摘 要：本文利用Ansys軟件對板簧進(jìn)行靜力分析，計算不同載荷下板簧的受力變形情況，接下來對變形后板簧截面的氣動特性進(jìn)行數(shù)值仿真，得出板簧氣動力隨壓力的變化規(guī)律，提出合理的板簧變形控制方案，補(bǔ)償弓網(wǎng)間的接觸壓力，保證受電弓良好的受流質(zhì)量，為受電弓穩(wěn)定受流的氣動補(bǔ)償控制做出可行性預(yù)測。

關(guān)鍵詞：受電弓；板簧；翼型；氣動特性

1 引言

受電弓在高速運(yùn)行會產(chǎn)生各種空氣動力學(xué)效應(yīng)，其部件在高速氣流中會產(chǎn)生一定的氣動升力與氣動阻力，如圖1所示的板簧是臂桿與滑板的連接件，板簧能提供大阻尼及多向剛度，對弓網(wǎng)間接觸起到改善作用，同時其流線型外形，也能減小氣動噪聲。在列車運(yùn)行時，板簧要給滑板提供一定的支撐力，以維持弓網(wǎng)間的接觸力，板簧在受力后，會產(chǎn)生一定的變形量，從而使得板簧外形發(fā)生改變，在結(jié)構(gòu)上，這種變形是細(xì)微的的，但由于受電弓是在高速氣流中運(yùn)行，隨著運(yùn)行速度的提高，這種變形所帶來的空氣動力學(xué)影響會不斷增加，受電弓板簧變形控制，即通過板簧變形量產(chǎn)生的氣動力變化對弓網(wǎng)間接觸力進(jìn)行主動控制，以改善弓網(wǎng)受流。

研究板簧對受電弓高速受流的影響，即是研究板簧在高速運(yùn)行時，板簧變形后產(chǎn)生的升力及阻力對受電弓接觸壓力的影響。導(dǎo)流板的橫剖面可以視為翼型，由于板簧變形控制的控制機(jī)理是通過變形板簧帶來的氣動力變化而改善受電弓氣動特性，滿足高速受流要求。文章的基本思路就是運(yùn)用ANSYS軟件對板簧受力變形進(jìn)行數(shù)值仿真，模擬出板簧在不同受力情況下的變形情況，得到變形量之后，在FLUENT軟件中進(jìn)行建模，模擬出板簧在高速氣流中的空氣動力學(xué)特性，計算出在不同受力變形情況下板簧的氣動力，通過研究其變化規(guī)律，為受電弓板簧變形控制提供理論基礎(chǔ)。

2 板簧受力變形分析

圖2為板簧受到35N時壓力云圖，最大應(yīng)力處為板簧上板與下板連接處，且最大應(yīng)力值隨著載荷的增加而增大。

圖3為板簧受到70N 時節(jié)點(diǎn)位移圖，可以在數(shù)字上很直觀的看到板簧在受到一定載荷后發(fā)生的變形量，最大位移處為板簧與滑板及弓頭結(jié)合處，且這種變形量隨著載荷的增大而增大。在受到35N的載荷時，最大變形量約為5.883mm；當(dāng)受到70N載荷作用時，最大變形量約為11.766mm；當(dāng)受到105N載荷作用時，最大變形量約為17.701mm。

3 板簧空氣動力學(xué)仿真

3.1 仿真結(jié)果

如圖4為板簧受到70N時板簧變形后截面壓力分布云圖，通過分析可以看出，所受的風(fēng)壓峰值位置大多在前緣附近，從兩側(cè)逐漸減小。隨著載荷的增加，上板簧被壓下，外形發(fā)生變化，隨著板簧的變形，上部受到的空氣壓力增大，從而使得板簧受到鄉(xiāng)下的氣動力增大。

3.2 變形板簧升阻特性

由以上模擬結(jié)果，可以得出板簧在不同受力情況下的各種系數(shù)指標(biāo)，圖5是升力系數(shù)及阻力系數(shù)隨板簧不同受力變形后的變化圖。從圖中可以看出，升力系數(shù)隨著施力的增大而急劇減小，阻力系數(shù)基本上不變，緩慢上升。

3.3 板簧產(chǎn)生的氣動力

單個板簧在受到不同壓力的情況下，用于其變形產(chǎn)生的升力及阻力隨板簧受力的變化規(guī)律如圖6。氣動阻力基本處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)，隨著板簧受力的增加，呈現(xiàn)緩慢的上升趨勢，而升力變化則不同，隨著板簧受力的增加，向下的負(fù)升力急劇增大。

4 板簧控制機(jī)理

板簧用于高速受電弓氣動補(bǔ)償控制主要是從接觸力與板簧的變形直接導(dǎo)致升力變化來考慮的。

直接以平均接觸力為參照，把實際接觸力與平均接觸力的差值作為補(bǔ)償控制的反饋量，需要一個把接觸力變化轉(zhuǎn)換為板簧受力變形變化的控制機(jī)構(gòu)，而且接觸力變化與板簧受力之間的增益系數(shù)需要滿足接觸力控制目標(biāo)的要求。圖7是變形板簧運(yùn)用于弓網(wǎng)接觸力補(bǔ)償控制原理圖，在受電弓的運(yùn)行過程中，由于受到外界因數(shù)的干擾以及接觸網(wǎng)線本省固有的特性，弓網(wǎng)間接觸壓力會隨著時間的變化而呈現(xiàn)周期性的變化，當(dāng)接觸力大于或小于標(biāo)準(zhǔn)的平均接觸壓力時，需要板簧提供一個抵消這種差異的氣動影響力。

5 結(jié)束語

本文首先利用Ansys對受電弓板簧進(jìn)行了受力變形的簡單模擬，通過模擬后的結(jié)果，在Fluent中重建板簧模型，對變形板簧在風(fēng)場中的狀況進(jìn)行模擬計算，觀察變形板簧周圍的風(fēng)場情況，從中得到板簧的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，最后再利用升阻特性公式獲得受電弓板簧隨列車高速運(yùn)行時產(chǎn)生的升力及阻力，為板簧變形控制應(yīng)用于改善受電弓受流特性提供進(jìn)行理論基礎(chǔ)。

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