基于SIMPACK的受电弓结构参数研究*

马果垒，高秀军，宋 瑶

（北京赛德高科铁道电气科技有限责任公司，北京100176）

基于SIMPACK的受电弓结构参数研究*

马果垒，高秀军，宋 瑶

（北京赛德高科铁道电气科技有限责任公司，北京100176）

利用多体系统动力学技术，借助多体系统动力学软件SIMPACK建立受电弓—接触网耦合仿真试验平台。通过仿真试验平台对受电弓模态进行了分析，同时研究了受电弓参数对弓网动态特性的影响。系统研究受电弓—接触网系统的目的在于优化其结构及悬挂参数，以改善弓网受流特性，设计最佳性能的受电弓。

受电弓；接触网；SIMPACK；机车车辆振动

受电弓是电力牵引机车车辆的关键设备，主要由底架、升降系统、上框架、上导杆、下臂、下导杆和弓头等组成，受电弓的功能是保证电流能够从架空线传送到机车车辆的电气系统。

受电弓的组成结构见图1。

随着机车车辆运行速度的不断提高，对受电弓性能要求越来越高。优化受电弓的动力学性能是弓网动力学研究中非常重要的研究内容。

通常，受电弓多采用三元或二元［1-3］等效质量模型进行弓网仿真研究。通过等效质量模型虽可以简化模型参数，提高仿真效率，但当需要对受电弓组成部件进行详细优化研究时，等效质量模型显得过于简化。

本文利用多体系统动力学软件建立受电弓真实的杆件模型，可以对受电弓组成部件参数进行详细研究。而且随着速度的提高，受电弓上框架表现出弹性［4］，见图2。

图2 受电弓上框架弹性示意图

建模时，对比研究受电弓上框架刚体和弹性模型。

1 模型建立

本文利用DSA380受电弓进行建模研究。DSA380高速受电弓由弓头、框架、底架和传动机构4部分组成，而框架又由上臂、下臂、下导杆和上导杆等杆件组成，各杆件通过铰接连接在一起。底架支持框架，通过绝缘子固定在车顶上，框架通过升弓装置支持弓头，传动机构作用于下臂杆来实现升弓动作。气动升弓装置安装在底座上，通过钢丝绳作用位于下臂杆下部的扇形板，从而实现升弓过程。滑板安装在弓头支架上，弓头支架垂悬在4个拉簧下方。

通过机构运动分析可知，受电弓框架仅有一个自由度，即升弓角α，而弓头作为一个悬挂的空间刚体，完整的自由度是6个。垂向耦合特性是受电弓与接触网的主要耦合特性，即弓网之间的垂向接触力。因此凡是影响这个力变化的因素都要考虑进去。因此，受电弓的弓头仅考虑3个自由度：垂向运动、侧滚运动和点头运动。上框架考虑刚性和弹性两种模型。

受电弓仿真模型见图3。

图3 受电弓SIPMPACK仿真模型

受电弓各个部件的材料分别为：

底架：不锈钢；

下导杆：不锈钢；

下臂：铝合金；

上臂：铝合金；

弓头支架：钛合金；

滑板托架：铝合金。

2 受电弓模态分析

固有振动反映振动系统的固有特性，是研究一切振动问题的基础。

当上框架考虑为刚体时，受电弓有4个独立的自由度，1个是下臂杆的转角，其他3个是弓头的垂向运动、侧滚运动和点头运动。因此，受电弓有4个自振频率，频率较低的是下臂杆的自振频率，频率较高的是弓头的自振频率，由高到低依次是点头运动、垂向运动和侧滚运动，该频率主要与弓头弹簧的刚度有关。

当上框架考虑为弹性时，由于将上框架考虑为弹性体，其自由度将增多，模态分布也更丰富。两种模型模态对比见表1。

从表1中，可以看出考虑上框架弹性模型模态成分要比上框架为刚体模型模态丰富得多。上框架的一阶垂向弯曲模态出现在6～7 Hz之间，频率较低。根据研究可知接触网是一个低频系统，当弓网耦合时很容易激发出上框架的这一弹性模态。

3 弓网动力学仿真分析

选取武广线接触网参数，建立弓网耦合模型［5-7］，结果见图4。

表1 不同模型受电弓模态对比

图4 两种模型不同速度接触力比较

从图4中，可以看出当速度较低时，两种模型的接触力变化不大；当速度增大后，上框架考虑为弹性模型接触力明显要优于上框架为刚体模型。

因此，在高速时，将上框架考虑为弹性更能体现受电弓的真实状态。

4 受电弓参数影响

4.1 框架阻尼器

受电弓中，在下臂和底座间安装有阻尼器。为了了解它的作用，对有（无）阻尼器两种工况进行仿真。图5为300 km/h速度下有（无）阻尼器接触压力的比较。从图5中可知，不装阻尼器随着速度的提高在所谓接触网硬点处会产生很大的冲击，装有阻尼器的受电弓对于接触力的冲击具有很好的吸收作用，可见框架阻尼对提高受流质量是十分有效的。

