主要接觸網(wǎng)故障模式,開展接觸網(wǎng)故障仿真平臺開發(fā)研究,為接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計、魯棒性研究、故障診斷識別提供理論支持。

3 故障仿真平臺構(gòu)架原理

根據(jù)不同的接觸網(wǎng)設(shè)計參數(shù)與接觸網(wǎng)故障信息,利用數(shù)學(xué)模型和有限元方法,實現(xiàn)接觸網(wǎng)故障的模擬分析。

根據(jù)故障的機(jī)理特征以及數(shù)學(xué)特征,將接觸網(wǎng)主要故障分為4類,如表1所示,分別是異物類故障、斷線類故障、線夾松脫類故障以及棘輪卡滯類故障。不同類別故障的等效數(shù)學(xué)模型不同,而同類故障中的不同故障數(shù)學(xué)模型也不盡相同。

表1 主要故障分類與等效方法

異物類故障為接觸網(wǎng)受環(huán)境影響而隨機(jī)發(fā)生的故障,主要為異物在接觸網(wǎng)上的依附;斷線類故障為接觸網(wǎng)的附加設(shè)備由于環(huán)境腐蝕或振動疲勞等原因造成的失效;線夾松脫類故障為連接件的部位失效;棘輪卡滯失效表現(xiàn)為接觸線或承力索的張力變小,影響接觸網(wǎng)幾何形態(tài)與弓網(wǎng)性能。上述故障包含了大部分的弓網(wǎng)故障模式,為本文仿真平臺所研究的范圍。

根據(jù)以上故障類別及等效方法,采用模塊化設(shè)計方法搭建故障仿真平臺,如圖1所示,本平臺的輸入端為接觸網(wǎng)設(shè)計參數(shù)與模擬故障信息,輸出端為接觸網(wǎng)故障的仿真分析結(jié)果。包含了2種有限元求解模塊,分別是標(biāo)準(zhǔn)接觸網(wǎng)模型靜態(tài)求解模塊與故障接觸網(wǎng)模型動態(tài)求解模塊;以及5種數(shù)據(jù)交互模塊,分別是接觸網(wǎng)參數(shù)設(shè)置模塊、接觸網(wǎng)材料設(shè)置模塊、故障定義模塊、弓網(wǎng)動態(tài)參數(shù)分析模塊以及接觸網(wǎng)特征參數(shù)分析模塊。平臺首先通過接觸網(wǎng)參數(shù)設(shè)置模塊與接觸網(wǎng)材料設(shè)置模塊構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的接觸網(wǎng)模型;其次通過故障定義模塊將需要模擬的接觸網(wǎng)故障信息導(dǎo)入已構(gòu)建的接觸網(wǎng)模型中,以此實現(xiàn)故障狀態(tài)下的接觸網(wǎng)模型構(gòu)建;根據(jù)故障狀態(tài)下的接觸網(wǎng)模型,完成相應(yīng)的仿真以獲取接觸網(wǎng)故障特征數(shù)據(jù),并對故障特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計與輸出。

圖1 平臺組成模塊及計算流程Fig.1 Simulation platform components and calculation process

4 故障仿真平臺功能介紹

接觸網(wǎng)故障仿真平臺可實現(xiàn)正常及故障工況下的弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)仿真。包括接觸網(wǎng)模型定義模塊、接觸網(wǎng)三維建模模塊、材料定義模型、靜力學(xué)求解模塊、受電弓模型定義模塊、風(fēng)與覆冰定義模塊、故障模型定義模塊、求解方式選擇模塊、結(jié)果處理模塊、動態(tài)參數(shù)顯示分析模塊和傳感器參數(shù)(模擬加速度或張力參數(shù))加載及顯示分析模塊等組成。能夠?qū)崿F(xiàn)不同設(shè)計參數(shù)的接觸網(wǎng)、不同參數(shù)的受電弓、不同外部條件和多重故障模式的接觸網(wǎng)動力學(xué)模擬與響應(yīng)分析。

4.1 弓網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置界面如圖2所示,包括兩部分內(nèi)容。

圖2 接觸網(wǎng)、受電弓基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置模塊Fig.2 Basic parameter setting module of OCS and pantograph

(1)接觸網(wǎng)設(shè)置。在接觸網(wǎng)參數(shù)設(shè)置模塊中,輸入接觸網(wǎng)設(shè)計參數(shù),定義接觸網(wǎng)的幾何形態(tài)。該參數(shù)包含了定義多個錨段接觸網(wǎng)的坡度、跨距、跨數(shù)、結(jié)構(gòu)高度、彈性吊索位置等所有的接觸網(wǎng)相關(guān)設(shè)計參數(shù),并實現(xiàn)了每一個跨距內(nèi)的設(shè)計差異化。同時,用戶可根據(jù)材料特性進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,進(jìn)行靜力學(xué)模型求解,并在此基礎(chǔ)上生成接觸網(wǎng)三維數(shù)字模型。

(2)受電弓設(shè)置。該部分對受電弓進(jìn)行選型,設(shè)置模型參數(shù)。為后續(xù)弓網(wǎng)動態(tài)仿真做好基礎(chǔ)設(shè)置。

4.2 故障參數(shù)設(shè)置

根據(jù)用戶需要模擬外部條件或故障工況,如圖3所示,該部分包含兩部分。

圖3 故障參數(shù)設(shè)置模塊Fig.3 Fault parameter setting module

(1)風(fēng)與覆冰。該部分可對覆冰厚度,風(fēng)速風(fēng)向進(jìn)行設(shè)置,通過模擬得到接觸網(wǎng)在覆冰和風(fēng)載荷等外部因素作用下的動態(tài)情況。

