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      不同受電弓對剛性接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)的適應(yīng)性研究

      2021-05-10 07:43:08皋金龍
      電氣化鐵道 2021年2期
      關(guān)鍵詞:錨段弓網(wǎng)電弓

      皋金龍

      0 引言

      隧道內(nèi)剛性接觸網(wǎng)相比柔性接觸網(wǎng)具有一定優(yōu)勢,其接觸線無張力,具有零部件少、載流量大、安全可靠、維修量小等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于地鐵隧道內(nèi)[1]。在國內(nèi),廣州地鐵2號線首次采用剛性接觸網(wǎng)技術(shù),經(jīng)過多年技術(shù)積累,目前在北京地鐵大興機(jī)場線實(shí)現(xiàn)時(shí)速160 km的突破。隨著國內(nèi)城軌交通線路運(yùn)營速度的不斷提升,對剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能要求越來越高,錨段關(guān)節(jié)是影響和制約弓網(wǎng)系統(tǒng)良好受流的關(guān)鍵區(qū)段,有必要對不同受電弓在高速通過錨段關(guān)節(jié)時(shí)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行研究。

      目前,相關(guān)的文獻(xiàn)僅研究了某種受電弓在160 km/h及以下速度通過錨段關(guān)節(jié)時(shí)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能,尚未對不同型號受電弓高速通過錨段關(guān)節(jié)時(shí)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行研究[2~6]。本文利用有限元法建立3種型號受電弓與剛性接觸網(wǎng)的動(dòng)力學(xué)模型,分析比較3種型號受電弓以160~220 km/h速度通過錨段關(guān)節(jié)時(shí)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能參數(shù),為研發(fā)更高速度等級的受電弓與剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)提供技術(shù)參考。

      1 模型建立

      1.1 剛性接觸網(wǎng)仿真模型

      剛性接觸網(wǎng)由匯流排、接觸線、懸掛與定位結(jié)構(gòu)等組成,將接觸線夾持在匯流排中。在建模時(shí)將匯流排與接觸線作為一個(gè)整體考慮,采用歐拉梁等效。因匯流排與接觸線的密度相差較大,需要采用集中質(zhì)量點(diǎn)在歐拉梁單元兩端補(bǔ)充密度差。懸掛與定位結(jié)構(gòu)分為門式懸掛結(jié)構(gòu)與懸臂式懸掛結(jié)構(gòu),兩種結(jié)構(gòu)可等效為帶集中質(zhì)量的彈簧[7,8],但考慮到速度等級較高時(shí)該等效方式會(huì)存在較大誤差,故將實(shí)際模型簡化處理后進(jìn)行建模。

      本文以北京地鐵大興機(jī)場線為例,其機(jī)械分段采用平行交錯(cuò)式錨段關(guān)節(jié),相鄰剛性接觸網(wǎng)錨段幾何重疊構(gòu)成錨段關(guān)節(jié),重疊區(qū)域在空間上存在等高點(diǎn),使受電弓平滑地從一個(gè)錨段過渡到另一個(gè)錨段。大興機(jī)場線錨段關(guān)節(jié)長度為6 m,匯流排終端懸臂長度1.5 m,翹起段長度1.0 m,匯流排端部翹起70 mm,平面布置如圖1所示。利用有限元法將剛性接觸網(wǎng)離散成若干個(gè)梁單元,建立2個(gè)錨段的剛性接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)仿真模型,如圖2所示。

      圖1 平行交錯(cuò)式錨段關(guān)節(jié)平面布置

      圖2 平行交錯(cuò)式錨段關(guān)節(jié)仿真模型

      1.2 受電弓仿真模型

      受電弓為雙四連桿機(jī)構(gòu),由弓頭、上框架、下臂桿、傳動(dòng)系統(tǒng)與底架等組成。目前使用較多的受電弓模型是質(zhì)量塊模型,三質(zhì)量塊模型的仿真結(jié)果比二質(zhì)量塊模型更準(zhǔn)確[9],故本文選取受電弓三質(zhì)量塊模型進(jìn)行弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真,選取3種型號受電弓(DSA200、DSA250及DSA380)進(jìn)行研究。

      2 仿真結(jié)果分析

      3種型號受電弓分別以速度160、180、200、220 km/h通過2個(gè)錨段,進(jìn)行弓網(wǎng)仿真得到弓網(wǎng)接觸力。分別繪制3種型號受電弓在不同速度等級下的弓網(wǎng)接觸力曲線,如圖3所示(圖中橫坐標(biāo)為里程/m,縱坐標(biāo)為接觸力/N)。

