馬果壘，姚念良，宋 瑤，吳榮平

（北京賽德高科鐵道電氣科技有限責(zé)任公司，北京100176）

高速電氣化鐵路的關(guān)鍵技術(shù)之一是如何保證在高速運(yùn)行條件下具有良好的受流質(zhì)量，即在列車高速運(yùn)行時(shí)保持穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)受流。為了獲得穩(wěn)定的受流，受電弓的弓頭滑板與接觸線之間要有一定的接觸壓力。

同時(shí)為了提高列車運(yùn)輸能力，需要采用大編組形式。在編組形式下，高速列車采用多弓運(yùn)行，這就出現(xiàn)了多弓作用下的弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問題。

委內(nèi)瑞拉鐵路高速客運(yùn)專線是中國為南美國家委內(nèi)瑞拉總承包設(shè)計(jì)的高速客運(yùn)專線，其動(dòng)車組也由國內(nèi)提供，此項(xiàng)目不僅要求采用雙弓運(yùn)行，而且要求采用3弓受流。同時(shí)根據(jù)其運(yùn)行的特點(diǎn)，其多弓運(yùn)行的弓間距為100m。動(dòng)車組最大運(yùn)行速度為220km／h，最大試驗(yàn)速度為250km／h。

目前，國內(nèi)DSA250受電弓已進(jìn)行過大量的單弓和雙弓受流的研究和實(shí)際運(yùn)用［1－4］。而在國內(nèi)運(yùn)行時(shí)其弓間距為200m，在小弓間距下，多弓運(yùn)行200km／h以上，沒有成功運(yùn)用的先例。而且國內(nèi)沒有進(jìn)行過3弓受流的應(yīng)用與研究。

本文利用DSA250受電弓結(jié)合委內(nèi)瑞拉鐵路接觸網(wǎng)參數(shù)，對弓網(wǎng)受流特性進(jìn)行全面的研究。通過研究委內(nèi)瑞拉接觸網(wǎng)下的DSA250受電弓受流特性，為設(shè)計(jì)者提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，保證列車的正常運(yùn)行，具有重要的指導(dǎo)意義。

1 模型建立

1.1 受電弓建模

DSA系列受電弓是性能優(yōu)異的受電弓，廣泛安裝在機(jī)車和動(dòng)車組上。DSA250受電弓由弓頭、框架、底架和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)4部分組成，框架又由上導(dǎo)桿、上臂桿、下臂桿和下導(dǎo)桿等桿件組成，各桿件通過鉸接連接在一起。底架支持框架，通過絕緣子固定在車頂上，框架通過升弓裝置支持弓頭，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作用于下臂桿來實(shí)現(xiàn)升弓動(dòng)作，見圖1。

在進(jìn)行仿真時(shí)，對于受電弓多采用3質(zhì)量—阻尼—彈簧模型。桿件模型轉(zhuǎn)化為3質(zhì)量—阻尼—彈簧模型根據(jù)能量守恒定律得出。

本文仿真用的DSA250受電弓的3質(zhì)量塊模型，見圖1，其具體參數(shù)由受電弓制造商提供。

圖1 DSA250受電弓實(shí)物與三質(zhì)量塊模型

1.2 接觸網(wǎng)建模

委內(nèi)瑞拉接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償簡單鏈型懸掛，其正線跨距為60m，見圖2。具體參數(shù)由設(shè)計(jì)部門提供，見表1和表2。

圖2 委內(nèi)瑞拉接觸網(wǎng)型式

表1 委內(nèi)瑞拉接觸網(wǎng)主要參數(shù)

表2 委內(nèi)瑞拉接觸網(wǎng)主要質(zhì)量參數(shù) kg

接觸網(wǎng)是由一種索、纜結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在將接觸線通過吊弦懸掛在承力索上時(shí)，接觸線在初始張力和自身重力的作用下，將會產(chǎn)生一定的自然弛度。此時(shí)，為保證接觸線在整個(gè)跨距內(nèi)對軌面的高度一致，則需要相應(yīng)的調(diào)整吊弦長度［5］。

圖3 接觸網(wǎng)有限元模型

圖4 現(xiàn)實(shí)平衡態(tài)的接觸網(wǎng)模型

在有限元軟件中，基于負(fù)弛度法建模，見圖3，經(jīng)過一步初始平衡計(jì)算后，接觸網(wǎng)達(dá)到現(xiàn)實(shí)平衡態(tài)，見圖4。

