受电弓参数优化对弓网系统动态受流的影响

郭凤平

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,710043,西安∥工程师)

受电弓的优化方法大体分为两种:一种是在建立受电弓框架结构几何关系模型的基础上,根据列车平稳取流对受电弓机构提出的具体要求,以弓头平衡杆的平动为目标,以受电弓机构正常工作所要满足的条件为约束,采用优化技术,对受电弓机构进行优化,最后得到使受电弓性能达到最优的几何参数[1];另一种是建立弓网耦合方程,利用仿真软件进行数值模拟,先给定一组受电弓参数,在改变其中一个受电弓参数的条件下,进行弓网动态振动方程的求解,利用动态受流的评价标准,得到该参数的最佳值,同理得到其它参数的最佳值,即获得适合此种接触网的受电弓优化参数[2-4]。

本文采用两种方案进行分析比较。方案一:上述第二种方法;方案二:与上述与第二种方法相似,不同之处在于,当得到受电弓一个参数的优化值后,即将该参数换成优化值,再进行下一参数的分析,最终得到受电弓优化参数。

首先,给定一组弓网参数[5-6]:弓头质量10 kg,框架质量15 kg,弓头阻尼60 N·s/m,框架阻尼60 N·s/m,弓头刚度 7 600 N/m,框架刚度0;汇流排为PAC110型,接触线为AgCu120型,跨距8 m;悬挂装置是刚度为3.78×107N/m、质量为2.769 2 kg的弹簧,弓网接触刚度82 300 N/m。再建立二元受电弓-刚性接触网动态微分方程组,运用Newmark法编制仿真程序,利用Matlab软件进行数值模拟仿真分析。设列车运行速度为30 m/s。

1 方案一

(1)弓头质量的影响(见图1)。弓头质量小于10 kg时,接触压力变化较小;而当弓头质量大于15 kg时,接触压力急剧变化。应将弓头质量控制在15 kg以内。

图1 弓头质量的影响(方案一)

(2)框架质量的影响(见图2)。当框架质量小于23 kg时,对接触压力及其不均匀系数影响较大;当框架质量大于23 kg时,对接触压力影响较小。而且框架质量在10～15 kg范围内,弓网动态受流存在一个最差值,应尽量避免。

(3)弓头阻尼的影响(见图3)。随着弓头阻尼的增加,接触压力的最大值先减小后增大,而最小值恰恰相反。综合接触压力不均匀系数及均方根曲线,弓头阻尼为120 N·s/m左右时弓网受流最好。

(4)框架阻尼的影响(见图4)。受电弓框架阻尼对接触压力的影响较大,当框架阻尼小于300 N·s/m时,最大值、压力变化幅度和接触压力不均匀系数随着阻尼的增大而减小,最小值随着阻尼的增大而增大;当框架阻尼大于300 N·s/m时,各值变化较小。从弓网特性的综合角度考虑,框架阻尼取400 N·s/m左右。

(5)弓头刚度的影响(见图5)。弓头刚度对接触压力的影响较大,随着弓头刚度的增加,接触压力的最大值和不均匀系数先略有减小后迅速增大,而最小值先略有增大后快速减小,在4 600 N/m左右存在一个最佳值。

图2 框架质量的影响(方案一)

图3 弓头阻尼的影响(方案一)

图4 框架阻尼的影响(方案一)

(6)框架刚度的影响[4]。为了保证受电弓在不同的弓头工作高度时静接触力恒为常值,框架刚度的理想值应为0。实际的机械结构难以严格实现这一要求,但通过对机构尺度的优化,基本能把框架刚度控制在很小的范围内。

综合以上分析,方案一受电弓的最优参数为:弓头质量7 kg,框架质量25 kg,弓头阻尼120 N·s/m,框架阻尼400 N·s/m,弓头刚度4 600 N/m,框架刚度为0。

图5 弓头刚度的影响(方案一)

2 方案二

由于受刚度及强度的限制,受电弓的质量参数不可能过小,因此,受电弓的最优参数应是在一定的弓头质量和框架质量下的最优组合。本方案采用方案一得到的弓头质量与框架质量参数进行其他参数的优化。在仿真分析的过程中发现,先进行弓头刚度的优化效果较好,而且框架阻尼的大小对弓头阻尼的选取影响很大。故先进行弓头刚度的选取,再进行框架阻尼的选取,最后进行弓头阻尼的选取。

(1)弓头刚度的影响(见图6)。随着弓头刚度的增大,最大值先减小后增大,而最小值先增大后减小,那么,必定存在一个最佳值。再根据接触压力不均匀系数及均方根曲线可知,当弓头刚度为3 400 N/m时,弓网受流较好。

图6 弓头刚度的影响(方案二)

(2)框架阻尼的影响(见图7)。受电弓框架阻尼对接触压力的影响较小,综合各参数,框架阻尼最优参数在100 N·s/m左右。

(3)弓头阻尼的影响(见图8)。接触压力最大值先减小后增大,而最小值先增大后减小,在弓头阻尼小于50 N·s/m范围内存在一个最佳值。再由接触压力不均匀系数和均方根的曲线可知,弓头阻尼为30 N·s/m左右时,弓网受流最好。

图7 框架阻尼的影响(方案二)

图8 弓头阻尼的影响(方案二)

经过以上分析,得到方案二的受电弓最优参数为:弓头质量7 kg,框架质量 25 kg,弓头阻尼 30 N·s/m,框架阻尼100 N·s/m,弓头刚度3 400 N/m,框架刚度为0。

3 两种方案比较

在相同的接触网参数、列车运行速度为30 m/s条件下,运用Matlab软件进行仿真计算,得到两种方案下的动态抬升量和接触压力,如图9所示。

图9 两种方案比较

计算得到两种方案接触压力的相关数据如下。

可见,采用方案二获得的受电弓优化参数,弓网受流特性相对较好。在设计弓网系统时,可以根据需要,合理选取受电弓参数,提高弓网系统受流质量。

[1]刘红娇.受电弓机构几何参数优化与主动控制的研究[D].成都:西南交通大学机械工程学院,2002.

[2]梅桂明,张卫华.受电弓垂向动力学线性化模型及特性研究[J].铁道学报,2002(5):28.

[3]刑海军,麻士绮,杨绍普.受电弓动态参数研究[J].振动、测试与诊断,2002(3):206.

[4]李曼,郭京波,刘尚坤.受电弓动态参数的研究[J].机械工程师,2006(3):101.

[5]梅桂明,张卫华.刚性悬挂接触网动力学研究[J].铁道学报,2003(2):24.

[6]王胜.刚性悬挂自由振动特性分析[J].电气化铁道,2005(2):39.