郗汭,李波,趙志遠,袁騫

(北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司，北京 100176)①

北京大興機場線為國內(nèi)首條時速為160 km的剛性接觸網(wǎng)線路，是包含剛性網(wǎng)段、柔性接觸網(wǎng)段及剛?cè)徇^渡段的綜合接觸網(wǎng)線路[1].弓網(wǎng)系統(tǒng)的狀態(tài)直接關系到電氣列車的運行性能、安全性以及乘坐舒適性，而作為弓網(wǎng)系統(tǒng)的重要部件，受電弓工作環(huán)境隨列車運行速度的提高而趨于惡劣[2].因此受電弓與接觸網(wǎng)的動態(tài)相互作用研究即適應性研究是列車運行平穩(wěn)性與安全性評估分析的重要組成部分[3].

當前對于弓網(wǎng)系統(tǒng)的性能研究多著重于接觸網(wǎng)性能的提升，張宗芳等[4]提出了一種適用于隧道內(nèi)部的新型剛?cè)峤Y(jié)合接觸網(wǎng)結(jié)構，相比其他類型接觸網(wǎng)該接觸網(wǎng)在結(jié)構高度、彈性均勻度等指標上進行優(yōu)化；關金發(fā)等[5]針對剛?cè)徇^渡結(jié)構進行仿真分析，提出了滿足雙弓160 km/h的設計方案.在弓網(wǎng)系統(tǒng)多種類型的接觸網(wǎng)中，剛性接觸網(wǎng)占用空間小、結(jié)構簡單、安全可靠，已大量投入城市地鐵輕軌的線路中.唐志強等[6]設計了一種硅橡膠材質(zhì)的接觸線，可提升耐磨性和檢修質(zhì)量；代洪宇[7]提出了200 km/h交流剛性接觸網(wǎng)方案，提升受電弓碳滑板的磨耗均勻度.針對受流裝置的性能研究大多集中在與接觸線的耦合關系上，梅桂明[8]研究剛性接觸網(wǎng)與滑板異常磨耗的機理，以及弓網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)對滑板磨耗的影響；呂階軍[9]針對提高受電弓運行穩(wěn)定性和可靠性，提出一種弓頭、弓角等懸掛構建的改進方案.

為了對弓網(wǎng)系統(tǒng)進行動態(tài)受力和動力學分析，本文在已設計完畢的北京大興機場線[10]的基礎上對DSA250型和DSA380型受電弓進行數(shù)值仿真計算.由于受電弓在柔性懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)下運行狀態(tài)較好，因此針對剛性接觸網(wǎng)和剛?cè)狁詈线^渡段對受電弓進行適應性分析.

1 評價標準

表征弓網(wǎng)動態(tài)特性的主要技術指標是弓網(wǎng)接觸力[11]，根據(jù)標準EN 50367：2012[12]，接觸力標準偏差σ應滿足

σmax<0.3Fm

(1)

式中:σmax為最高速度時的接觸力標準偏差;Fm為接觸力平均值.

根據(jù)標準EN 50119：2009[13]，交流系統(tǒng)的最大與最小接觸力應滿足以下條件：

最大接觸力：

Fmax<300 N,(V≤200 km/h)

Fmax<350 N,

(200 km/h

(2)

最小接觸力：

Fmin>0 N

(3)

2 弓網(wǎng)系統(tǒng)有限元模型

本文采用數(shù)值仿真方式對弓網(wǎng)動態(tài)相互作用進行研究分析，弓網(wǎng)仿真模型由受電弓模型、接觸網(wǎng)模型、弓網(wǎng)接觸模型組成[14].

受電弓和接觸網(wǎng)模型采用Ansys單元庫內(nèi)單元進行建模：受電弓模型主要由三質(zhì)量塊模型構成，采用質(zhì)點Mass21和線彈簧阻尼單元Combine14創(chuàng)建，在最下方質(zhì)量塊施加抬升力；接觸網(wǎng)模型采用梁單元Beam4單元創(chuàng)建，吊弦采用Combine39非線性彈簧單元創(chuàng)建，以模擬接觸網(wǎng)吊弦的松弛效應；剛性接觸網(wǎng)的支撐采用殼單元等建模，連接處采用MPC單元模擬鉸接連接；剛?cè)徇^渡處的匯流排則采用變截面梁單元模擬匯流排的截面變化；接觸網(wǎng)的支撐采用固定約束，考慮自重作用；受電弓模型與接觸網(wǎng)通過接觸單元耦合，接觸剛度參考EN 50318：2018[15]設置.