1.3 弓網(wǎng)耦合仿真模型

利用前面建立的受電弓模型和接觸網(wǎng)模型，就可以進(jìn)行弓網(wǎng)耦合仿真分析［8］，見圖5。

用ANSYS模擬弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)耦合有兩大難點(diǎn)：①弓網(wǎng)接觸屬于動(dòng)態(tài)接觸，時(shí)而接觸，時(shí)而分開，且接觸或分開是突然變化的；②弓網(wǎng)間有很大的相對滑動(dòng)，即弓網(wǎng)接觸點(diǎn)不固定，隨列車的移動(dòng)而變化。

圖5 基于ANSYS的弓網(wǎng)耦合仿真模型

ANSYS允許接觸非線性分析過程中接觸狀態(tài)的變化，且程序能自動(dòng)檢測到某時(shí)刻接觸與否?？赏ㄟ^單元關(guān)鍵字KEYOPT來選擇接觸模型（法向單邊接觸、粗糙接觸、不分開的接觸和綁定接觸）。利用單元生死技術(shù)對受電弓各節(jié)點(diǎn)施加水平位移可以實(shí)現(xiàn)對弓沿線移動(dòng)這一過程的描述。

利用得到的弓網(wǎng)耦合仿真模型就可以進(jìn)行弓網(wǎng)仿真分析［6］。

同時(shí)在仿真的過程中，對于所有的受電弓根據(jù)EN 50367標(biāo)準(zhǔn)7.2章要施加一個(gè)抬升力，同時(shí)參考DSA250受電弓的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果。這個(gè)抬升力取決于速度。表3列出了對于不同仿真速度下的抬升力。

表3 仿真時(shí)受電弓抬升力

其具體計(jì)算過程如下：

（1）建模。分別建立接觸網(wǎng)模型和受電弓模型，利用接觸對單元建立弓網(wǎng)耦合模型；

（2）靜態(tài)求解。利用單元生死技術(shù)，考慮重力、張力的作用，得到接觸網(wǎng)、受電弓的現(xiàn)實(shí)平衡態(tài)；

（3）動(dòng)態(tài)求解。對受電弓施加位移模擬受電弓沿著接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，得到弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流結(jié)果；

（4）后處理。提取出接觸力和滑板豎向位移的時(shí)基曲線。

1.4 接觸力評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

對于每個(gè)仿真結(jié)果，進(jìn)行下面的統(tǒng)計(jì)：

力的平均值Fm

標(biāo)準(zhǔn)偏差σ

最大的統(tǒng)計(jì)值Fm＋3σ

最小的統(tǒng)計(jì)值Fm－3σ

最大壓力值Fmax

最小壓力值Fmin

根據(jù)EN 50367標(biāo)準(zhǔn)臨界值考慮為超出下列界限的那些值：

標(biāo)準(zhǔn)偏差σ≤0.3×Fm

根據(jù)EN 50119《鐵路設(shè)施 固定裝置電氣牽引架空接觸線》標(biāo)準(zhǔn)，以下面的值作為界限：

接觸力最大值 ≤350N

接觸力最小值 ＞0N＊＊國內(nèi)最小值標(biāo)準(zhǔn)為20N。

統(tǒng)計(jì)的最小接觸力Fm－3σ＞0N＊＊國內(nèi)最小值標(biāo)準(zhǔn)為20N。

對于“最大接觸線抬升量”的值，根據(jù)EN 50367標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定限界：

最大接觸線抬升量 ＜120mm

對于超過限值的數(shù)值用紅色標(biāo)出。

2 計(jì)算結(jié)果的比較

2.1 單弓250km／h仿真結(jié)果

為驗(yàn)證仿真的正確性，進(jìn)行單弓受流的仿真，并與DSA250受電弓的實(shí)際使用情況進(jìn)行比較。表4為仿真數(shù)據(jù)，圖6為仿真曲線。

表4 單弓250km／h時(shí)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖6 單弓250km／h速度下接觸力曲線

從表4和圖6中可以看出DSA250受電弓在委內(nèi)瑞拉接觸網(wǎng)下單弓受流時(shí)能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)限值，這與實(shí)際線路運(yùn)行的結(jié)果一致。

2.2 雙弓受流分析

2.2.1 弓間距100m，速度220km／h雙弓仿真結(jié)果

按照委內(nèi)瑞拉客運(yùn)專線的要求，設(shè)定弓間距為100m，進(jìn)行雙弓受流仿真。

從表5和圖7中可以看出DSA 2 5 0受電弓在委內(nèi)瑞拉接觸網(wǎng)下，弓間距100m，雙弓受流220km／h時(shí)接觸力能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)限值，接觸力沒有出現(xiàn)小于20N的情況。而且后弓振蕩明顯大于前弓。