      圖3 3種型號受電弓以不同速度通過錨段關(guān)節(jié)時(shí)的弓網(wǎng)接觸力曲線

      對比各速度等級的弓網(wǎng)接觸力曲線可以發(fā)現(xiàn):3種型號受電弓的弓網(wǎng)接觸力隨著速度的增加波動(dòng)劇烈,弓網(wǎng)接觸力在錨段關(guān)節(jié)處均波動(dòng)很大且出現(xiàn)峰值;在220 km/h速度等級下,DSA250受電弓的弓網(wǎng)接觸力在全錨段整體波動(dòng)劇烈,已不能體現(xiàn)錨段關(guān)節(jié)處的弓網(wǎng)接觸力波動(dòng)特征值,表明受電弓與剛性接觸網(wǎng)之間受流質(zhì)量較差,DSA250受電弓不適合在該速度等級下運(yùn)行。

      為分析比較3種型號受電弓與錨段關(guān)節(jié)的最佳適應(yīng)性,對3種型號受電弓通過錨段關(guān)節(jié)區(qū)域的接觸力特征值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表1—表4所示。

      表1 160 km/h時(shí)錨段關(guān)節(jié)區(qū)域弓網(wǎng)接觸力特征值 N

      表2 180 km/h時(shí)錨段關(guān)節(jié)區(qū)域弓網(wǎng)接觸力特征值 N

      表3 200 km/h時(shí)錨段關(guān)節(jié)區(qū)域弓網(wǎng)接觸力特征值 N

      表4 220 km/h時(shí)錨段關(guān)節(jié)區(qū)域弓網(wǎng)接觸力特征值 N

      根據(jù)TB/T 3271對接觸力范圍的規(guī)定,接觸力值應(yīng)在0~300 N范圍內(nèi)。對比不同速度等級下的弓網(wǎng)接觸力特征值可知,各型號受電弓在錨段關(guān)節(jié)處的弓網(wǎng)接觸力最大值隨速度增大而增大,弓網(wǎng)接觸力最小值隨速度增大而減小,弓網(wǎng)接觸力最大值與最小值均處于TB/T 3271規(guī)定的接觸力范圍內(nèi)。

      根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 50367弓網(wǎng)動(dòng)力相互作用參數(shù)的規(guī)定,0.3倍接觸力平均值減接觸力標(biāo)準(zhǔn)差的值應(yīng)大于0,且該值越大,表明弓網(wǎng)接觸質(zhì)量越好。故在200與220 km/h速度等級下,DSA200與DSA250受電弓都不能適應(yīng)該錨段關(guān)節(jié),雖然DSA380受電弓能夠適應(yīng)該錨段關(guān)節(jié),但弓網(wǎng)接觸質(zhì)量較差。

      接觸力標(biāo)準(zhǔn)差越小,表明接觸力集中程度越高,弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸越良好,受流質(zhì)量越高。將不同速度等級下3種型號受電弓在錨段關(guān)節(jié)的弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行比較,如圖4所示。

      由圖4可知:在160 km/h速度等級下,DSA250受電弓在錨段關(guān)節(jié)處的弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)差最?。辉?80 km/h速度等級下,DSA380受電弓在錨段關(guān)節(jié)處的弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)差最小;在200 km/h與220 km/h的速度等級下,DSA380受電弓在錨段關(guān)節(jié)處的弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)差最小。因此在速度等級為160 km/h時(shí),DSA250受電弓與該錨段關(guān)節(jié)的適應(yīng)性更好,在速度等級為180 km/h及以上時(shí),DSA380受電弓與該錨段關(guān)節(jié)的適應(yīng)性更好。

      圖4 不同型號受電弓的錨段關(guān)節(jié)弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)差

      3 結(jié)語

      本文通過建立受電弓與剛性接觸網(wǎng)仿真模型,研究不同型號受電弓高速通過錨段關(guān)節(jié)的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能,得到以下結(jié)論:

      (1)受電弓通過錨段關(guān)節(jié)時(shí),弓網(wǎng)接觸力出現(xiàn)劇烈波動(dòng),并出現(xiàn)峰值。受電弓通過錨段關(guān)節(jié)時(shí)的弓網(wǎng)接觸力最大值隨速度增大而增大,弓網(wǎng)接觸力最小值隨速度增大而減小。

      (2)不同型號受電弓以不同速度等級通過錨段關(guān)節(jié)時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出不同弓網(wǎng)接觸力特征。在速度等級為160與180 km/h時(shí),DSA200、DSA250及DSA380 3種受電弓均能與錨段關(guān)節(jié)相匹配。通過分析比較接觸力標(biāo)準(zhǔn)差,在速度等級為160 km/h時(shí),DSA250受電弓與錨段關(guān)節(jié)的適應(yīng)性更好,在速度等級為180 km/h及以上時(shí),DSA380受電弓與錨段關(guān)節(jié)的適應(yīng)性更好。

      (3)通過比較0.3倍接觸力平均值減接觸力標(biāo)準(zhǔn)差的值,得出在速度等級為200與220 km/h時(shí),DSA200、DSA250兩種受電弓均不能與錨段關(guān)節(jié)相匹配,DSA380受電弓可與錨段關(guān)節(jié)相匹配,但弓網(wǎng)接觸質(zhì)量不佳。

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