代洪宇,陳乙棋,申正超
斷口式錨段關(guān)節(jié)是剛性接觸網(wǎng)相鄰錨段的銜接部分,是剛性接觸網(wǎng)的重要組成部分。斷口式錨段關(guān)節(jié)(下文稱關(guān)節(jié))結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其狀態(tài)和質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響接觸網(wǎng)的供電質(zhì)量和電力機車的取流質(zhì)量,是整個錨段的薄弱環(huán)節(jié)。關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)換懸掛點的抬升量對受電弓在該處的取流質(zhì)量有重要影響,但目前國內(nèi)各地鐵運營單位對關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量未形成統(tǒng)一的規(guī)定。
剛性接觸網(wǎng)相鄰跨距較大會導(dǎo)致匯流排出現(xiàn)負弛度。受電弓高速運行時,若滑板不能適應(yīng)相鄰跨匯流排的撓度變化,會導(dǎo)致滑板和接觸線間產(chǎn)生拉弧及滑板撞擊匯流排等現(xiàn)象,將會給弓網(wǎng)受流及滑板磨耗帶來不良影響。在剛性接觸網(wǎng)平面布置設(shè)計中,車站風孔、人防防淹門等結(jié)構(gòu)不利于懸掛點的布置,影響相鄰跨距比取值。因此,有必要對受電弓通過站端關(guān)節(jié)繼而通過關(guān)節(jié)相鄰跨距比較大區(qū)段時的弓網(wǎng)受流性能進行分析。目前,《地鐵設(shè)計規(guī)范》[1]尚未對剛性接觸網(wǎng)相鄰跨距比取值做出規(guī)定,《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》[2]、《市域鐵路設(shè)計規(guī)范》[3]要求剛性接觸網(wǎng)連續(xù)中間跨相鄰跨距比不宜大于1∶1.25。
系統(tǒng)仿真是伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一門新興學(xué)科,通過建立實際系統(tǒng)的數(shù)字模型,對所建模型系統(tǒng)進行實驗研究。
筆者公司聯(lián)合西南交通大學(xué)共同研發(fā)牽引網(wǎng)仿真平臺,該平臺將設(shè)計、試驗、仿真、運營相結(jié)合,可對牽引網(wǎng)設(shè)計、生產(chǎn)、制造、運營、維護全生命周期進行信息化管理。通過試驗、仿真數(shù)據(jù)與運營檢測數(shù)據(jù)的研究分析,不斷訓(xùn)練完善牽引網(wǎng)模型;再通過經(jīng)訓(xùn)練的牽引網(wǎng)模型的仿真結(jié)果進行驗證、優(yōu)化新線設(shè)計,為牽引網(wǎng)運維提供指導(dǎo),形成良性循環(huán)。
本文運用該平臺建立剛性接觸網(wǎng)-受電弓仿真模型,相關(guān)模型見圖1。匯流排及懸掛裝置均采用梁等效模型,各部件之間通過耦合節(jié)點間自由度實現(xiàn)連接;受電弓選用TSG18F型,采用三質(zhì)量塊模型進行等效,三質(zhì)量塊參數(shù)[4]見表1。
表1 TSG18F型受電弓三質(zhì)量塊參數(shù)
圖1 剛性接觸網(wǎng)模型
在接觸網(wǎng)設(shè)計流程中,應(yīng)首先確定弓網(wǎng)結(jié)合部參數(shù),如弓網(wǎng)動力相互作用指標、靜態(tài)接觸力等;然后進行受電弓選型;最后調(diào)整接觸網(wǎng)設(shè)計參數(shù),使弓網(wǎng)動力相互作用性能滿足弓網(wǎng)結(jié)合部相關(guān)參數(shù)要求。弓網(wǎng)動力相互作用指標參見UIC 799[5]、EN 50367[6],本文中的靜態(tài)接觸力取120 N,受電弓選用TSG18F型。
錨段關(guān)節(jié)是整個錨段弓網(wǎng)受流的薄弱環(huán)節(jié),受電弓快速通過時接觸力波動劇烈。為保證受電弓能快速平穩(wěn)通過斷口式錨段關(guān)節(jié),兩支接觸線在關(guān)節(jié)中間懸掛點處應(yīng)等高,轉(zhuǎn)換懸掛點處非工作支不得低于工作支。轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量決定受電弓由一個錨段過渡到另一個錨段的位置,是控制錨段關(guān)節(jié)處弓網(wǎng)受流質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
受電弓以時速120 km通過轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量為0~8 mm的錨段關(guān)節(jié),接觸力曲線如圖2所示。經(jīng)綜合分析,接觸力各項特征值均滿足標準要求,轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量取5 mm時,錨段關(guān)節(jié)處接觸力波動最為平穩(wěn)。
圖2 轉(zhuǎn)換懸掛點不同抬升量接觸力曲線
轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量為0 mm時,關(guān)節(jié)處接觸力波動最為劇烈。未對接觸力進行20 Hz低通濾波處理的情況下,對比觀察轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量取0、5 mm時關(guān)節(jié)附近接觸力曲線,如圖3、圖4所示。抬升量取0 mm時,受電弓在懸臂跨即與錨段2匯流排接觸,受沖擊回落后與錨段2完全接觸,在錨段1懸臂跨脫離與錨段1的接觸。若弓頭質(zhì)量較大,受沖擊后弓頭可能與匯流排脫離接觸,出現(xiàn)離線現(xiàn)象。轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量取5 mm時,受電弓在錨段1的第2個懸掛點附近與錨段2匯流排開始接觸,在錨段2的第2個懸掛點與錨段1脫離接觸,接觸力波動幅度幾乎與中間跨持平。
