中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組高速受電弓弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)性能研究

陳明國 ，馮 葉 ，孫 寧 ，梁 坤

（1.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001；2.大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲 412001）

為適應(yīng)“高鐵出?！睂?duì)高速動(dòng)車組關(guān)鍵部件自主化的要求，中國鐵路總公司科技司部署了高速動(dòng)車組受電弓關(guān)鍵技術(shù)研究工作，旨在開發(fā)性能可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單，體積重量小，具有自主化知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速受電弓。其中，受電弓-接觸網(wǎng)是電力列車運(yùn)行的動(dòng)力之源，弓網(wǎng)受流質(zhì)量的好壞直接影響了列車運(yùn)行的安全性，因此優(yōu)化受電弓的動(dòng)力學(xué)性能是弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)研究中非常重要的研究?jī)?nèi)容。

本文以中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組高速受電弓和簡(jiǎn)單鏈型接觸網(wǎng)及彈性鏈型接觸網(wǎng)為研究對(duì)象，利用SIMPACK-ANSYS軟件建立弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型，分析弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性，為研究接觸網(wǎng)和受電弓的相互作用，評(píng)估受流質(zhì)量提供了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。

1 弓網(wǎng)系統(tǒng)及接觸網(wǎng)類型

車輛運(yùn)行時(shí)所需能量由電能轉(zhuǎn)換，電能由架設(shè)在線路上的接觸網(wǎng)提供，安裝于列車頂部的受電弓與接觸網(wǎng)在高速滑動(dòng)接觸過程中完成取流，如圖1所示。

圖1 高速弓網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

列車運(yùn)行過程中，由于車輛、受電弓和接觸網(wǎng)受到外部激勵(lì)的激擾，受電弓滑板與接觸線將處于高速滑動(dòng)接觸狀態(tài)，使得受電弓滑板與接觸線之間的接觸壓力隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。目前高鐵線路上，高速接觸網(wǎng)主要有彈性鏈形懸掛接觸網(wǎng)（武廣客運(yùn)專線）和簡(jiǎn)單鏈形接觸網(wǎng)（大西線）。接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

此外，還對(duì)比分析了不同受電弓弓頭懸掛參數(shù)對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律。本文采用TB/T3271-2011中接觸力統(tǒng)計(jì)指標(biāo)對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體包括：

統(tǒng)計(jì)最大值：Fmax=Fm+3σ且小于等于350N

統(tǒng)計(jì)最小值：Fmin=Fm-3σ=20N

平均值：Fm≤0.00097V2+70N

標(biāo)準(zhǔn)偏差：σ≤0.3×FmN

表1 高鐵線路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 受電弓動(dòng)力學(xué)性能分析

為比較不同接觸網(wǎng)懸掛形式對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)性能的影響，本課題使用SIMPACK-ANSYS聯(lián)合仿真方法對(duì)圖2所示弓網(wǎng)相互作用進(jìn)行模擬。首先利用ANSYS軟件生成接觸網(wǎng)模型子結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)入SIMPACK，導(dǎo)入的柔性接觸網(wǎng)模型與車體、受電弓多體模型一并組成車弓網(wǎng)耦合多剛體-彈性體模型。模型如圖2所示。

圖2 受電弓弓網(wǎng)耦合模型

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)中抬升力計(jì)算公式Fm=0.00097V2+70N，換算出350km/h時(shí)等效氣動(dòng)抬升力為118.825N，380km/h時(shí)等效氣動(dòng)抬升力為140.068N，420km/h時(shí)等效氣動(dòng)抬升力為171.108N；然后分別在不同工況下加載等效氣動(dòng)抬升力，由于受電弓建模為多剛體模型，加載位置對(duì)仿真結(jié)果并無影響，為方便加載，加載位置選為弓頭與上臂桿連接處。

2.1 弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果

（1）大西線350km/h

在速度為350km/h的條件下，高速受電弓匹配大西線接觸網(wǎng)時(shí)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)相互作用仿真結(jié)果見圖3。

（2）武廣線350km/h

在速度為350km/h的條件下，高速受電弓匹配武廣線接觸網(wǎng)時(shí)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)相互作用仿真結(jié)果見圖4。

（3）大西線380km/h

在速度為380km/h的條件下，高速受電弓匹配大西線接觸網(wǎng)時(shí)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)相互作用仿真結(jié)果見圖5。

（4）武廣線380km/h

在速度為380km/h的條件下，高速受電弓匹配武廣線接觸網(wǎng)時(shí)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)相互作用仿真結(jié)果見圖6。

為分析弓網(wǎng)匹配性能，消除弓網(wǎng)仿真建模時(shí)的邊界效應(yīng)后，統(tǒng)計(jì)高速受電弓各工況下第4跨至第8跨弓網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3 大西線350km/h弓網(wǎng)仿真