(2)故障工況。故障模式選擇是本次仿真平臺開發(fā)的重要功能之一。可定義異物、斷線類、線夾松脫類以及棘輪卡滯等故障模式。在動態(tài)求解模塊中,根據(jù)接觸網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型及故障定義,建立接觸網(wǎng)故障仿真模型。

為準(zhǔn)確獲取并分析接觸網(wǎng)故障狀態(tài)下的故障位置等參數(shù),通過在對應(yīng)故障類型的位置欄選擇傳感器加載位置提取仿真時間內(nèi)的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.3 仿真結(jié)果分析

以上基礎(chǔ)參數(shù)選擇完畢后,可根據(jù)需要選擇要進(jìn)行的仿真類型,通過設(shè)置的受電弓運(yùn)動步長以及仿真時間進(jìn)行接觸網(wǎng)動力學(xué)仿真或弓網(wǎng)動態(tài)仿真,最終得到不同傳感器測量的加速度以及張力仿真數(shù)據(jù),如圖4所示。

圖4 加速度參數(shù)顯示分析模塊Fig.4 Acceleration parameter display and analysis module

5 故障仿真算例

為驗證仿真平臺的可實現(xiàn)性,選擇其中2個典型故障模式進(jìn)行算例分析,其基礎(chǔ)模型參數(shù)如表2所示。

表2 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)模型相關(guān)參數(shù)

5.1 吊弦斷裂故障

選取吊弦斷裂作為典型故障進(jìn)行分析,本次故障選在10號吊弦(距第一定位點(diǎn)79 m處,圖5虛線所示),研究吊弦斷裂正下方(位置2),并在吊弦兩側(cè)的第1定位點(diǎn)(位置1)、第2定位點(diǎn)(位置2)處加裝模擬傳感器以采集加速度變化情況。如圖5中紅色圓點(diǎn)所示。

圖5 接觸懸掛預(yù)配形狀Fig.5 Pre-configured catenary shape

由圖6可以觀察出吊弦發(fā)生斷裂故障時給接觸網(wǎng)帶來的影響,從故障發(fā)生時刻起,發(fā)生吊弦故障處加速度變化最大,隨著時間的變化呈現(xiàn)衰減趨勢,距離故障位置越遠(yuǎn),垂向振動越不明顯,如位置1、位置3所示。

圖6 吊弦斷裂故障垂向加速度傳感器仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of vertical acceleration sensor for suspension string fracture fault

5.2 定位器鉤環(huán)脫落故障

選取定位器鉤環(huán)脫落故障進(jìn)行分析,發(fā)生故障于5號定位器,距離錨段起點(diǎn)位置200 m處,如圖7中所示的位置1。研究發(fā)生鉤環(huán)脫落故障處的加速度變化以及其后6、7號定位器位置的加速度變化情況,如圖7中位置2、3所示。

圖7 接觸懸掛預(yù)配形狀Fig.7 Pre-configured catenary shape

由圖8得出Z軸方向(拉出值方向)數(shù)據(jù),位置1加速度傳感器水平方向數(shù)據(jù)的最大加速度為-32.59 m/s2;位置2加速度傳感器水平方向數(shù)據(jù)的最大加速度為-4.8 m/s2;位置3加速度傳感器水平方向數(shù)據(jù)的最大加速度為-3.4 m/s2。可以看到鉤環(huán)發(fā)生故障時,拉出值方向加速度變化明顯,X與Y方向(線路方向和垂直方向)變化波動較小,如圖9所示。

圖9 定位器鉤環(huán)故障X、Y方向加速度傳感器仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of X and Y direction acceleration sensors of the steady arm shackle fault

比較兩組算例可知,吊弦斷線故障與定位鉤環(huán)故障在故障特征上有很大不同,相較于定位器鉤環(huán)故障,吊弦斷線時故障點(diǎn)附近的加速度小很多,且加速度的衰減也快很多,因此,可以通過故障數(shù)據(jù)將兩種故障模式區(qū)分開來,說明本仿真平臺能夠?qū)Σ煌愋偷慕佑|網(wǎng)故障進(jìn)行很好的區(qū)分。

6 結(jié)論

將不同類型的接觸網(wǎng)故障進(jìn)行力學(xué)等效,并采用模塊化設(shè)計的方法構(gòu)建仿真平臺。首先對接觸網(wǎng)進(jìn)行基礎(chǔ)模型搭建,并在此基礎(chǔ)上模擬主要接觸網(wǎng)故障模式,同時提取故障發(fā)生時的關(guān)鍵信息,以更加直觀、便捷的方式反映故障發(fā)生時接觸網(wǎng)動態(tài)參數(shù)以及形態(tài)的變化。

通過吊弦斷裂以及定位鉤環(huán)脫落兩類故障類型計算案例說明了仿真平臺生成的數(shù)據(jù)合理有效。當(dāng)?shù)跸野l(fā)生斷裂故障時從故障發(fā)生時刻起,吊弦故障處加速度變化最大,隨著時間的變化呈現(xiàn)衰減趨勢,距離故障位置越遠(yuǎn)垂向振動越不明顯;定位器鉤環(huán)脫落時,拉出值方向加速度變化明顯,線路方向和垂直方向變化波動較小;兩個算例表現(xiàn)出了不同故障類型對接觸網(wǎng)產(chǎn)生的不同影響。

目前,該平臺既支持故障工況的接觸網(wǎng)動力學(xué)仿真,也支持故障工況的弓網(wǎng)動態(tài)仿真,通過本平臺產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)能夠為接觸網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計、魯棒性分析提供理論支撐,結(jié)合現(xiàn)場的參數(shù)采集設(shè)備,能夠產(chǎn)生故障診斷、故障預(yù)警方面的應(yīng)用,本平臺具有一定的實用價值。