圖3 轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量為0 mm時接觸力曲線
圖4 轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量為5 mm時接觸力曲線
中間跨相鄰跨距比較大時,突變跨容易形成負弛度。受電弓滑板若不能跟隨匯流排撓度的變化,則容易受到?jīng)_擊或與匯流排脫離接觸,不利于弓網(wǎng)受流。
中間跨標準跨距取8 m,相鄰跨距比值分別取2.0、1.75、1.5、1.25、1.0,即跨距突變跨對應(yīng)跨距分別為4、4.6、5.3、6.4、8 m,對應(yīng)匯流排撓度曲線如圖5所示。當相鄰跨距比較大時,受左右兩標準跨匯流排的自重影響,突變跨匯流排出現(xiàn)負弛度,相鄰兩跨匯流排弛度增大??缇嗤蛔兛绯掷m(xù)影響左右相鄰兩跨匯流排撓度。
圖5 不同相鄰跨距比對應(yīng)匯流排撓度曲線
受電弓以時速120 km運行,得到不同相鄰跨距比下接觸力曲線,僅分析跨距比變化點前兩跨與后三跨接觸力曲線,如圖6所示,對應(yīng)接觸力標準差見表2??梢钥闯?,接觸力最值均滿足標準要求,接觸力波動幅度并沒有隨相鄰跨距比值的不同出現(xiàn)明顯的變化,接觸力標準差差別不大。
表2 不同相鄰跨距比接觸力標準差
圖6 各相鄰跨距比對應(yīng)接觸力曲線
不同相鄰跨距比下,受電弓滑板位移見圖7。當相鄰跨距比值不為1時,滑板在跨距比變化懸掛點左右相鄰跨位移均突然變大,跨距比取1.25時滑板位移變化幅度較另外3種取值小。
圖7 不同跨距比滑板位移
考慮跨距變化跨左右懸掛點相對高差取值為跨距的0.5‰,經(jīng)仿真分析,接觸力各項特征值均滿足標準要求,滑板位移最值見表3。相鄰懸掛點相對高差引入后,滑板位移最值較無高差時明顯增大?;逦灰浦档耐蝗蛔兓瘯o受電弓結(jié)構(gòu)帶來突然變化的應(yīng)力,不利于受電弓長期安全穩(wěn)定服役。
表3 滑板位移最值 mm
為了便于錨段關(guān)節(jié)及隔離開關(guān)檢修,牽引所通常在列車進站端設(shè)置絕緣錨段關(guān)節(jié)。車站站端人防/防淹門、活塞/機械風孔等的存在不利于接觸網(wǎng)懸掛點的布置,懸掛點為了避開孔洞,會出現(xiàn)關(guān)節(jié)附近相鄰跨距比較大的情況。
為分析受電弓經(jīng)過錨段關(guān)節(jié)后,關(guān)節(jié)相鄰跨跨距突變時弓網(wǎng)受流性能,關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量取5 mm,關(guān)節(jié)跨距取2 m,第2跨距取4 m,第3跨距與第2跨距比值分別取2.0、1.75、1.5、1.25、1.125,即第3跨跨距分別為8、7、6、5、4.5 m,分析不同速度下弓網(wǎng)受流性能。
受電弓分別以時速80、100、120 km運行,以跨距比取值2.0與1.125為例,接觸力曲線如圖 8所示。可以看出,不同速度等級下,不同跨距比對應(yīng)的接觸力波動幅度差別不大。
圖8 跨距比取2.0與1.125時不同速度下接觸力曲線
統(tǒng)計分析前1/4錨段接觸力特征值,各工況下接觸力特征值均滿足標準要求。接觸力標準差反映了接觸力波動偏離平均值的程度,不同工況下接觸力標準差見圖9。
圖9 不同工況接觸力標準差
當關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量取5 mm時,受電弓以時速80 km通過站端錨段關(guān)節(jié)繼而通過關(guān)節(jié)相鄰跨距比較大的區(qū)段時,接觸力波動與相鄰跨距比成正相關(guān),但是差別極小,可以忽略跨距比的不同對弓網(wǎng)受流帶來的影響。
以跨距比取2.0為例,分析轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量分別取0、1、5 mm時弓網(wǎng)受流性能,前1/4錨段接觸力曲線見圖10。關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量的取值對關(guān)節(jié)處弓網(wǎng)取流性能影響較大。時速為120及100 km時,轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量的取值對關(guān)節(jié)以及關(guān)節(jié)相鄰跨距突變跨影響較大,該影響持續(xù)到前1/4錨段;時速為80 km時,轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量的取值僅對關(guān)節(jié)處弓網(wǎng)受流性能影響較大,該影響并未持續(xù)到關(guān)節(jié)相鄰跨距突變跨。
圖10 轉(zhuǎn)換懸掛點不同抬升量接觸力曲線
基于牽引網(wǎng)仿真平臺,在受電弓選用TSG18F型,剛性接觸網(wǎng)標準跨取8 m,靜態(tài)接觸力取120 N前提下,經(jīng)過大量弓網(wǎng)仿真分析,得到以下結(jié)論:關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量宜取值為5 mm;中間跨相鄰跨距比的不同取值對接觸力波動沒有明顯的影響,但對滑板位移影響較大,不利于受電弓長期安全穩(wěn)定服役;關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量對關(guān)節(jié)及關(guān)節(jié)相鄰跨距突變跨弓網(wǎng)性能影響較大,抬升量取5 mm時,受電弓以時速80 km通過站端關(guān)節(jié)及關(guān)節(jié)相鄰?fù)蛔兛鐣r,弓網(wǎng)取流性能不受影響。