雙弓作用下錨段關(guān)節(jié)處弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)受流分析

王 暉,張忠林,畢繼紅

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300072)

高速列車運(yùn)行過程中,機(jī)車通過受電弓從接觸線上獲取電能,在高速情況下穩(wěn)定受流是列車正常運(yùn)行的保證,為此弓網(wǎng)關(guān)系也就成為研究設(shè)計(jì)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。研究表明,雙弓機(jī)車可以有效的降低離線率,提高受流質(zhì)量[1～4]。特殊情況下,例如在冬天的時(shí)候,接觸網(wǎng)上結(jié)了一層薄冰,這時(shí)升雙弓,前弓把冰給刮掉,后弓能夠很好的受流。研究還發(fā)現(xiàn),錨段關(guān)節(jié)處更易出現(xiàn)受流不穩(wěn)定的問題[5],研究關(guān)節(jié)處的受流情況有應(yīng)用的價(jià)值。

本文以sss400+受電弓、CTMH150-2接觸線為原型,基于大型有限元軟件ANSYS建立了2個(gè)連續(xù)錨段的雙弓弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的有限元模型。采用單一變量的方法,研究了跨距、列車運(yùn)行速度、弓頭質(zhì)量、接觸線張力、雙弓間距等參數(shù)對雙弓弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)在錨段關(guān)節(jié)處動(dòng)態(tài)受流特性的影響。以期為鐵路的提速和舊線路改造提供有價(jià)值的參考。

1 仿真模型和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 接觸網(wǎng)模型

接觸網(wǎng)示意如圖1所示,包括承力索、接觸線、彈性吊索、吊弦、上下線夾及一些附屬結(jié)構(gòu)(用集中質(zhì)量代替)。表1所示為某線接觸網(wǎng)參數(shù)。接觸線、承力索及彈性吊索采用Beam4單元模擬；吊弦采用Combin39單元模擬；上下線夾及集中質(zhì)量均采用Mass21單元模擬。

圖1 接觸網(wǎng)示意

1.2 受電弓模型

受電弓以sss400+為原型,計(jì)算模型如圖2所示。采用三元集中質(zhì)量模型[6～8],質(zhì)量塊采用Mass21單元模擬,彈簧采用Combin14單元模擬。表2所示為某線受電弓參數(shù)，圖中Mi,Ki,Ci,fi分別為受電弓模型中的質(zhì)量,剛度,阻尼及干摩擦；Fk為受電弓的靜態(tài)抬升力,189 N。雙弓間距201 m。

表1 接觸網(wǎng)參數(shù)

圖2 受電弓計(jì)算模型

質(zhì)量/kg阻尼/(Ns/m)剛度/(N/m)干摩擦力/NM1M2M3C1C2C3K1K2K3f1f2f36.056.4140064.9581313600038.58.5

1.3 弓網(wǎng)耦合

受電弓與接觸網(wǎng)之間的耦合是通過設(shè)置“接觸對”的方式來實(shí)現(xiàn)的[5]。接觸線作為目標(biāo)單元采用Targe169單元模擬,受電弓作為接觸單元采用Conta175單元模擬,形成接觸對,建立起弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)；在建立錨段關(guān)節(jié)時(shí),將2個(gè)錨段的接觸線分別設(shè)置成目標(biāo)單元,弓頭分別與第1錨段、第2錨段建立接觸對,以實(shí)現(xiàn)受電弓運(yùn)行時(shí)從第1錨段向第2錨段的過渡。

1.4 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

以大型有限元計(jì)算軟件ANSYS為基礎(chǔ),利用時(shí)間-歷程后處理器,提取動(dòng)態(tài)接觸力、弓頭位移以及接觸線位移的數(shù)據(jù)。參照歐洲聯(lián)盟和日本制定的受流質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[9],以接觸力的最值、幅值和標(biāo)準(zhǔn)差,弓頭位移的最大值、標(biāo)準(zhǔn)差和接觸線位移的最大值、標(biāo)準(zhǔn)差來評價(jià)整個(gè)系統(tǒng)的受流質(zhì)量。

2 仿真結(jié)果及分析

提取中間錨段處的數(shù)據(jù),采用單一變量法,分析各因素對受流質(zhì)量的影響。

2.1 列車運(yùn)行速度的影響

不同列車速度下,接觸力和位移變化如圖3、圖4所示。

圖3 接觸力隨列車速度的變化

圖4 位移隨列車速度的變化

隨著速度的增長,前弓和后弓接觸力最小值變小、幅值變大,后弓接觸力標(biāo)準(zhǔn)差增大,說明受流質(zhì)量逐漸變差；同時(shí)隨速度增大,后弓弓頭位移最大值也逐漸增大；速度增大到380 km/h時(shí),后弓出現(xiàn)離線現(xiàn)象,可見在高速時(shí),后弓受流質(zhì)量對速度的變化更加敏感,但前弓受流質(zhì)量仍優(yōu)于后弓。