图5 速度300 km/h有（无）阻尼器条件下接触力比较

4.2 弓头质量

图6是300 km/h速度下弓头质量为15 kg和8.722 kg时弓网接触力的比较。

图6 速度300 km/h不同弓头质量的影响

弓头质量的减小，可提高弓头运动的加速度，也就是提高了弓头的跟随能力。可以看到，当弓头质量减小时，接触线硬点对接触压力的影响就减小。所以在可能的条件下应降低弓头的质量。

4.3 弓头悬挂阻尼

弓头阻尼能有效地抑制受电弓振动，但阻尼只对共振频率附近领域内有利，过大的阻尼反而阻碍弓头的运动，影响其跟随性。图7为300 km/h速度不同弓头阻尼下的接触压力计算结果比较。当没有弓头悬挂阻尼时，在受到不平顺扰动后，接触压力会持续较大振幅的振动，对受流极为不利。因此，在接触线平顺性好的接触网下运行的受电弓，其阻尼可小些，当接触线平顺性不好时，应加大弓头悬挂阻尼。

图7 速度300 km/h不同悬挂阻尼的影响

4.4 框架杆件质量影响

图8是300 km/h速度下框架质量对弓网接触力的影响比较。

图8 速度300 km/h框架杆件质量的影响

从图8中可以看出当增大上框架和平衡杆的质量时会使受流质量变差。另外，对拉杆和下臂杆进行分析，可以得到同样的结论。在满足强度与刚度的前提下，最大限度减小受电弓框架各杆件的质量，以改善弓网动态性能是受电弓设计的关键问题。

5 结束语

本文利用多体动力学技术，借助多体系统动力学软件SIMPACK，以DSA380受电弓为例，对受电弓结构特性进行了详细研究，得出如下结论：

（1）高速时，应将上框架考虑为弹性体；

（2）受电弓结构参数对弓网动态特性具有重要影响：增大弓头和框架质量会使弓网动态特性变差；阻尼器会改善弓网动态特性。

［1］ 马果垒.委内瑞拉铁路DSA250弓网受流特性分析［J］.铁道机车车辆，2012，32（2）：104-108.

［2］ Weihua Zhang，Yi Liu，Guiming Mei.Evaluation of the coupled dynamical response of a pantograph-catenary system：contact force and stresses［J］.Vehicle System Dynamics，2006，44（8）：645-658.

［3］ 张卫华.机车车辆车辆动态模拟［M］.北京：中国铁道出版社，2006.

［4］ 马果垒.受电弓系统研究［D］.成都：西南交通大学，2009.

［5］ 马果垒，马 君，等.基于多体系统动力学的受电弓参数优化［J］.大连交通大学学报，2010，31（4）：15-21.

［6］ 张卫华，黄 标，梅桂明.基于虚拟样机技术的高速弓网系统研究［J］.铁道学报，2005，27（4）：30-35.

［7］ 黄 标.基于虚拟样机技术的受电弓/接触网系统研究［D］.成都：西南交通大学，2004.

［8］ 翟婉明，蔡成标.机车—轨道耦合振动对受电弓—接触网系统动力学的影响［J］.铁道学报，1998，20（1）：32-38.

Research on Structure Parameters of Pantograph Based on SIMPACK

MA Guolei，GAO Xiujun，SONG Yao
（CNR beijing CED Railway Electric Tech.Co.，Ltd.，Beijing 100176，China）

By using the multibody system dynamics technology and SIMPACK software，the simulation platform of the pantographcatenary coupling system was established in the design procedure of high-speed pantograph.Modal analysis of pantograph was researched，and the response of contact force and vibration of the pantograph-catenary system under different running speed was calculated.Research on pantograph-catenary system was to reach optimum design purpose of pantograph structure and suspension parameters，thus improve the current collecting quality，so it has a guidance meaning for the design of pantograph.Application of virtual prototyping in research on pantograph-catenary system accelerates the design speed，and reduces the design cost and shortens developing time of product.

pantograph；catenary；SIMPACK；locomotive vibration

U225.4

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.28

1008－7842（2014）01－0126－03

*国家科技支撑计划资助项目（2009BAG12A05）。

4—）男，工程师（

2013－08－18）