摘要：目前的高速鐵路受電弓在機(jī)械改進(jìn)方面的潛力有限，接觸力標(biāo)準(zhǔn)偏差的降低量不超過10%-15%。本論文提出了一種基于弓頭懸掛特性的受電弓優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以改善受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸質(zhì)量，并根據(jù)現(xiàn)有受電弓的實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行驗(yàn)證。盤頭剛度和阻尼特性、上框架剛度和阻尼特性、靜升力以及接觸線張力等參數(shù)是用于受電弓優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要目標(biāo)是使弓網(wǎng)接觸力的標(biāo)準(zhǔn)偏差最小化，這是改善接觸質(zhì)量的最重要變量。

關(guān)鍵詞：受電弓;接觸網(wǎng);弓頭懸掛特性;接觸質(zhì)量;標(biāo)準(zhǔn)偏差

1引言

高速列車通過接觸網(wǎng)受電弓接口提供運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)所需的電能。如果弓網(wǎng)接觸不良，不僅會(huì)導(dǎo)致受電弓的集電弓和接觸網(wǎng)的接觸線之間產(chǎn)生高壓電弧，導(dǎo)致兩個(gè)設(shè)備的使用壽命降低，而且有可能使列車電能供應(yīng)中斷[1]。弓網(wǎng)平均接觸力的增加將提高電能的傳輸能力，但也會(huì)導(dǎo)致受電弓定位條和接觸線的加速磨損。受電弓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足以下三個(gè)要求：將盤頭提升至接觸線高度，并補(bǔ)償具有較低接觸網(wǎng)高度的跨距;處理與穩(wěn)定臂通道相關(guān)的中等頻率的位移;處理頻率較高但幅度較低的激勵(lì)。通常情況下，受電弓頭部及其懸掛裝置負(fù)責(zé)處理高頻激勵(lì)，而較低一級（帶氣動(dòng)波紋管）負(fù)責(zé)處理低頻激勵(lì)。大多數(shù)運(yùn)行中的受電弓都是在考慮特定接觸網(wǎng)系統(tǒng)的情況下開發(fā)的[2]。目前新的高速列車發(fā)展趨勢導(dǎo)致對受電弓的設(shè)計(jì)提出了新的要求，首先需要受電弓允許在不同的接觸網(wǎng)系統(tǒng)中運(yùn)行，其次要求減輕受電弓整體質(zhì)量提高電流收集能力，最后受電弓需要具有較低的空氣動(dòng)力阻力和噪聲排放并與跨境操作兼容，這也為改進(jìn)受電弓提供了一些發(fā)展方向。

2弓網(wǎng)有限元模型

當(dāng)使用相同的方法來模擬接觸網(wǎng)和受電弓模型時(shí)，兩者的動(dòng)態(tài)分析類型必須相同，如果接觸網(wǎng)采用線性有限元建模，則受電弓動(dòng)力學(xué)也必須是線性的。這與使用更為廣泛的多體受電弓模型不兼容[3]。此處使用有限元和多體方法之間的聯(lián)合仿真。用于受電弓-接觸網(wǎng)相互作用研究的受電弓模型大致可分為兩種類型：集中質(zhì)量模型或多體模型。這兩種模型可以在普通線性有限元程序中進(jìn)行仿真，也可用于懸鏈線分析，相比較而言集中質(zhì)量模型更為常見[4]。但是集中質(zhì)量受電弓模型是需要在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中確定相應(yīng)的數(shù)學(xué)參數(shù)，對于高速列車應(yīng)用的典型三級集中質(zhì)量受電弓模型，只有頂部質(zhì)量、剛度和阻尼系數(shù)可以保持與受電弓頭部質(zhì)量以及懸掛特性相似。

建立包括支撐線、接觸線和吊弦的接觸網(wǎng)模型，并進(jìn)行有限元分析。當(dāng)受電弓脫離接觸線時(shí)，受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸力主要產(chǎn)生接觸網(wǎng)的面內(nèi)張力和彎曲變形。因此，支撐線和接觸線都被視為二維梁單元。波束元素由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度：節(jié)點(diǎn)X軸和Y軸方向的平移以及圍繞節(jié)點(diǎn)Z軸方向的旋轉(zhuǎn)。由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)定義的彈簧元素在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上具有兩個(gè)自由度：在節(jié)點(diǎn)X軸和Y軸方向上的平移。對由五個(gè)盤組成的接觸網(wǎng)的有限元模型進(jìn)行了分析。用于離散懸鏈線的元素?cái)?shù)量為2744。懸鏈線的阻尼系數(shù)為0.01N/m2。受電弓簡化為彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。它由三個(gè)集中質(zhì)量組成，分別代表受電弓的盤頭（m1）、上部框架（m2）和下部框架（m3）。m1和m2之間、m2和m3之間以及m3和地面之間有彈簧減振器元件。

3受電弓設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

基于受電弓和接觸網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，評估了設(shè)計(jì)參數(shù)對動(dòng)態(tài)性能的影響，如受電弓的剛度和阻尼、接觸線張力和靜態(tài)提升力，以改善受流質(zhì)量。