2.2 雙弓間距的影響

不同雙弓間距下,接觸力和位移的變化如圖5、圖6所示。

圖5 接觸力隨雙弓間距變化

圖6 位移隨雙弓間距變化

當(dāng)雙弓間距為150、201 m和250 m時(shí),后弓接觸力最小值較大,幅值較小,標(biāo)準(zhǔn)差較小,受流質(zhì)量較好。即當(dāng)雙弓間距為跨距的整數(shù)倍加半跨時(shí),后弓受流質(zhì)量最差。對于前弓,這種規(guī)律表現(xiàn)不明顯,但前弓受流質(zhì)量仍優(yōu)于后弓。弓頭位移和接觸線位移隨雙弓間距的改變變化不大。

2.3 接觸線張力的影響

接觸線張力選取不同數(shù)值時(shí),接觸力、位移隨接觸線張力的變化如圖7、圖8所示。

圖7 接觸力隨接觸線張力的變化

圖8 位移隨接觸線張力的變化

隨著接觸線張力的增大,前弓接觸力的最大值、最小值逐漸增大,接觸力標(biāo)準(zhǔn)差亦有變小的趨勢,說明前弓受流質(zhì)量逐漸提高。前弓弓頭和接觸線位移的最大值和標(biāo)準(zhǔn)差都隨著接觸線張力的增大逐漸減小,這是因?yàn)榻佑|線張力越大,整個(gè)接觸網(wǎng)的剛度就越大,這對前弓受流有利。后弓接觸力標(biāo)準(zhǔn)差也隨接觸線張力的增大而減小,說明接觸線張力增大同樣對后弓受流有利,但是后弓的受流狀態(tài)受前弓的影響,受流質(zhì)量較差。

2.4 弓頭質(zhì)量的影響

不同受電弓弓頭質(zhì)量下,接觸力、位移隨弓頭質(zhì)量變化如圖9、圖10所示。

圖9 接觸力隨弓頭質(zhì)量變化

圖10 位移隨弓頭質(zhì)量變化

隨著弓頭質(zhì)量的增大,后弓接觸力最小值減小,幅值增大,平均值減小,標(biāo)準(zhǔn)差變大,后弓受流質(zhì)量變差。弓頭質(zhì)量的增加對前弓接觸力的影響并不顯著。隨著弓頭質(zhì)量的增大,前弓、后弓和接觸線位移的變化規(guī)律一致,都為位移最大值增大,標(biāo)準(zhǔn)差增大,受流質(zhì)量有變差的趨勢?？傮w而言,隨著弓頭質(zhì)量的增加,受流質(zhì)量變差。

2.5 跨距的影響

不同跨距下,接觸力、位移隨跨距變化如圖11、圖12所示。

圖11 接觸力隨跨距變化

圖12 位移隨弓頭質(zhì)量變化

跨距改變對弓頭接觸力的影響不大。但在50 m時(shí),前弓接觸力最大值最小,幅值最小,標(biāo)準(zhǔn)差最小,后弓接觸力最小值最大,標(biāo)準(zhǔn)差最小,受流質(zhì)量最好。位移方面,在50 m時(shí),后弓和接觸線位移的最大值最小、標(biāo)準(zhǔn)差最小,受流較好。

這是因?yàn)榭缇嘣龃髸r(shí)整個(gè)接觸網(wǎng)的彈性增大,對受流不利。高速鐵路更適合用小跨距,但也應(yīng)考慮造價(jià)的因素。

3 結(jié)論

在列車高速運(yùn)行情況下,錨段關(guān)節(jié)的受流情況變得更加復(fù)雜。速度提高,受流質(zhì)量變差,且后弓受流質(zhì)量對速度的變化更加敏感；當(dāng)雙弓間距為跨距的整數(shù)倍加半跨時(shí),后弓受流質(zhì)量最差,但對于前弓這一規(guī)律不再明顯；提高接觸線的張力、減小弓頭質(zhì)量、減小跨距可以提高錨段關(guān)節(jié)處的受流質(zhì)量。受前弓在接觸線上運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)波的影響,錨段處后弓的受流質(zhì)量仍比前弓差。

[1] 于萬聚.高速接觸網(wǎng)的受流穩(wěn)定分析[J].西鐵科技,1996(2)：38-44.

[2] 于 滌.高速接觸網(wǎng)受流的理論分析[J].鐵道學(xué)報(bào),1998,20(5)：58-64.

[3] Gao X. Contact wire zigzag value detection in the electrified railway, Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 2001,4285:60-68.

[4] 衛(wèi)仙鳳.雙弓作用下弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬分析[D].天津：天津大學(xué),2010.

[5] 孟令倩.柔性懸掛系統(tǒng)的參數(shù)化建模及錨段關(guān)節(jié)的受流分析[D].天津：天津大學(xué),2010.

[6] 李 鵬.弓-網(wǎng)耦合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬及疲勞分析[D].天津：天津大學(xué),2009.

[7] 李豐良,等.受電弓的力學(xué)分析示例[J].鐵道學(xué)報(bào),2000,22(5)：21-23.

[8] 李豐良,等.TSG3受電弓的歸算質(zhì)量[J].鐵道學(xué)報(bào),1998,20(2)：55-58.

[9] 黃 維.高速接觸網(wǎng)懸掛參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)與評價(jià)研究[D].成都：西南交通大學(xué),2007.