بخشی از مقاله
چکیده
برقیکردن راهآهن یکی از مراحل ارتقا راهآهن براي حمل و نقل بیشتر و سریعتر بار و مسافر به صورت اقتصاديتر است.سیستم انتقال انرژي راه آهن برقی از دو قسمت اصلی شبکه بالاسري و پانتوگراف تشکیل شده است. شبیه سازي عددي سیستم هاي به هم متصل پانتوگراف وشبکه بالاسري میتواند دید بهتري از برهم کنش آن دو داده و باعث اصلاح طراحی سیستم به منظور جلوگیري از قوس الکتریکی و قطعی تماس شود. در این مقاله شبکه بالاسري به صورت تیر اویلر - برنولی و پانتوگراف نیز به صورت مجموعه اي متشکل از جرم، فنر و دمپر در نظر گرفته شدهاند. با کمک روش گالرکین معادلات دیفرانسیل پاره اي حاکم بر سیستم به معادله دیفرانسیل معمولی تبدیل شده است و با استفاده از حل عددي به روش رانج-کوتا حل شده است و نتایج حاصله از سیستم نمایش داده شده است. نتایج تحلیل نشان داده است که طول بهینه اي براي شبکه بالاسري وجود دارد که در آن کمترین ارتعاشات کابل رخ میدهد.
کلمات کلیدي: قطار برقی؛ شبکه بالاسري؛ پانتوگراف؛ نیروهاي تماسی.
1. مقدمه
اولین لوکوموتیو برقی توسط فون زیمنس در سال 1879 در نمایشگاه برلین آلمان ارایه گردید و نخستین راه آهن برقی زیرزمینی در سال1890 در لندن شروع به کار کرد. در حال حاضر روسیه، چین و آلمان طولانی ترین خطوط راه آهن برقی دنیا را دارند. در قطارهاي برقی همانطور که در شکل - 1 - دیده میشود انرژي الکتریکی از شبکه بالاسري دریافت و از طریق پانتوگراف به موتورها منتقل میشود و به مصرف آنها میرسد. کیفیت حرکت پانتوگراف بستگی به ساختمان و نوع شبکه بالاسري دارد. در وسایل نقلیه که از طریق پانتوگراف انتقال برق انجام میشود، معمولا دو پانتوگراف وجود دارد که معمولا پانتوگراف جلویی به عنوان رزرو به خدمت گرفته میشود. مدلسازي عددي سیستم هاي به هم متصل پانتوگراف و شبکه بالاسري میتواند دید بهتري از برهم کنش آن دو سیستم به طراحان و سازندگان بدهد تا حتی المکان از قوس الکتریکی و قطعی تماس جلوگیري بنمایند که این کار توسط دنیل ریتزبرگ و همکاران صورت گرفته است.[1] در قدمی جلوتر والترز و همکارانش علاوه بر مدلسازي به کنترل این سیستم پرداختهاند.[2] با افزایش تماس پانتوگراف و سیم تماس انرژي الکتریکی بیشتري از شبکه بالاسري به موتور ها میرسد از این رو در پژوهشی دیگر آمبروسیو و همکارانش با بهینه سازي پارامترهاي پانتوگراف در جهت بهبود حرکت پانتوگراف قدم برداشتهاند.[3] در تحقیقی دیگر در جهت بهبود حرکت قطار برقی، ژانگ و همکارانش بر روي قطار شامل دو پانتوگراف مسیر ووان-گوانژو کار کردهاند تا فاصله بهینه بین دو پانتوگراف را بدست بیاورند.[4] در این مقاله جابجایی هاي سیم تماس، سیم حامل و پانتوگراف در سرعتهاي متفاوت و طول دهانه متفاوت بررسی شده است و طول دهانه بهینه در محدوده متعارف بدست آمده است.
در این مقاله حرکت یک پانتوگراف بر روي شبکه بالاسري شامل سیم تماس و سیم حامل مطابق شکل - - 1 شبیه سازي شده است و تاثیر پارامترهاي مختلف سیستم همانند طول دهانه شبکه بالاسري و سرعت حرکت قطار بر ارتعاشات شبکه بالاسري و پانتوگراف بررسی شده است.
شکل .1 نمایی از قطار برقی، سیستم پانتوگراف و شبکه بالاسري.
2. مدلسازي
1,2 مدلسازي شبکه بالاسري
شبکه بالاسري از دو سیم به نام هاي سیم تماس و سیم حامل - مسنجر - و سیم هاي دراپر تشکیل شده است.جهت حداقل شدن جابجایی، سیم تماس توسط دراپر ها از سیم حامل معلق شده است. در این مقاله مطابق شکل - 2 - براي مدلسازي فرض شده است که سیم تماس و حامل دو تیر اویلر- برنولی میباشند که برروي دو تکیهگاه ساده قرار داده شده اند.
شکل .2 شبکه بالاسري قطار برقی.
2,2 مدلسازي پانتوگراف
لکوموتیوهاي برقی و یا واگنهاي موتوردار، اتوبوس برقی و تراموا همگی داراي پانتوگراف میباشند و بوسیله پانتوگراف انرژي الکتریکی از شبکه بالاسري به لکوموتیو انتقال مییابد. کیفیت حرکت پانتوگراف در زیر شبکه بالاسري در اصل بستگی به ساختمان و نوع پانتوگراف و شبکه بالاسري دارد. پس لازم است متخصصین امور شبکه هاي هوایی در مورد پانتوگراف اطلاعات دقیق و کافی داشته باشند تا در هر شرایط جوي انتقال برق به خوبی صورت گیرد. انرژي لکوموتیو در صورتی بدون وقفه تأمین میشود که مابین شبکه بالاسري و پانتوگراف فاصله وجود نداشته باشد. چون این عمل باعث ایجاد قوس الکتریکی در میان شبکه و پانتوگراف و در نتیجه کاهش نیروي لکوموتیو و ایجاد شوکهاي الکتریکی در سیستم داخلی لکوموتیو میشود. از طرفی در اثر ایجاد قوس الکتریکی مداوم مابین سیم تماس و پانتوگراف هر دو گرم شده و سیم تماس در اثر گرم شدن از حالت اولیه به طرف بالا کشیده میشود و یک حالت کمانه اي به وجود میآید که شبکه را از حالت نرمال خارج کرده و باعث تخریب شبکه میشود. بنابراین به این موضوع باید توجه و دقت بیشتري شود تا از ایجاد قوس الکتریکی در زیر شبکه در هر شرایطی ممانعت گردد. پانتوگراف مورد بررسی در این تحقیق مطابق شکل - - 3 به صورت مجموعه اي متشکل از دو جرم و فنر و دمپر مدل سازي شده است. لینک پایین جرم - 2 - و لینک بالایی جرم - 1 - میباشد.
شکل .3 نمایی از پانتوگراف و مدل در نظر گرفته شده براي آن.
