HXD3型電力機(jī)車(chē)弓網(wǎng)接觸力動(dòng)態(tài)特性分析

鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院　張瓊潔　張鐵竹

在電力機(jī)車(chē)弓網(wǎng)系統(tǒng)中，高壓接觸網(wǎng)通過(guò)受電弓將電能傳遞給機(jī)車(chē)。隨著鐵路高速、重載化發(fā)展，列車(chē)行駛過(guò)程中受到接觸網(wǎng)線(xiàn)和軌道的激勵(lì)都會(huì)增大，從而引發(fā)受電弓振動(dòng)增加導(dǎo)致弓網(wǎng)壓力變化，導(dǎo)致受流質(zhì)量降低，從而影響列車(chē)的運(yùn)行安全。因此，通過(guò)分析接觸網(wǎng)的動(dòng)力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)與受電弓之間接觸壓力的動(dòng)態(tài)變化，可以對(duì)列車(chē)的弓網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行有效的準(zhǔn)確監(jiān)控，降低弓網(wǎng)故障的發(fā)生概率，從而保證列車(chē)的完全運(yùn)行。本文以鄭州機(jī)務(wù)段HXD3型電力機(jī)車(chē)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，在實(shí)際運(yùn)行大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立弓網(wǎng)模型，最后通過(guò)仿真分析，得到弓網(wǎng)壓力的仿真數(shù)值與圖形，為維持正確的弓網(wǎng)關(guān)系，減少弓網(wǎng)接觸故障提供了理論依據(jù)。

表1　DSA200型受電弓主要技術(shù)參數(shù)

1.HXD3型電力機(jī)車(chē)DSA200型受電弓動(dòng)力學(xué)分析

1.1　DSA200型受電弓介紹

HXD3型電力機(jī)車(chē)采用DSA200型單臂受電弓，該受電弓由大同電力機(jī)車(chē)有限公司引進(jìn)德國(guó)的生產(chǎn)技術(shù)并國(guó)產(chǎn)化的產(chǎn)品。其主要優(yōu)點(diǎn)跟隨性好，受流質(zhì)量穩(wěn)定，是目前國(guó)內(nèi)新造機(jī)車(chē)的首選型號(hào)，適用于設(shè)計(jì)速度200KM/h的各種電力機(jī)車(chē)及動(dòng)車(chē)組。其主要技術(shù)參數(shù)如表1：

DSA200型受電弓具有在較小的氣動(dòng)阻力且氣動(dòng)特性在不同氣流條件下保持不變，在低觸電壓力情況下以少量的電弧進(jìn)行能量傳輸，因此在單牽引以及多牽引時(shí)滑板可以獲得較高的運(yùn)行效率。結(jié)構(gòu)主要由底架、阻尼器、升弓裝置、下臂、弓裝配、下導(dǎo)桿、上臂、上導(dǎo)桿、弓頭、滑板、及升弓氣源控制閥板等機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示[1]：

圖1　DSA200型受電弓結(jié)構(gòu)

圖2　受電弓和接觸網(wǎng)垂向耦合動(dòng)力學(xué)模型

1.2　弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受力模型分析

接觸網(wǎng)和受電弓的弓網(wǎng)模型關(guān)系在機(jī)車(chē)動(dòng)態(tài)運(yùn)行的受流過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用，因此保證弓網(wǎng)之間持續(xù)性的可靠接觸是保證良好受流質(zhì)量的前提。在機(jī)車(chē)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，受電弓和接觸網(wǎng)的關(guān)系可看做是兩個(gè)獨(dú)立接觸點(diǎn)上相互震動(dòng)和耦合的系統(tǒng)。建立合理的弓網(wǎng)接觸動(dòng)力學(xué)模型才能更好的分析弓網(wǎng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)弓網(wǎng)接觸力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該模型的建立是通過(guò)接觸壓力和接觸點(diǎn)的位置，建立受電弓和接觸網(wǎng)之間的動(dòng)態(tài)耦合。通過(guò)進(jìn)一步動(dòng)態(tài)模擬確定受電弓滑板作用在接觸網(wǎng)上的動(dòng)態(tài)接觸力與時(shí)間的非線(xiàn)性特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)弓網(wǎng)接觸力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]。將接觸網(wǎng)和受電弓線(xiàn)性化建立的弓網(wǎng)垂向耦合動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。

