一种弓网系统中受电弓滑板不均匀摩擦磨损的预测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种弓网系统中受电弓滑板不均匀摩擦磨损的预测方法，该方法包括如下步骤：步骤一，基于电流密度对摩擦系数的影响、压力载荷对摩擦系数的影响以及滑动速度对摩擦系数的影响来分别构建电流密度、滑动速度、压力载荷与摩擦系数之间的关系；步骤二，忽略滑动速度变化对电流密度分布的影响，只考虑电流密度和载荷这两个影响因子并以LuGre摩擦模型为基础得到静态载流摩擦模型；步骤三，考虑滑动速度变化对电流密度分布的影响，在静态载流摩擦模型的基础上建立考虑速度趋肤效应的动态载流摩擦模型，利用考虑速度趋肤效应的动态载流摩擦模型对电弓滑板接触面的不均匀磨损进行预测。本发明专利技术的有益效果是，能够有效的预测受电弓滑板接触线间的不均匀磨损情况。测受电弓滑板接触线间的不均匀磨损情况。测受电弓滑板接触线间的不均匀磨损情况。

【技术实现步骤摘要】
一种弓网系统中受电弓滑板不均匀摩擦磨损的预测方法


[0001]本专利技术涉及高速铁路维护
，特别是一种弓网系统中受电弓滑板不均匀摩擦磨损的预测方法。

技术介绍

[0002]高速铁路在社会发展与国民经济建设中起着不可或缺的作用，其中弓网由受电弓和接触网组成，为高铁提供牵引电能，是高速铁路的重要组成部分。受电弓滑板和接触线组成一对载流摩擦副，这对摩擦副的动态载流摩擦特性严重影响着受电弓滑板与接触线的磨损与寿命。实验研究发现受电弓滑板与接触线间加载的电流密度、压力和速度都会影响其摩擦系数，因此为精确预测受电弓滑板与接触线的摩擦特性就很有必要建立与电流密度分布、压力载荷和滑板滑动速度等因素有关的弓网动态载流摩擦模型。
[0003]由于列车的高速运行，速度趋肤效应使接触线和受电弓中电流密度分布是不均匀的，受电弓与接触线内的磁扩散及电流分布集中在接触线内侧及受电弓滑板后侧，而且电流密度的分布会随着速度的增加变的愈发不均匀。现有对弓网载流摩擦模型的研究，都只是分析电流密度、速度、压力载荷对摩擦系数影响，没有考虑速度趋肤效应的影响。实际上因为弓网中受电弓与接触线中存在速度趋肤效应，使接触面的电流密度大小改变，且分布更加不均匀，从而使同一时刻不同位置的接触面间摩擦系数也不是恒定的，这也使得受电弓滑板的磨损更加不均匀。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决上述问题，设计了一种弓网系统中受电弓滑板不均匀摩擦磨损的预测方法。
[0005]实现上述目的本专利技术的技术方案为，一种弓网系统中受电弓滑板不均匀摩擦磨损的预测方法，该方法包括如下步骤：
[0006]步骤一，基于电流密度对摩擦系数的影响、压力载荷对摩擦系数的影响以及滑动速度对摩擦系数的影响来分别构建电流密度、滑动速度、压力载荷与摩擦系数之间的关系；
[0007]步骤二，忽略滑动速度变化对电流密度分布的影响，只考虑电流密度和载荷这两个影响因子并以LuGre摩擦模型为基础得到静态载流摩擦模型；
[0008]步骤三，考虑滑动速度变化对电流密度分布的影响，在静态载流摩擦模型的基础上建立考虑速度趋肤效应的动态载流摩擦模型，利用考虑速度趋肤效应的动态载流摩擦模型对电弓滑板接触面的不均匀磨损进行预测。
[0009]所述步骤一中电流密度与摩擦系数之间的关系是指摩擦系数随着电流密度的增大而不断减小的关系，其关系式如下：
[0010]μ
J
＝a0J1+a1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0011]式中，J1为试样接触面的电流密度，μ
J
为电流密度因素影响下的摩擦系数，α0和α1拟合参数。
[0012]所述步骤一中压力载荷和摩擦系数之间的关系是指压力载荷和摩擦系数之间遵循如下关系式：
[0013]μ
N
＝b0F
N
+b1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0014]式中，F
N
为压力载荷，μ
N
为压力载荷因素影响下的摩擦系数，b0和b1为拟合的参数。
[0015]所述步骤一中滑动速度和摩擦系数之间的关系是指接触面的摩擦系数会随着滑动速度的变大而增大。
[0016]所述步骤二中LuGre摩擦模型的数学表达式为：
[0017][0018]式中，F
f
(t)为动态摩擦力，v(t)为试样滑动速度，F
c
表示库仑摩擦力，v
s
表示Stribeck速度，为一个经验常数；F
s
表示最大静摩擦力，z(t)为鬃毛的平均形变；δ为一个经验常数，δ取值为2，σ0表示鬃毛刚度，σ1表示微观阻尼系数，σ2表示黏性摩擦系数，函数g(v)用来表示Stribeck效应。
[0019]所述步骤二中只考虑电流密度和载荷这两个影响因子并以LuGre摩擦模型为基础得到静态载流摩擦模型的过程是：当受电弓稳态运行时(即忽略滑动速度变化对电流密度分布的影响时)，鬃毛的平均形变假设不变，即则LuGre静态摩擦模型为：
[0020][0021]根据摩擦力为压力与摩擦系数的乘积，将(4)变形为：
[0022][0023]式中，F
N
为接触面压力，μ1为静态摩擦模型中的摩擦系数，μ
c
为库伦摩擦系数，μ
s
为最大静摩擦系数；
[0024]当受电弓的速度为v时，考虑电流密度对摩擦系数的影响，引入电流密度对摩擦系数的影响因子，此时接触面的摩擦模型为：
[0025][0026]式中，F
f