3.1盤頭剛度與阻尼參數(shù)優(yōu)化

在列車速度為250km/h時(shí)，盤頭的剛度對電流收集質(zhì)量有相當(dāng)大的影響，如果盤頭的剛度過大，接觸線的振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致接觸力的極端波動(dòng)。因此，盤頭剛度的降低有利于電流收集質(zhì)量。盤頭阻尼的增加有利于抑制受電弓的振動(dòng)。但是，如果阻尼過大，將對受電弓的后續(xù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不利影響。因此，選擇合適的阻尼值非常重要。對受電弓和接觸網(wǎng)之間的接觸力，以及盤頭的不同阻尼進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明隨著阻尼的增加，接觸力的波動(dòng)略有減小，最小值顯著增大。然而，當(dāng)阻尼值達(dá)到50Ns/m時(shí)，阻尼在改善標(biāo)準(zhǔn)偏差和接觸力最小值方面的作用較小。

由于增加的阻尼有利于抑制受電弓的振動(dòng)，將盤頭的阻尼分別從0增加到10、30和70Ns/m，分析在不同速度下盤頭阻尼不同時(shí)的接觸損耗。結(jié)果表明，阻尼為10Ns/m時(shí)，接觸力改善不明顯，速度大于250km/h時(shí)仍存在接觸損耗。當(dāng)阻尼增加到30Ns/m時(shí)，無接觸損耗的運(yùn)行速度提高到300km/h。當(dāng)速度大于300km/h時(shí)，雖然阻尼增加到70Ns/m，但仍檢測到接觸損耗。由此可以得出結(jié)論，無論盤頭剛度增加或減少，當(dāng)速度大于300km/h時(shí)，都會(huì)發(fā)生接觸損失。因此通過優(yōu)化盤頭的剛度和阻尼，無接觸損耗的最大運(yùn)行速度可以從250km/h提高到300km/h，但是僅通過盤頭參數(shù)的優(yōu)化，就很難進(jìn)一步提高300km/h以上的最大運(yùn)行速度。

3.2上部框架的剛度與阻尼優(yōu)化

由于接觸網(wǎng)的高度不同，受電弓要求在不同的工作高度下運(yùn)行。由此還導(dǎo)致上框架的不同等效參數(shù)。因此，研究上框架的不同剛度和阻尼對接觸力的影響非常重要。分析在速度為250km/h時(shí)上框架不同剛度對接觸力的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)上部框架的剛度變大時(shí)，接觸力的最小值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)偏差都會(huì)增加。雖然最小值的增加有利于電流收集質(zhì)量，但同時(shí)引起的最大值增量。因此在選擇工作高度時(shí)，必須注意剛度的影響。同時(shí)研究了速度為250km/h時(shí)上部機(jī)架的不同阻尼對接觸力的影響。結(jié)果表明，隨著阻尼的增大，接觸力的最小值增大，標(biāo)準(zhǔn)偏差減小，最大值變化不大。但是當(dāng)阻尼達(dá)到70Ns/m時(shí)，接觸力的改善并不明顯。因此，對于受電弓上部框架，50–70Ns/m是最佳阻尼值。

3.3靜升力參數(shù)優(yōu)化

靜升力作用在受電弓上，以保持適當(dāng)?shù)墓ぷ鞲叨?。較小的靜升力會(huì)引起接觸損失、電弧和火花。但是較大的靜升力可能導(dǎo)致提升位移增加，從而導(dǎo)致受電弓和接觸網(wǎng)的極端磨損。分析250km/h速度下靜升力對接觸力的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)靜升力的增加會(huì)導(dǎo)致接觸力的最小值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)偏差的增加。此外適當(dāng)增加靜態(tài)提升力可以提高接觸力的最小值。但是隨著接觸力最小值的增大，最大值和標(biāo)準(zhǔn)差也迅速增大。

3.4接觸線的張力優(yōu)化

研究在250km/h的速度下，不同張力對接觸力的影響?？梢杂^察到接觸線的張力對受電弓和接觸網(wǎng)之間的接觸力有很大的影響。隨著接觸線張力的增加，接觸力的最小值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)偏差都顯示出顯著的改善。為了提高列車運(yùn)行速度，將接觸線的張力15kN分別增加17和20kN。分析在不同速度下，15、17和20kN張力下的接觸損耗?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)初始張力為15kN時(shí)，接觸損失發(fā)生在270km/h的速度下。當(dāng)張力分別增加到17和20kN時(shí)，速度低于330和350km/h時(shí)，未檢測到接觸損耗。因此，為了在300和330km/h的速度下安全運(yùn)行，接觸線的張力應(yīng)相應(yīng)增加到17和20kN。

4結(jié)論

利用接觸單元模擬弓網(wǎng)相互作用建立弓網(wǎng)接觸仿真模型。通過優(yōu)化受電弓相應(yīng)參數(shù)改善弓網(wǎng)接觸力和電流收集能力，結(jié)果表明，受電弓可在250km/h的速度下運(yùn)行，速度大于250km/h時(shí)可檢測到接觸損耗。對受電弓和接觸網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，包括盤頭和車架的剛度和阻尼、靜態(tài)提升力和接觸線張力，對受電弓和接觸網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能有一定改善。

參考文獻(xiàn)

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[2]孫云嵩，郭瑾玉，歷洋.基于弓網(wǎng)接觸力優(yōu)化的主動(dòng)控制式受電弓研究及設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息，2021（09）：43-44.

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[4]梁坤，蔣聰健，袁超.高速列車受電弓彈簧軸銷組裝裝置優(yōu)化改進(jìn)[J].鐵道車輛，2020，58（11）：23-25+6.

作者簡介

李金哲，男，漢，山東菏澤，1993.05.25，大學(xué)本科，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，職稱：助理工程師。主要研究方向或者從事工作：動(dòng)車組調(diào)試試驗(yàn)和制造過程質(zhì)量控制。郵編：266111