蔡彬彬

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寧高城際軌道交通工程弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真分析

蔡彬彬

介紹了南京寧高城際軌道交通祿高段工程建設(shè)中，采用先進(jìn)的仿真手段建立高精度的接觸網(wǎng)與受電弓模型，深入研究弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)關(guān)系，通過(guò)模擬分析有效評(píng)價(jià)接觸網(wǎng)相關(guān)參數(shù)選取的合理性，為類(lèi)似工程提供借鑒。

城市軌道交通；架空接觸網(wǎng)；弓網(wǎng)關(guān)系

0 引言

采用電力牽引的列車(chē)通過(guò)受電弓從架設(shè)于線路上方的接觸網(wǎng)獲取牽引電能，在該過(guò)程中受電弓作為激勵(lì)源會(huì)引發(fā)接觸網(wǎng)振動(dòng)，致使受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸力產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，弓網(wǎng)間的力學(xué)特性隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提升也會(huì)發(fā)生顯著變化，振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)將引起受電弓離線，影響列車(chē)的取流質(zhì)量。弓網(wǎng)的接觸質(zhì)量可通過(guò)動(dòng)態(tài)接觸壓力進(jìn)行評(píng)估[1]。

以往的城市軌道交通工程中，未對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系引起足夠重視，一方面是因?yàn)槿鄙倏煽康尿?yàn)證手段，另一方面是因?yàn)樵诹熊?chē)低速行駛時(shí)，弓網(wǎng)關(guān)系所引發(fā)的問(wèn)題并不突出，接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)取值大多依賴(lài)于實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，缺乏足夠的嚴(yán)謹(jǐn)性。

南京寧高城際軌道交通工程祿高段主要為高架段，部分區(qū)段位于地下，線路最高運(yùn)行速度達(dá)120 km/h，車(chē)輛采用3輛編組，建成后將是南京市城市軌道交通線路中運(yùn)行速度最高的線路。鑒于該線路運(yùn)行速度高，前后受電弓間距小，線路復(fù)雜等特點(diǎn)，為驗(yàn)證接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)選取的合理性，在設(shè)計(jì)階段，引入了受電弓/接觸網(wǎng)耦合模擬動(dòng)態(tài)仿真軟件，借助計(jì)算機(jī)模擬手段對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，為類(lèi)似工程積累寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況及設(shè)計(jì)仿真輸入?yún)?shù)

該工程車(chē)輛采用地鐵B型車(chē)，初、近期采用3輛編組，遠(yuǎn)期采用3、4輛編組混行，速度目標(biāo)值120 km/h，雙弓運(yùn)行，雙弓間距25.12 m。與仿真相關(guān)的其他主要輸入?yún)?shù)如下：

（1）隧道外接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)。隧道外主要為高架區(qū)段，接觸網(wǎng)采用2×JT150（雙承力索）+2×CTA120（雙接觸線）的簡(jiǎn)單鏈形懸掛方式，柔性接觸網(wǎng)直線段跨距按46 m設(shè)置，拉出值為 ±200 mm，錨段長(zhǎng)度一般不超過(guò)1 200 m，導(dǎo)高按4 600 mm設(shè)計(jì)。

（2）隧道內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)。隧道內(nèi)全部采用剛性懸掛（HL2213 + CTA120），中間懸掛點(diǎn)跨距一般為8 m，錨段長(zhǎng)度一般為243 m，正弦波形布置，最大拉出值不超過(guò)250 mm，導(dǎo)高按4 040 mm設(shè)計(jì)。

柔性接觸網(wǎng)與剛性接觸網(wǎng)之間設(shè)切槽式剛?cè)徇^(guò)渡段。

2 仿真模型

2.1 仿真平臺(tái)

仿真計(jì)算中有限元模型的建立和受電弓/接觸網(wǎng)耦合模型的計(jì)算均由Ansys軟件完成。Ansys軟件是包含結(jié)構(gòu)分析、流體力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、熱場(chǎng)分析及多物理場(chǎng)耦合分析于一體的大型通用有限元分析軟件，能處理常規(guī)靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，具備線彈性、非線性分析能力，其強(qiáng)大的功能可滿足弓網(wǎng)仿真計(jì)算的需要。

2.2 受電弓模型及輸入?yún)?shù)

本次研究采用的接觸網(wǎng)為三維接觸網(wǎng)，采用六質(zhì)量受電弓模型較為合適。目前研究弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的受電弓模型一般采用歸算質(zhì)量模型[2]。近幾年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，將雙滑板模型（六質(zhì)量模型）簡(jiǎn)化為單滑板模型（四質(zhì)量模型），計(jì)算結(jié)果相差很小，且能顯著減少對(duì)計(jì)算資源的要求。所以本次研究采用的受電弓模型為四質(zhì)量模型，如圖1所示。