接觸懸掛是一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性受力系統(tǒng)，忽略接觸網(wǎng)的橫向振動(dòng)對(duì)弓網(wǎng)接觸的影響，建立動(dòng)力學(xué)平衡方程通式為[3]：分別為力矩陣、廣義位移矩陣、速度矩陣、加速度矩陣、質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣。

2.弓網(wǎng)接觸壓力檢測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)DSA200型受電弓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在受電弓支持裝置上加裝傳感器檢測(cè)裝置。本文研究主要檢測(cè)弓網(wǎng)接觸壓力，采用加速度傳感器和壓力傳感器相結(jié)合的方法來(lái)檢測(cè)弓網(wǎng)接觸壓力。并通過(guò)受電弓振動(dòng)特性抬升量得出傳感器輸出信號(hào)同弓網(wǎng)接觸力之間的關(guān)系。由于弓網(wǎng)動(dòng)接觸動(dòng)態(tài)變化，不同時(shí)刻弓網(wǎng)接觸位置不同，因此不能只對(duì)單一位置進(jìn)行測(cè)量。在機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)受電弓的弓頭做三維運(yùn)動(dòng)，即橫向擺動(dòng)、機(jī)車(chē)運(yùn)行方向、垂直方向。弓網(wǎng)沖擊力隨機(jī)車(chē)速度的增大而增大。為準(zhǔn)確檢測(cè)弓網(wǎng)接觸壓力，傳感器安裝位置如圖3所示，當(dāng)接觸網(wǎng)同受電弓滑板接觸，兩個(gè)傳感器同時(shí)動(dòng)作，感應(yīng)相應(yīng)的量值。

圖3　弓網(wǎng)壓力檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

接觸線(xiàn)的高度變化、懸掛特性、線(xiàn)路狀態(tài)、機(jī)車(chē)運(yùn)行速度等因素直接影響著受電弓與接觸線(xiàn)之間的動(dòng)態(tài)接觸壓力。在電力機(jī)車(chē)運(yùn)行速度較高時(shí)，受電弓的高度不斷發(fā)生變化，將產(chǎn)生很大的慣性力Fa、加于受電弓上的空氣動(dòng)力Fk以及受電弓自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦力Fm。在各種不同力的作用下受電弓的動(dòng)態(tài)受力與靜態(tài)受力有較大差異。根據(jù)受力分析，不論是受電弓壓力作用位置不斷變化，還是力的方向不斷變化，根據(jù)力的正交解法，任何方向的接觸壓力都可以分解為兩個(gè)互相垂直的力。一個(gè)力與滑板面垂直，是衡量受流質(zhì)量和檢測(cè)的重要指標(biāo)；另一個(gè)力與機(jī)車(chē)的運(yùn)行方向一致，由電力機(jī)車(chē)的牽引動(dòng)力克服。因此弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力F可表示為：

式中：

Fo——受電弓的靜抬升力（N）

Fm——受電弓鉸接處的摩擦力（N）

Fa——受電弓壓力的動(dòng)力分量，由其歸算質(zhì)量及垂直加速度決定（N）

Fk——受電弓壓力的空氣動(dòng)力分量（N）

3.仿真分析

根據(jù)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)耦合模型，通過(guò)數(shù)值積分法得出弓網(wǎng)系統(tǒng)的耦合運(yùn)動(dòng)微分方程，對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸力進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4[4]：

圖4　機(jī)車(chē)速度在120km/h與200km/h下的接觸壓力

通過(guò)對(duì)弓網(wǎng)壓力的計(jì)算仿真得到弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)，為確保弓網(wǎng)安全提供理論依據(jù)。同傳感器檢測(cè)的實(shí)時(shí)弓網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)想對(duì)比，能夠快速、準(zhǔn)確地反映弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)故障隱患，指導(dǎo)機(jī)車(chē)乘務(wù)員實(shí)時(shí)進(jìn)行弓網(wǎng)維護(hù)和調(diào)整，確保安全運(yùn)行。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文建立鐵路接觸網(wǎng)和DSA200受電弓動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的非線(xiàn)性耦合模型，并根據(jù)該模型對(duì)弓網(wǎng)接觸壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。同時(shí)對(duì)機(jī)車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行過(guò)程中的弓網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)受力分析，闡述了采用力傳感器進(jìn)行弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)的方法。通過(guò)仿真分析得出機(jī)車(chē)速度與弓網(wǎng)接觸力變化規(guī)律，從而驗(yàn)證了弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

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[4]張健,陳維榮.受電弓接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].鐵道運(yùn)營(yíng)技術(shù),2008(1).