双弓作用下锚段关节处弓网耦合系统受流分析

王 晖,张忠林,毕继红

(天津大学建筑工程学院,天津 300072)

高速列车运行过程中,机车通过受电弓从接触线上获取电能,在高速情况下稳定受流是列车正常运行的保证,为此弓网关系也就成为研究设计人员关注的焦点。研究表明,双弓机车可以有效的降低离线率,提高受流质量[1～4]。特殊情况下,例如在冬天的时候,接触网上结了一层薄冰,这时升双弓,前弓把冰给刮掉,后弓能够很好的受流。研究还发现,锚段关节处更易出现受流不稳定的问题[5],研究关节处的受流情况有应用的价值。

本文以sss400+受电弓、CTMH150-2接触线为原型,基于大型有限元软件ANSYS建立了2个连续锚段的双弓弓网耦合系统的有限元模型。采用单一变量的方法,研究了跨距、列车运行速度、弓头质量、接触线张力、双弓间距等参数对双弓弓网耦合系统在锚段关节处动态受流特性的影响。以期为铁路的提速和旧线路改造提供有价值的参考。

1 仿真模型和评价标准

1.1 接触网模型

接触网示意如图1所示,包括承力索、接触线、弹性吊索、吊弦、上下线夹及一些附属结构(用集中质量代替)。表1所示为某线接触网参数。接触线、承力索及弹性吊索采用Beam4单元模拟；吊弦采用Combin39单元模拟；上下线夹及集中质量均采用Mass21单元模拟。

图1 接触网示意

1.2 受电弓模型

受电弓以sss400+为原型,计算模型如图2所示。采用三元集中质量模型[6～8],质量块采用Mass21单元模拟,弹簧采用Combin14单元模拟。表2所示为某线受电弓参数，图中Mi,Ki,Ci,fi分别为受电弓模型中的质量,刚度,阻尼及干摩擦；Fk为受电弓的静态抬升力,189 N。双弓间距201 m。

表1 接触网参数

图2 受电弓计算模型

质量/kg阻尼/(Ns/m)刚度/(N/m)干摩擦力/NM1M2M3C1C2C3K1K2K3f1f2f36.056.4140064.9581313600038.58.5

1.3 弓网耦合

受电弓与接触网之间的耦合是通过设置“接触对”的方式来实现的[5]。接触线作为目标单元采用Targe169单元模拟,受电弓作为接触单元采用Conta175单元模拟,形成接触对,建立起弓网耦合系统；在建立锚段关节时,将2个锚段的接触线分别设置成目标单元,弓头分别与第1锚段、第2锚段建立接触对,以实现受电弓运行时从第1锚段向第2锚段的过渡。

1.4 评价标准

以大型有限元计算软件ANSYS为基础,利用时间-历程后处理器,提取动态接触力、弓头位移以及接触线位移的数据。参照欧洲联盟和日本制定的受流质量评价标准[9],以接触力的最值、幅值和标准差,弓头位移的最大值、标准差和接触线位移的最大值、标准差来评价整个系统的受流质量。

2 仿真结果及分析

提取中间锚段处的数据,采用单一变量法,分析各因素对受流质量的影响。

2.1 列车运行速度的影响

不同列车速度下,接触力和位移变化如图3、图4所示。

图3 接触力随列车速度的变化

图4 位移随列车速度的变化

随着速度的增长,前弓和后弓接触力最小值变小、幅值变大,后弓接触力标准差增大,说明受流质量逐渐变差；同时随速度增大,后弓弓头位移最大值也逐渐增大；速度增大到380 km/h时,后弓出现离线现象,可见在高速时,后弓受流质量对速度的变化更加敏感,但前弓受流质量仍优于后弓。

2.2 双弓间距的影响

不同双弓间距下,接触力和位移的变化如图5、图6所示。

图5 接触力随双弓间距变化

图6 位移随双弓间距变化

当双弓间距为150、201 m和250 m时,后弓接触力最小值较大,幅值较小,标准差较小,受流质量较好。即当双弓间距为跨距的整数倍加半跨时,后弓受流质量最差。对于前弓,这种规律表现不明显,但前弓受流质量仍优于后弓。弓头位移和接触线位移随双弓间距的改变变化不大。

2.3 接触线张力的影响

接触线张力选取不同数值时,接触力、位移随接触线张力的变化如图7、图8所示。

图7 接触力随接触线张力的变化

图8 位移随接触线张力的变化

随着接触线张力的增大,前弓接触力的最大值、最小值逐渐增大,接触力标准差亦有变小的趋势,说明前弓受流质量逐渐提高。前弓弓头和接触线位移的最大值和标准差都随着接触线张力的增大逐渐减小,这是因为接触线张力越大,整个接触网的刚度就越大,这对前弓受流有利。后弓接触力标准差也随接触线张力的增大而减小,说明接触线张力增大同样对后弓受流有利,但是后弓的受流状态受前弓的影响,受流质量较差。

2.4 弓头质量的影响

不同受电弓弓头质量下,接触力、位移随弓头质量变化如图9、图10所示。

图9 接触力随弓头质量变化

图10 位移随弓头质量变化

随着弓头质量的增大,后弓接触力最小值减小,幅值增大,平均值减小,标准差变大,后弓受流质量变差。弓头质量的增加对前弓接触力的影响并不显著。随着弓头质量的增大,前弓、后弓和接触线位移的变化规律一致,都为位移最大值增大,标准差增大,受流质量有变差的趋势。总体而言,随着弓头质量的增加,受流质量变差。

2.5 跨距的影响

不同跨距下,接触力、位移随跨距变化如图11、图12所示。

图11 接触力随跨距变化

图12 位移随弓头质量变化

跨距改变对弓头接触力的影响不大。但在50 m时,前弓接触力最大值最小,幅值最小,标准差最小,后弓接触力最小值最大,标准差最小,受流质量最好。位移方面,在50 m时,后弓和接触线位移的最大值最小、标准差最小,受流较好。

这是因为跨距增大时整个接触网的弹性增大,对受流不利。高速铁路更适合用小跨距,但也应考虑造价的因素。

3 结论

在列车高速运行情况下,锚段关节的受流情况变得更加复杂。速度提高,受流质量变差,且后弓受流质量对速度的变化更加敏感；当双弓间距为跨距的整数倍加半跨时,后弓受流质量最差,但对于前弓这一规律不再明显；提高接触线的张力、减小弓头质量、减小跨距可以提高锚段关节处的受流质量。受前弓在接触线上运动产生振动波的影响,锚段处后弓的受流质量仍比前弓差。

[1] 于万聚.高速接触网的受流稳定分析[J].西铁科技,1996(2)：38-44.

[2] 于 涤.高速接触网受流的理论分析[J].铁道学报,1998,20(5)：58-64.

[3] Gao X. Contact wire zigzag value detection in the electrified railway, Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, 2001,4285:60-68.

[4] 卫仙凤.双弓作用下弓网耦合系统的动态模拟分析[D].天津：天津大学,2010.

[5] 孟令倩.柔性悬挂系统的参数化建模及锚段关节的受流分析[D].天津：天津大学,2010.

[6] 李 鹏.弓-网耦合系统的动态模拟及疲劳分析[D].天津：天津大学,2009.

[7] 李丰良,等.受电弓的力学分析示例[J].铁道学报,2000,22(5)：21-23.

[8] 李丰良,等.TSG3受电弓的归算质量[J].铁道学报,1998,20(2)：55-58.

[9] 黄 维.高速接触网悬挂参数标准与评价研究[D].成都：西南交通大学,2007.