圖1 受電弓的四質(zhì)量研究模型

其中，c1、c2為作用于弓頭滑板支撐上的接觸壓力；0為受電弓靜態(tài)抬升力；11、12、2、3分別為四質(zhì)量塊的垂向位移；11、12、2、3分別為四質(zhì)量塊的等效質(zhì)量；11、12、2、3分別為連接部件的阻尼；11、12、2、3分別為連接部件的剛度；11、12、2、3為干摩擦力，方向分別由(2-11)、(2-12)、(3-2)、(-3)決定。

當(dāng)受電弓與單接觸線接觸時(shí)，c1、c2隨弓頭/接觸線的接觸點(diǎn)與線路中心距離s的變化而呈線性變化，如圖2所示。c1、c2可表示為

式中，總接觸壓力Fc為Fc1與Fc2之和；L為滑板兩支撐點(diǎn)的間距。

3 雙線柔性簡(jiǎn)鏈接觸網(wǎng)仿真

3.1 接觸網(wǎng)模型輸入

柔性簡(jiǎn)鏈形三維接觸網(wǎng)模型由2個(gè)錨段接觸網(wǎng)組成，前錨段為計(jì)算準(zhǔn)備段，后錨段為計(jì)算工作段，2個(gè)錨段通過(guò)錨段關(guān)節(jié)連接。接觸網(wǎng)模型如圖3所示。

圖3 柔性簡(jiǎn)鏈接觸網(wǎng)仿真模型

工作段為仿真計(jì)算的主體。工作段接觸網(wǎng)模型跨距為46 m，計(jì)算錨段共計(jì)10跨（水平）工作段。

3.2 120 km/h車(chē)速下的仿真結(jié)果

120 km/h車(chē)速下的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 柔性簡(jiǎn)鏈接觸網(wǎng)前弓接觸壓力

圖4中橫坐標(biāo)為受電弓沿線路方向的位移（m），縱坐標(biāo)為接觸壓力（N）。FNPFV1線為受電弓前弓與準(zhǔn)備段接觸線的接觸壓力；FNPFV2線為前弓與工作段接觸線的接觸壓力。

51～101 m為錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡跨，該段內(nèi)受電弓與2個(gè)錨段的接觸線均有接觸。從圖4仿真結(jié)果可以看出，在該過(guò)渡跨中，受電弓先與準(zhǔn)備段接觸線接觸，經(jīng)過(guò)過(guò)渡段及抬高段后，接觸力由大變小，逐漸脫離受電弓；而受電弓與工作段接觸線的接觸過(guò)程相反，先是未接觸，然后壓力逐漸變大，成為主工作支，受電弓順利過(guò)渡到工作段。在該過(guò)渡過(guò)程中，受電弓與接觸線始終存在接觸力，未出現(xiàn)離線的情況（即未出現(xiàn)與2支接觸線壓力同時(shí)為零的情況）。

由于與前弓相隔25.12 m，后弓經(jīng)過(guò)51 m + 25.12 m的準(zhǔn)備段、50 m的錨段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換跨、10跨每跨46 m的工作段，后弓的接觸壓力變化曲線如圖5所示。76.12～126.12 m為錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡跨，其動(dòng)態(tài)接觸壓力在錨段關(guān)節(jié)處的變化過(guò)程和前弓是一致的。

圖5 柔性簡(jiǎn)鏈接觸網(wǎng)后弓接觸壓力

表1為120 km/h車(chē)速下柔性接觸網(wǎng)接觸壓力的統(tǒng)計(jì)值。

表1 120 km/h車(chē)速下柔性接觸網(wǎng)接觸壓力統(tǒng)計(jì)值 N

4 剛性接觸網(wǎng)仿真

4.1 接觸網(wǎng)模型輸入

剛性接觸網(wǎng)采用三維建模，模型由2錨段接觸網(wǎng)組成（如圖6所示）。前錨段為準(zhǔn)備錨段，是簡(jiǎn)鏈柔性接觸網(wǎng)。受電弓開(kāi)始時(shí)位于準(zhǔn)備錨段。后錨段為工作錨段，由柔性簡(jiǎn)鏈接觸網(wǎng)/剛?cè)徇^(guò)渡段/剛性接觸網(wǎng)/剛?cè)徇^(guò)渡段/柔性簡(jiǎn)鏈接觸網(wǎng)組成。

剛?cè)徇^(guò)渡段由5 m的柔性接觸線和10 m剛?cè)徂D(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)組成。剛?cè)徂D(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度從柔性接觸線到剛性匯流排按長(zhǎng)度線性過(guò)渡。

