郭鳳平

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,710043,西安∥工程師)

受電弓的優(yōu)化方法大體分為兩種:一種是在建立受電弓框架結構幾何關系模型的基礎上,根據(jù)列車平穩(wěn)取流對受電弓機構提出的具體要求,以弓頭平衡桿的平動為目標,以受電弓機構正常工作所要滿足的條件為約束,采用優(yōu)化技術,對受電弓機構進行優(yōu)化,最后得到使受電弓性能達到最優(yōu)的幾何參數(shù)[1];另一種是建立弓網耦合方程,利用仿真軟件進行數(shù)值模擬,先給定一組受電弓參數(shù),在改變其中一個受電弓參數(shù)的條件下,進行弓網動態(tài)振動方程的求解,利用動態(tài)受流的評價標準,得到該參數(shù)的最佳值,同理得到其它參數(shù)的最佳值,即獲得適合此種接觸網的受電弓優(yōu)化參數(shù)[2-4]。

本文采用兩種方案進行分析比較。方案一:上述第二種方法;方案二:與上述與第二種方法相似,不同之處在于,當?shù)玫绞茈姽粋€參數(shù)的優(yōu)化值后,即將該參數(shù)換成優(yōu)化值,再進行下一參數(shù)的分析,最終得到受電弓優(yōu)化參數(shù)。

首先,給定一組弓網參數(shù)[5-6]:弓頭質量10 kg,框架質量15 kg,弓頭阻尼60 N·s/m,框架阻尼60 N·s/m,弓頭剛度 7 600 N/m,框架剛度0;匯流排為PAC110型,接觸線為AgCu120型,跨距8 m;懸掛裝置是剛度為3.78×107N/m、質量為2.769 2 kg的彈簧,弓網接觸剛度82 300 N/m。再建立二元受電弓-剛性接觸網動態(tài)微分方程組,運用Newmark法編制仿真程序,利用Matlab軟件進行數(shù)值模擬仿真分析。設列車運行速度為30 m/s。

1 方案一

(1)弓頭質量的影響(見圖1)。弓頭質量小于10 kg時,接觸壓力變化較小;而當弓頭質量大于15 kg時,接觸壓力急劇變化。應將弓頭質量控制在15 kg以內。

圖1 弓頭質量的影響(方案一)

(2)框架質量的影響(見圖2)。當框架質量小于23 kg時,對接觸壓力及其不均勻系數(shù)影響較大;當框架質量大于23 kg時,對接觸壓力影響較小。而且框架質量在10～15 kg范圍內,弓網動態(tài)受流存在一個最差值,應盡量避免。

(3)弓頭阻尼的影響(見圖3)。隨著弓頭阻尼的增加,接觸壓力的最大值先減小后增大,而最小值恰恰相反。綜合接觸壓力不均勻系數(shù)及均方根曲線,弓頭阻尼為120 N·s/m左右時弓網受流最好。

(4)框架阻尼的影響(見圖4)。受電弓框架阻尼對接觸壓力的影響較大,當框架阻尼小于300 N·s/m時,最大值、壓力變化幅度和接觸壓力不均勻系數(shù)隨著阻尼的增大而減小,最小值隨著阻尼的增大而增大;當框架阻尼大于300 N·s/m時,各值變化較小。從弓網特性的綜合角度考慮,框架阻尼取400 N·s/m左右。

(5)弓頭剛度的影響(見圖5)。弓頭剛度對接觸壓力的影響較大,隨著弓頭剛度的增加,接觸壓力的最大值和不均勻系數(shù)先略有減小后迅速增大,而最小值先略有增大后快速減小,在4 600 N/m左右存在一個最佳值。

圖2 框架質量的影響(方案一)

圖3 弓頭阻尼的影響(方案一)

圖4 框架阻尼的影響(方案一)