圖4 受電弓 350km/h武廣線弓網(wǎng)受流分析

圖5 受電弓380km/h大西線弓網(wǎng)受流

圖6 受電弓 380km/h武廣線受流分析

表2 高速受電弓各工況下接觸力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表3中變異系數(shù)可看出，采用高速受電弓時(shí)，武廣線上弓網(wǎng)匹配性能均優(yōu)于大西線，原因在于武廣接觸網(wǎng)采用彈性鏈形懸掛，其相鄰跨內(nèi)鋪設(shè)的輔助承力索增加了接觸線上剛度水平在空間上的分布均勻度，有利于提高弓網(wǎng)受流質(zhì)量，表3列出了不同類型接觸網(wǎng)相對(duì)高速受電弓的平均匹配性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果。此外，表2中結(jié)果也表明，采用武廣接觸網(wǎng)匹配高速受電弓時(shí)，其動(dòng)力學(xué)性能在速度高達(dá)380km/h時(shí)依然能滿足要求。

表3 高速受電弓與不同接觸網(wǎng)匹配性能（接觸力）

2.2 弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)性能總結(jié)

對(duì)比分析不同弓網(wǎng)匹配設(shè)置條件下的兩款受電弓受流性能可看到，高速受電弓各工況下大西線和武廣線接觸力變異系數(shù)平均值分別為0.34和0.18。從而，可知對(duì)于高速弓，使用彈性鏈形接觸網(wǎng)有利于提高受流性能。

3 弓頭懸掛參數(shù)研究

3.1 弓頭懸掛剛度對(duì)受流性能影響

懸掛剛度分別在7000～13000N/m之間每隔1000N/m取值，懸掛阻尼取為50N×s/m，進(jìn)行仿真計(jì)算，共七組工況，結(jié)果見表4、表5。

表4 高速受電弓弓頭懸掛剛度對(duì)接觸壓力影響N

表5 高速受電弓弓頭懸掛剛度對(duì)滑板加速度影響

由表格統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)懸掛剛度在7000～13000N/m變化時(shí)，隨著剛度值的上升，接觸壓力最大值、最小值基本隨之上升，標(biāo)準(zhǔn)差先減小后增大；滑板加速度最大值基本趨勢(shì)是減小，標(biāo)準(zhǔn)差和最小值在10000N/m處相對(duì)較好；滑板和框架的相對(duì)位移的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差都減小。故懸掛剛度不宜過大也不宜過小，并結(jié)合現(xiàn)有國內(nèi)外高速受電弓懸掛剛度，其懸掛剛度選取為10000N/m較為合適。

3.2 弓頭懸掛阻尼對(duì)受流性能影響

懸掛剛度取為10000N/m，懸掛阻尼在5～95N*s/m之間每隔15N*s/m取值，進(jìn)行仿真計(jì)算，共七組工況，仿真結(jié)果見表6、表7、表8。

表6 高速受電弓弓頭懸掛阻尼對(duì)接觸壓力影響N

表7 高速受電弓弓頭懸掛阻尼對(duì)滑板加速度影響 m/s2

表8 高速受電弓弓頭懸掛阻尼對(duì)滑板和框架相對(duì)位移影響m

由上述圖片數(shù)據(jù)和表格統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)懸掛阻尼在5～95N*m/s之間變化時(shí)，隨著阻尼值的上升，接觸壓力最大值、標(biāo)準(zhǔn)差減小，接觸壓力最小值增大；而滑板加速度最大值、標(biāo)準(zhǔn)差減小，最小值（負(fù)值）增大；滑板和框架的相對(duì)位移的最小值增大，最小值、標(biāo)準(zhǔn)差減小。故懸掛阻尼取值越大越有利于動(dòng)力學(xué)各參數(shù)，但考慮到現(xiàn)有技術(shù)條件以及國內(nèi)外高速受電弓懸掛阻尼取值，其懸掛阻尼選取為50N*m/s較為合適。

3.3 弓頭懸掛參數(shù)研究小結(jié)

基于弓網(wǎng)匹配性能針對(duì)受電弓弓頭懸掛參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析時(shí)，高速受電弓弓頭剛度參數(shù)值有局部最優(yōu)解，大約10kN/m。此外，弓頭懸掛阻尼的設(shè)置，可依據(jù)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)工藝條件適當(dāng)設(shè)置較大值。

4 結(jié)語

本次仿真通過SIMPACK-ANSYS創(chuàng)建的受電弓系統(tǒng)模型，對(duì)其動(dòng)力學(xué)性能和弓頭懸掛參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，驗(yàn)證了高速受電弓設(shè)計(jì)和性能符合當(dāng)前高速受電弓運(yùn)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，滿足中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的使用要求。