圖6 剛性接觸網(wǎng)計(jì)算模型

4.2 120 km/h車(chē)速下的仿真結(jié)果

前弓的接觸壓力變化曲線如圖7所示。

圖7 剛性接觸網(wǎng)前弓接觸壓力

圖7中，51～101 m為柔性接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)的過(guò)渡跨，151～166 m為剛?cè)徇^(guò)渡段，166～454 m為剛性懸掛段，454～469 m為剛?cè)徇^(guò)渡段，其他為簡(jiǎn)鏈柔性段。

從前弓的仿真結(jié)果可以看出，在120 km/h車(chē)速下，整個(gè)區(qū)間接觸壓力最大值出現(xiàn)在柔性網(wǎng)向剛性網(wǎng)轉(zhuǎn)換的區(qū)段，但幅值并不大；在剛性網(wǎng)區(qū)間，接觸壓力波動(dòng)很小。

后弓的接觸壓力變化曲線如圖8所示。

圖8 剛性接觸網(wǎng)后弓接觸壓力

圖8中位移與前弓相差25.12 m，如191.12～479.12 m為剛性懸掛段。

120 km/h車(chē)速下剛性懸掛段接觸壓力的統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表2。

表2 120 km/h車(chē)速下剛性懸掛段接觸壓力統(tǒng)計(jì)值 N

接觸壓力的最大值和最小值均出現(xiàn)在剛?cè)徇^(guò)渡段，統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表3。

表3 剛?cè)徇^(guò)渡段接觸壓力統(tǒng)計(jì)值 N

5 總體評(píng)價(jià)

5.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)的受流質(zhì)量可以通過(guò)平均接觸力（m）、標(biāo)準(zhǔn)偏差（）以及最大接觸力（max）等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)[3]。

（1）對(duì)于速度≤200 km/h的直流1 500 V系統(tǒng)，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)滿足以下要求：

70＜m＜2.28×10-4×2+ 140

≤0.3m

（2）動(dòng)態(tài)接觸力的最大值應(yīng)滿足0＜max＜300 N；

（3）平均接觸力加上3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)小于或等于統(tǒng)計(jì)表中的最大值，平均接觸力減去3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)為正值。

5.2 總體評(píng)價(jià)

本次仿真的結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

（1）最大動(dòng)態(tài)接觸力。

從表4可以看出，無(wú)論是剛性懸掛還是柔性懸掛，在以最高速度運(yùn)行時(shí)，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力最大值為187.7 N，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中最大值小于300 N的要求。

（2）動(dòng)態(tài)接觸力平均值。

當(dāng)行車(chē)速度為120 km/h時(shí)，通過(guò)計(jì)算，動(dòng)態(tài)接觸力平均值在70～143.28 N范圍內(nèi)，滿足要求。

（3）動(dòng)態(tài)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表5為各區(qū)段動(dòng)態(tài)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算結(jié)果。

表4 仿真結(jié)果匯總表 N

表5 各區(qū)段動(dòng)態(tài)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算結(jié)果 N

從統(tǒng)計(jì)計(jì)算的結(jié)果來(lái)看，動(dòng)態(tài)接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.3max，同時(shí)平均接觸力加上3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差小于300 N，平均接觸力減去3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差是正值，滿足規(guī)范要求。

綜上，從仿真結(jié)果分析，接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)方案與受電弓的匹配度較好，所選取的設(shè)計(jì)參數(shù)科學(xué)合理，在本工程運(yùn)營(yíng)條件下弓網(wǎng)間呈現(xiàn)出較高的授流品質(zhì)。但需說(shuō)明的是，本次仿真所采用的受電弓模型為通用模型，可能與實(shí)際選用的受電弓參數(shù)存在一定偏差；此外，本次仿真未考慮動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中的車(chē)輛晃動(dòng)以及來(lái)自輪軌、減震道床等弓網(wǎng)系統(tǒng)以外的激擾所帶來(lái)的影響，這些因素可能會(huì)造成仿真結(jié)果出現(xiàn)偏差。

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際工程案例，通過(guò)建立仿真平臺(tái)對(duì)雙線柔性簡(jiǎn)鏈接觸網(wǎng)、剛性接觸網(wǎng)進(jìn)行弓網(wǎng)關(guān)系仿真分析，有效評(píng)價(jià)接觸網(wǎng)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)選取的合理性和弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，為類(lèi)似工程提供借鑒和參考。

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The paper introduces that high precise pantograph-catenary model is established by advanced simulation technology during construction of Lu-Gao section of Ning-Gao Intercity Rail of Nanjing. The rationality for selection of related parameters of overhead contact line system is assessed effectively by means of simulation and analyzing on the basis of profound researches of pantograph-catenary interactions, providing references for the similar projects in the future.

Intercity rail; overhead contact line system; pantograph-catenary interactions

U225.3

B

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.009

1007-936X(2018)01-0039-04

2017-07-25

蔡彬彬.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，高級(jí)工程師。