這說明在委內(nèi)瑞拉接觸網(wǎng)下，弓間距100m時(shí)，完全可以滿足雙弓運(yùn)行220km／h速度等級。

2.2.2 弓間距100m，速度250km／h雙弓仿真結(jié)果

表5 弓間距100m，速度220km／h雙弓仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖7 弓間距100m，速度220km／h雙弓接觸力曲線

表6 弓間距100m，速度250km／h雙弓仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從表6和圖8中可以看出：在弓間距100m，速度250km／h下，雙弓受流接觸力偏差值σ超出標(biāo)準(zhǔn)限值，而且接觸網(wǎng)最小值有小于20N的情況出現(xiàn)，但是沒有出現(xiàn)離線，即接觸力為零的情況。而且后弓振蕩大于前弓。

這說明在委內(nèi)瑞拉接觸網(wǎng)下，弓間距100m時(shí)，不建議雙弓受流持續(xù)運(yùn)行在250km／h速度下，但是可以滿足試驗(yàn)的要求。

圖8 弓間距100m，速度250km／h雙弓接觸力曲線

2.3 3弓受流分析

2.3.1 弓間距100m，速度220km／h 3弓仿真結(jié)果

按照委內(nèi)瑞拉客運(yùn)專線的要求，設(shè)定弓間距為100 m，進(jìn)行3弓受流仿真。

表7 弓間距100m，速度220km／h 3弓仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從表7和圖9中可以看出：在弓間距100m，速度220km／h下，3弓受流接觸力滿足標(biāo)準(zhǔn)限值，接觸力沒有出現(xiàn)小于20N的情況。而且中間弓和后弓的振蕩要大于前弓。

這說明在委內(nèi)瑞拉接觸網(wǎng)下，弓間距100m時(shí)，完全可以滿足3弓運(yùn)行220km／h速度等級。

2.3.2 弓間距100m，速度250km／h 3弓仿真結(jié)果

圖9 弓間距100m，速度220km／h 3弓接觸力曲線

表8 弓間距100m，速度250km／h 3弓仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖10 弓間距100m，速度250km／h 3弓接觸力曲線

從表8和圖10中可以看出：在弓間距100m，速度250km／h下，3弓受流接觸力偏差值σ超出標(biāo)準(zhǔn)限值，而且接觸網(wǎng)最小值有小于20N的情況出現(xiàn)，但是沒有出現(xiàn)離線，即接觸力為零的情況。而且后弓振蕩大于前弓。

這說明在委內(nèi)瑞拉鐵路接觸網(wǎng)下，弓間距100m時(shí)，不建議3弓受流持續(xù)運(yùn)行在250km／h速度下，但是可以滿足試驗(yàn)的要求。

綜合以上結(jié)果可知在委內(nèi)瑞拉鐵路接觸網(wǎng)下，弓間距為100m，動(dòng)車組最大運(yùn)行速度可達(dá)220km／h，最大試驗(yàn)速度可達(dá)250km／h。

3 結(jié)論

本文結(jié)合委內(nèi)瑞拉鐵路項(xiàng)目，利用有限元技術(shù)，借助“接觸對”模擬弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)行為，對多弓受流弓間距進(jìn)行優(yōu)化研究，得出了有益的成果。

（1）DSA250受電弓在委內(nèi)瑞拉鐵路接觸網(wǎng)下單弓受流250km／h時(shí)完全滿足標(biāo)準(zhǔn)限值，這與國內(nèi)實(shí)際線路運(yùn)行時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果一致；

（2）多弓受流時(shí)，接觸網(wǎng)波動(dòng)對后弓有影響，容易造成后弓離線而且不同的弓間距對后弓受流具有不同的影響效果；

（3）弓間距為100m，動(dòng)車組最大運(yùn)行速度可達(dá)220 km／h，最大試驗(yàn)速度可達(dá)250km／h。

在設(shè)計(jì)開發(fā)的前期進(jìn)行基礎(chǔ)的研究，提高了設(shè)計(jì)的效率。

［1］周 寧，張衛(wèi)華.雙弓作用下的弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)性能［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，44（4）：552－557.

［2］馬果壘，馬 君，等.基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的受電弓參數(shù)優(yōu)化［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31（4）：15－21.

［3］馬果壘.受電弓系統(tǒng)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2009.

［4］張衛(wèi)華.機(jī)車車輛動(dòng)態(tài)模擬［M］.北京：中國鐵道出版社，2006：293－336.

［5］李瑞平，周 寧，等.初始平衡狀態(tài)的接觸網(wǎng)有限元模型［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，44（5）：732－737.

［6］周 寧，張衛(wèi)華.基于直接積分法的弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能仿真分析［J］.中國鐵道科學(xué)，2008，29（6）：71－76.