2.1 受電弓模型

以DSA250和DSA380兩種受電弓作為計算模型，設置受電弓為三質(zhì)量塊模型，接觸網(wǎng)高為5 300 mm.受電弓三質(zhì)量塊模型示意圖見圖1.圖中：m為質(zhì)量、k為剛度、c為阻尼、F為靜態(tài)力.

圖1 受電弓三質(zhì)量塊模型

受電弓系統(tǒng)采用三質(zhì)量塊模型可以很好地反映弓網(wǎng)間動態(tài)接觸力的關系，但模型特點無法體現(xiàn)開閉口區(qū)別，因此不考慮開閉口工況影響.

2.2 接觸網(wǎng)模型

北京大興機場線剛性接觸網(wǎng)段的典型錨段參數(shù)如下：錨段長度為499.8 m；拉出值為±220 mm；標準跨距為8 m；布置方式為三折線布置；錨段關節(jié)長度為6 m；匯流排終端長度為5.95 m；單根匯流排長度為12 m；匯流排終端懸臂長度為1.5 m；匯流排終端翹起段長度為1 m；匯流排終端翹起高度為70 mm.

北京大興機場線懸掛方案采用多維度可調(diào)節(jié)腕臂裝置，裝置示意圖見圖2.該裝置依據(jù)接觸網(wǎng)系統(tǒng)幾何參數(shù)的多維度定位需求進行研發(fā)設計，成功實現(xiàn)了水平腕臂在曲線超高地段豎直方向的連續(xù)調(diào)節(jié)，進一步提升了弓網(wǎng)匹配性能.

圖2 多維度可調(diào)節(jié)腕臂

根據(jù)平面布置方案及懸掛方案搭建接觸網(wǎng)有限元模型，剛性接觸網(wǎng)段和剛?cè)徇^渡段接觸網(wǎng)有限元模型見圖3.

(a) 剛性接觸網(wǎng)

2.3 弓網(wǎng)接觸模型

基于Ansys有限元動力學分析，通過接觸單元將接觸網(wǎng)和受電弓直接耦合起來得到弓網(wǎng)系統(tǒng)的整體模型,進而構建弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的動力學平衡方程.弓網(wǎng)接觸模型采用直接耦合法，將受電弓弓頭位移與接觸線接觸點位移耦合.因為弓網(wǎng)接觸力主要通過垂向的相對位移來體現(xiàn)，故模型主要考慮垂向耦合[16]，并且為正確考慮受電弓高速滑動時縱向沖擊造成的接觸力變化，縱向接觸力采用相同形式的計算方法，垂向接觸力和縱向接觸力的表達式為：

(4)

(5)

圖4 弓網(wǎng)接觸模型

系統(tǒng)動力學平衡方程的矩陣形式為：

(6)

在弓網(wǎng)系統(tǒng)中，受電弓采用三質(zhì)量塊模型進行分析，其動力學平衡方程表達式為：

(7)

式中：mi、ki、ci(i=1,2,3)為質(zhì)量、剛度、阻尼；F0為受電弓靜態(tài)接觸力.

將式(4)、式(5)代入動力學平衡方程式(7)，并采用直接積分法對弓網(wǎng)動態(tài)接觸力進行求解[17].

3 數(shù)值仿真分析工況及計算結(jié)果

3.1 數(shù)值仿真分析工況

以北京新機場線剛性接觸網(wǎng)和剛?cè)徇^渡為基礎，對DSA250和DSA380兩種受電弓參數(shù)在160 km/h、180 km/h 、200 km/h、220 km/h速度等級下，靜態(tài)抬升力為70 N和80 N時的弓網(wǎng)動態(tài)特性進行研究，仿真工況見表1.

表1 受電弓動態(tài)特性仿真工況

3.2 剛性接觸網(wǎng)條件下仿真計算結(jié)果

以表1數(shù)值分析工況為主進行弓網(wǎng)動態(tài)特性仿真，由仿真結(jié)果可得，DSA250及DSA380型受電弓均能滿足列車160～220 km/h的行駛要求，接觸力標準偏差符合要求，最大、最小接觸力符合標準范圍要求，剛性接觸網(wǎng)條件下受電弓動態(tài)特性仿真結(jié)果見表2，運行速度分別為200 km/h、220 km/h的弓網(wǎng)動態(tài)接觸力見圖5.