为接触面间的摩擦力，μ2为考虑电流密度时接触面间的摩擦系数，μ
J
为接触面间的电流密度对摩擦系数的影响因子，其大小受到电流密度J所影响，为μ
J
初始值，a0和α1为描述摩擦系数随着接触面电流密度变化参数；
[0027]接触面的摩擦系数随着载荷的增大而减小，近似呈线性关系，引入压力载荷对摩擦系数的影响因子，此时接触面的摩擦模型为：
[0028][0029]式中，μ3为考虑电流密度变化和载荷波动的摩擦系数，μ
N
为载荷变化对摩擦系数的影响因子，b0和b1为描述摩擦系数随着载荷变化参数。
[0030]综上所述，同时考虑电流密度、压力载荷和速度的影响，得到受电弓稳态运行时的静态摩擦模型为：
[0031][0032]式中，μ4为静态载流摩擦模型中的摩擦系数。
[0033]所述步骤三中建立考虑速度趋肤效应的动态载流摩擦模型的过程为：
[0034]将矢量磁位A和标量电位作为变量并考虑运动，整个计算域可分为两个子域：动态部分(受电弓及其同一侧的空气区域)和静态部分(接触线及其同一侧的空气区域)，这两个子域分别使用移动坐标系和固定坐标系，
[0035]计算域的控制方程为：
[0036][0037]式中，v是磁导率，σ是电导率；
[0038]E和J采用运动坐标系，E和J可用A和表示为：
[0039][0040]弓网系统计算域中Γ
ij
的边界条件为：
[0041][0042]式中n是对应曲面上的外法向量，下标i和j分别表示区域Ω
i
和Ω
j
内的向量,j和j在1到3之间变化，而j总是大于i；
[0043]边界S
i
的边界条件为：
[0044][0045]式中n
i
为边界S
i
的外法向量；
[0046]应用上述计算域与边界条件建立相应运动的有限元方程，可以得出接触面上的电流分布沿着发射方向呈指数衰减，滑板尾端的电流密度大于首端电流密度；
[0047]考虑受电弓滑动速度对电流密度的影响，引入电流密度分布因子α
x
，则接触面上某点的电流密度可表示为
[0048][0049]式中J
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种弓网系统中受电弓滑板不均匀摩擦磨损的预测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一，基于电流密度对摩擦系数的影响、压力载荷对摩擦系数的影响以及滑动速度对摩擦系数的影响来分别构建电流密度、滑动速度、压力载荷与摩擦系数之间的关系；步骤二，忽略滑动速度变化对电流密度分布的影响，只考虑电流密度和载荷这两个影响因子并以LuGre摩擦模型为基础得到静态载流摩擦模型；步骤三，考虑滑动速度变化对电流密度分布的影响，在静态载流摩擦模型的基础上建立考虑速度趋肤效应的动态载流摩擦模型，利用考虑速度趋肤效应的动态载流摩擦模型对电弓滑板接触面的不均匀磨损进行预测。2.根据权利要求1所述的一种弓网系统中受电弓滑板不均匀摩擦磨损的预测方法，其特征在于，所述步骤一中电流密度与摩擦系数之间的关系是指摩擦系数随着电流密度的增大而不断减小的关系，其关系式如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)式中，为试样接触面的电流密度，为电流密度因素影响下的摩擦系数，和拟合参数。3.根据权利要求1所述的一种弓网系统中受电弓滑板不均匀摩擦磨损的预测方法，其特征在于，所述步骤一中压力载荷和摩擦系数之间的关系是指压力载荷和摩擦系数之间遵循如下关系式：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，为压力载荷，为压力载荷因素影响下的摩擦系数，和为拟合的参数。4.根据权利要求1所述的一种弓网系统中受电弓滑板不均匀摩擦磨损的预测方法，其特征在于，所述步骤一中滑动速度和摩擦系数之间的关系是指接触面的摩擦系数会随着滑动速度的变大而增大。5.根据权利要求1所述的一种弓网系统中受电弓滑板不均匀摩擦磨损的预测方法，其特征在于，所述步骤二中LuGre摩擦模型的数学表达式为：
ꢀꢀꢀꢀ
(3)式中，为动态摩擦力， v(t)为试样滑动速度， 表示库仑摩擦力， 表示Stribeck速度，为一个经验常数；表示最大静摩擦力， 为鬃毛的平均形变；为一个经验常数， 取值为2，表示鬃毛刚度，表示微观阻尼系数，表示黏性摩擦系数，函数用来表示Stribeck效应。6.根据权利要求1所述的一种弓网系统中受电弓滑板不均匀摩擦磨损的预测方法，其特征在于，所述步骤二中只考虑电流密度和载荷这两个影响因子并以LuGre摩擦模型为基
础得到静态载流摩擦模型的过程是：当受电弓稳态运行时（即忽略滑动速度变化对电流密度分布的影响时），鬃毛的平均形变假设不变，即，则LuGre静态摩擦模型为：
ꢀꢀ
(4)
·
根据摩擦力为压力与摩擦系数的乘积，将（4）变形为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)式中，为接触面压力， 为静态摩擦模型中的摩擦系数，为库伦摩擦系数，为最大静摩擦系数；当受电弓的速度为v时，考虑电流密度对摩擦系数的影响，引入电流密度对摩擦系数的影响因子，此时接触面的摩擦模型为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓旭，闫荣格，胡劲，檀世豪，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：