代洪宇，陳乙棋，申正超

0 引言

斷口式錨段關節(jié)是剛性接觸網相鄰錨段的銜接部分，是剛性接觸網的重要組成部分。斷口式錨段關節(jié)（下文稱關節(jié)）結構復雜，其狀態(tài)和質量的優(yōu)劣直接影響接觸網的供電質量和電力機車的取流質量，是整個錨段的薄弱環(huán)節(jié)。關節(jié)處轉換懸掛點的抬升量對受電弓在該處的取流質量有重要影響，但目前國內各地鐵運營單位對關節(jié)處轉換懸掛點抬升量未形成統(tǒng)一的規(guī)定。

剛性接觸網相鄰跨距較大會導致匯流排出現(xiàn)負弛度。受電弓高速運行時，若滑板不能適應相鄰跨匯流排的撓度變化，會導致滑板和接觸線間產生拉弧及滑板撞擊匯流排等現(xiàn)象，將會給弓網受流及滑板磨耗帶來不良影響。在剛性接觸網平面布置設計中，車站風孔、人防防淹門等結構不利于懸掛點的布置，影響相鄰跨距比取值。因此，有必要對受電弓通過站端關節(jié)繼而通過關節(jié)相鄰跨距比較大區(qū)段時的弓網受流性能進行分析。目前，《地鐵設計規(guī)范》[1]尚未對剛性接觸網相鄰跨距比取值做出規(guī)定，《城際鐵路設計規(guī)范》[2]、《市域鐵路設計規(guī)范》[3]要求剛性接觸網連續(xù)中間跨相鄰跨距比不宜大于1∶1.25。

1 牽引網仿真平臺簡介

系統(tǒng)仿真是伴隨著計算機技術的發(fā)展而逐步形成的一門新興學科，通過建立實際系統(tǒng)的數(shù)字模型，對所建模型系統(tǒng)進行實驗研究。

筆者公司聯(lián)合西南交通大學共同研發(fā)牽引網仿真平臺，該平臺將設計、試驗、仿真、運營相結合，可對牽引網設計、生產、制造、運營、維護全生命周期進行信息化管理。通過試驗、仿真數(shù)據(jù)與運營檢測數(shù)據(jù)的研究分析，不斷訓練完善牽引網模型；再通過經訓練的牽引網模型的仿真結果進行驗證、優(yōu)化新線設計，為牽引網運維提供指導，形成良性循環(huán)。

本文運用該平臺建立剛性接觸網-受電弓仿真模型，相關模型見圖1。匯流排及懸掛裝置均采用梁等效模型，各部件之間通過耦合節(jié)點間自由度實現(xiàn)連接；受電弓選用TSG18F型，采用三質量塊模型進行等效，三質量塊參數(shù)[4]見表1。

表1 TSG18F型受電弓三質量塊參數(shù)

圖1 剛性接觸網模型

在接觸網設計流程中，應首先確定弓網結合部參數(shù)，如弓網動力相互作用指標、靜態(tài)接觸力等；然后進行受電弓選型；最后調整接觸網設計參數(shù)，使弓網動力相互作用性能滿足弓網結合部相關參數(shù)要求。弓網動力相互作用指標參見UIC 799[5]、EN 50367[6]，本文中的靜態(tài)接觸力取120 N，受電弓選用TSG18F型。

2 錨段關節(jié)轉換懸掛點抬升量分析

錨段關節(jié)是整個錨段弓網受流的薄弱環(huán)節(jié)，受電弓快速通過時接觸力波動劇烈。為保證受電弓能快速平穩(wěn)通過斷口式錨段關節(jié)，兩支接觸線在關節(jié)中間懸掛點處應等高，轉換懸掛點處非工作支不得低于工作支。轉換懸掛點抬升量決定受電弓由一個錨段過渡到另一個錨段的位置，是控制錨段關節(jié)處弓網受流質量的關鍵因素。

受電弓以時速120 km通過轉換懸掛點抬升量為0～8 mm的錨段關節(jié)，接觸力曲線如圖2所示。經綜合分析，接觸力各項特征值均滿足標準要求，轉換懸掛點抬升量取5 mm時，錨段關節(jié)處接觸力波動最為平穩(wěn)。

圖2 轉換懸掛點不同抬升量接觸力曲線

轉換懸掛點抬升量為0 mm時，關節(jié)處接觸力波動最為劇烈。未對接觸力進行20 Hz低通濾波處理的情況下，對比觀察轉換懸掛點抬升量取0、5 mm時關節(jié)附近接觸力曲線，如圖3、圖4所示。抬升量取0 mm時，受電弓在懸臂跨即與錨段2匯流排接觸，受沖擊回落后與錨段2完全接觸，在錨段1懸臂跨脫離與錨段1的接觸。若弓頭質量較大，受沖擊后弓頭可能與匯流排脫離接觸，出現(xiàn)離線現(xiàn)象。轉換懸掛點抬升量取5 mm時，受電弓在錨段1的第2個懸掛點附近與錨段2匯流排開始接觸，在錨段2的第2個懸掛點與錨段1脫離接觸，接觸力波動幅度幾乎與中間跨持平。