表2 剛性接觸網(wǎng)條件下受電弓動態(tài)特性仿真結(jié)果 N

(a) 200 km/h

從圖中可以看出，DSA250型與DSA380型受電弓標準差變化趨勢相同，均隨速度等級提高而增大；同時接觸力最大值與最小值也呈相同變化趨勢.在不同速度等級條件下，DSA380型受電弓的接觸力標準差均小于DSA250型.

3.3 剛?cè)徇^渡條件下仿真計算結(jié)果(柔→剛)

柔性接觸網(wǎng)段過渡至剛性接觸網(wǎng)段條件下DSA250型受電弓與DSA380型受電弓的動態(tài)接觸力見圖6.

(a) 160 km/h圖6 剛?cè)徇^渡條件下的弓網(wǎng)動態(tài)接觸力

(b) 180 km/h

DSA250型受電弓與DSA380型受電弓由柔性接觸網(wǎng)段過渡至剛性接觸網(wǎng)段時，當運行速度不高于180 km/h，弓網(wǎng)接觸力處于標準范圍內(nèi)且數(shù)據(jù)表現(xiàn)良好；當運行速度不低于200km/h，雖然弓網(wǎng)接觸力仍符合式(2)、式(3)的標準要求，但已經(jīng)接近標準限制，數(shù)據(jù)表現(xiàn)一般.兩種型號受電弓的靜態(tài)抬升力均隨速度的增加而增大，同時接觸力標準差也呈相同變化趨勢.對標準差及0.3×Fm-σ數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，DSA380型受電弓在此類工況下的動態(tài)特性優(yōu)于DSA250型受電弓.

根據(jù)四種運行速度條件下的弓網(wǎng)動態(tài)接觸力可知：同等運行速度下兩種類型受電弓與接觸網(wǎng)的動態(tài)接觸力變化趨勢接近，動態(tài)接觸力均符合標準要求.

3.4 剛?cè)徇^渡條件下仿真計算結(jié)果(剛→柔)

剛性接觸網(wǎng)段過渡至柔性接觸網(wǎng)段條件下DSA250型受電弓與DSA380型受電弓的動態(tài)仿真結(jié)果見表3.

表3 剛?cè)徇^渡條件下受電弓性能仿真結(jié)果 N

DSA250型及DSA380型受電弓在由剛性接觸網(wǎng)段過渡至柔性接觸網(wǎng)段的所有仿真速度等級下，弓網(wǎng)接觸力全部處于標準要求范圍內(nèi)，且標準差小于由柔性接觸網(wǎng)段過渡至剛性接觸網(wǎng)段時，最小接觸力也相對較大，離網(wǎng)風險小，可見弓網(wǎng)性能優(yōu)于柔性至剛性過渡的工況.

4 結(jié)論

(1)DSA250型及DSA380型受電弓在160～220 km/h速度等級下，接觸力分布整體趨勢相同，均能滿足弓網(wǎng)受流要求，其中DSA380型受電弓動態(tài)特性較優(yōu).

(2)在剛性接觸網(wǎng)條件下，受電弓以較低速度運行時，弓網(wǎng)動態(tài)接觸力相對平穩(wěn)，整體波動較小，僅在錨段關節(jié)處發(fā)生波動；隨著速度等級的提高，接觸力波動明顯增大，標準差也隨之增大；當速度增加至220 km/h時，接觸力分布更加分散，仿真結(jié)果在標準要求范圍內(nèi).

(3)受電弓在剛?cè)徇^渡處運行時，弓網(wǎng)接觸力變化較大：從柔性網(wǎng)段過渡到剛性網(wǎng)段運行時變化更加明顯，當速度超過180 km/h，最小接觸力接近0 N；從剛性網(wǎng)段過渡到柔性網(wǎng)段時，接觸力均處于標準范圍內(nèi)，且接觸力標準差比受電弓從柔性接觸網(wǎng)段過渡至剛性接觸網(wǎng)段時小，弓網(wǎng)系統(tǒng)性能更好.

(4)DSA250型受電弓與DSA380型受電弓均能滿足列車在北京大興機場線以160～220 km/h速度行駛的要求，弓網(wǎng)接觸力與接觸力標準差均符合要求，無離線現(xiàn)象.但是當受電弓從柔性接觸網(wǎng)段過渡到剛性接觸網(wǎng)段時，弓網(wǎng)接觸力變化較大，應降速運行，從而獲取更優(yōu)的弓網(wǎng)受流性能.