(6)框架剛度的影響[4]。為了保證受電弓在不同的弓頭工作高度時靜接觸力恒為常值,框架剛度的理想值應為0。實際的機械結構難以嚴格實現(xiàn)這一要求,但通過對機構尺度的優(yōu)化,基本能把框架剛度控制在很小的范圍內。

綜合以上分析,方案一受電弓的最優(yōu)參數(shù)為:弓頭質量7 kg,框架質量25 kg,弓頭阻尼120 N·s/m,框架阻尼400 N·s/m,弓頭剛度4 600 N/m,框架剛度為0。

圖5 弓頭剛度的影響(方案一)

2 方案二

由于受剛度及強度的限制,受電弓的質量參數(shù)不可能過小,因此,受電弓的最優(yōu)參數(shù)應是在一定的弓頭質量和框架質量下的最優(yōu)組合。本方案采用方案一得到的弓頭質量與框架質量參數(shù)進行其他參數(shù)的優(yōu)化。在仿真分析的過程中發(fā)現(xiàn),先進行弓頭剛度的優(yōu)化效果較好,而且框架阻尼的大小對弓頭阻尼的選取影響很大。故先進行弓頭剛度的選取,再進行框架阻尼的選取,最后進行弓頭阻尼的選取。

(1)弓頭剛度的影響(見圖6)。隨著弓頭剛度的增大,最大值先減小后增大,而最小值先增大后減小,那么,必定存在一個最佳值。再根據(jù)接觸壓力不均勻系數(shù)及均方根曲線可知,當弓頭剛度為3 400 N/m時,弓網受流較好。

圖6 弓頭剛度的影響(方案二)

(2)框架阻尼的影響(見圖7)。受電弓框架阻尼對接觸壓力的影響較小,綜合各參數(shù),框架阻尼最優(yōu)參數(shù)在100 N·s/m左右。

(3)弓頭阻尼的影響(見圖8)。接觸壓力最大值先減小后增大,而最小值先增大后減小,在弓頭阻尼小于50 N·s/m范圍內存在一個最佳值。再由接觸壓力不均勻系數(shù)和均方根的曲線可知,弓頭阻尼為30 N·s/m左右時,弓網受流最好。

圖7 框架阻尼的影響(方案二)

圖8 弓頭阻尼的影響(方案二)

經過以上分析,得到方案二的受電弓最優(yōu)參數(shù)為:弓頭質量7 kg,框架質量 25 kg,弓頭阻尼 30 N·s/m,框架阻尼100 N·s/m,弓頭剛度3 400 N/m,框架剛度為0。

3 兩種方案比較

在相同的接觸網參數(shù)、列車運行速度為30 m/s條件下,運用Matlab軟件進行仿真計算,得到兩種方案下的動態(tài)抬升量和接觸壓力,如圖9所示。

圖9 兩種方案比較

計算得到兩種方案接觸壓力的相關數(shù)據(jù)如下。

可見,采用方案二獲得的受電弓優(yōu)化參數(shù),弓網受流特性相對較好。在設計弓網系統(tǒng)時,可以根據(jù)需要,合理選取受電弓參數(shù),提高弓網系統(tǒng)受流質量。

[1]劉紅嬌.受電弓機構幾何參數(shù)優(yōu)化與主動控制的研究[D].成都:西南交通大學機械工程學院,2002.

[2]梅桂明,張衛(wèi)華.受電弓垂向動力學線性化模型及特性研究[J].鐵道學報,2002(5):28.

[3]刑海軍,麻士綺,楊紹普.受電弓動態(tài)參數(shù)研究[J].振動、測試與診斷,2002(3):206.

[4]李曼,郭京波,劉尚坤.受電弓動態(tài)參數(shù)的研究[J].機械工程師,2006(3):101.

[5]梅桂明,張衛(wèi)華.剛性懸掛接觸網動力學研究[J].鐵道學報,2003(2):24.

[6]王勝.剛性懸掛自由振動特性分析[J].電氣化鐵道,2005(2):39.