圖3 轉換懸掛點抬升量為0 mm時接觸力曲線

圖4 轉換懸掛點抬升量為5 mm時接觸力曲線

3 相鄰跨距比分析

3.1 中間跨相鄰跨距比分析

中間跨相鄰跨距比較大時，突變跨容易形成負弛度。受電弓滑板若不能跟隨匯流排撓度的變化，則容易受到沖擊或與匯流排脫離接觸，不利于弓網受流。

中間跨標準跨距取8 m，相鄰跨距比值分別取2.0、1.75、1.5、1.25、1.0，即跨距突變跨對應跨距分別為4、4.6、5.3、6.4、8 m，對應匯流排撓度曲線如圖5所示。當相鄰跨距比較大時，受左右兩標準跨匯流排的自重影響，突變跨匯流排出現(xiàn)負弛度，相鄰兩跨匯流排弛度增大?？缇嗤蛔兛绯掷m(xù)影響左右相鄰兩跨匯流排撓度。

圖5 不同相鄰跨距比對應匯流排撓度曲線

受電弓以時速120 km運行，得到不同相鄰跨距比下接觸力曲線，僅分析跨距比變化點前兩跨與后三跨接觸力曲線，如圖6所示，對應接觸力標準差見表2?？梢钥闯?，接觸力最值均滿足標準要求，接觸力波動幅度并沒有隨相鄰跨距比值的不同出現(xiàn)明顯的變化，接觸力標準差差別不大。

表2 不同相鄰跨距比接觸力標準差

圖6 各相鄰跨距比對應接觸力曲線

不同相鄰跨距比下，受電弓滑板位移見圖7。當相鄰跨距比值不為1時，滑板在跨距比變化懸掛點左右相鄰跨位移均突然變大，跨距比取1.25時滑板位移變化幅度較另外3種取值小。

圖7 不同跨距比滑板位移

考慮跨距變化跨左右懸掛點相對高差取值為跨距的0.5‰，經仿真分析，接觸力各項特征值均滿足標準要求，滑板位移最值見表3。相鄰懸掛點相對高差引入后，滑板位移最值較無高差時明顯增大。滑板位移值的突然變化會給受電弓結構帶來突然變化的應力，不利于受電弓長期安全穩(wěn)定服役。

表3 滑板位移最值 mm

3.2 錨段關節(jié)處跨距比分析

為了便于錨段關節(jié)及隔離開關檢修，牽引所通常在列車進站端設置絕緣錨段關節(jié)。車站站端人防/防淹門、活塞/機械風孔等的存在不利于接觸網懸掛點的布置，懸掛點為了避開孔洞，會出現(xiàn)關節(jié)附近相鄰跨距比較大的情況。

為分析受電弓經過錨段關節(jié)后，關節(jié)相鄰跨跨距突變時弓網受流性能，關節(jié)轉換懸掛點抬升量取5 mm，關節(jié)跨距取2 m，第2跨距取4 m，第3跨距與第2跨距比值分別取2.0、1.75、1.5、1.25、1.125，即第3跨跨距分別為8、7、6、5、4.5 m，分析不同速度下弓網受流性能。

受電弓分別以時速80、100、120 km運行，以跨距比取值2.0與1.125為例，接觸力曲線如圖 8所示。可以看出，不同速度等級下，不同跨距比對應的接觸力波動幅度差別不大。

圖8 跨距比取2.0與1.125時不同速度下接觸力曲線

統(tǒng)計分析前1/4錨段接觸力特征值，各工況下接觸力特征值均滿足標準要求。接觸力標準差反映了接觸力波動偏離平均值的程度，不同工況下接觸力標準差見圖9。

圖9 不同工況接觸力標準差

當關節(jié)轉換懸掛點抬升量取5 mm時，受電弓以時速80 km通過站端錨段關節(jié)繼而通過關節(jié)相鄰跨距比較大的區(qū)段時，接觸力波動與相鄰跨距比成正相關，但是差別極小，可以忽略跨距比的不同對弓網受流帶來的影響。

以跨距比取2.0為例，分析轉換懸掛點抬升量分別取0、1、5 mm時弓網受流性能，前1/4錨段接觸力曲線見圖10。關節(jié)處轉換懸掛點抬升量的取值對關節(jié)處弓網取流性能影響較大。時速為120及100 km時，轉換懸掛點抬升量的取值對關節(jié)以及關節(jié)相鄰跨距突變跨影響較大，該影響持續(xù)到前1/4錨段；時速為80 km時，轉換懸掛點抬升量的取值僅對關節(jié)處弓網受流性能影響較大，該影響并未持續(xù)到關節(jié)相鄰跨距突變跨。

圖10 轉換懸掛點不同抬升量接觸力曲線

4 結語

基于牽引網仿真平臺，在受電弓選用TSG18F型，剛性接觸網標準跨取8 m，靜態(tài)接觸力取120 N前提下，經過大量弓網仿真分析，得到以下結論：關節(jié)處轉換懸掛點抬升量宜取值為5 mm；中間跨相鄰跨距比的不同取值對接觸力波動沒有明顯的影響，但對滑板位移影響較大，不利于受電弓長期安全穩(wěn)定服役；關節(jié)轉換懸掛點抬升量對關節(jié)及關節(jié)相鄰跨距突變跨弓網性能影響較大，抬升量取5 mm時，受電弓以時速80 km通過站端關節(jié)及關節(jié)相鄰突變跨時，弓網取流性能不受影響。