基于ADAMS的地铁弓网耦合仿真分析

田 珂，高仕斌，于金鑫



基于ADAMS的地铁弓网耦合仿真分析

田 珂，高仕斌，于金鑫

对地铁列车TSG18E型受电弓及刚性接触网建立三维实体模型，利用有限元分析软件Ansys对模型进行模态分析；利用多体动力学软件Adams建立受电弓与刚性接触网的耦合动力学模型，分析列车运行速度、弓头刚度与弓头质量等弓网结构参数对动态接触压力的影响，为改善弓网结构参数提供参考。

受电弓；刚性接触网；有限元分析；耦合动力学模型；弓网结构参数

0 引言

弓网系统是列车取电及供电系统供电的主要设备，列车通过受电弓与接触网的接触获得驱动电能，实现平稳、快速运行。城市轨道交通线路大多处于地下隧道空间，相较于大部分电气化铁路所使用的柔性接触网，地铁采用的刚性悬挂接触网零部件更少，更加安全可靠[1]。

弓网系统建模方法在弓网耦合仿真研究中尤为重要，常用的弓网建模方法多采用二元、三元和多元受电弓质量块模型。该方法将受电弓等效为经过归算的质量块与弹簧相连接的模型，使受电弓模型得到简化，有利于提高仿真计算效率，但当涉及研究受电弓各个零部件的形变及应力情况时，质量块模型则不再适用[2]。随着计算机技术特别是虚拟样机技术的快速发展，弓网系统的仿真研究进入到了人机交互的三维可视化阶段，强大的虚拟样机仿真软件为弓网系统的研究提供了高效的工具，使高速状态下的计算结果更为精确[3，4]。

本文针对地铁列车TSG18E型受电弓，在三维绘图软件SolidWorks中建立其1∶1的实体模型，对部分复杂零部件进行简化处理；对于刚性接触网，同样建立汇流排和接触线的实体模型，刚性悬挂结构可用弹簧替代；使用Ansys软件将模型转换为mnf中性文件，将mnf文件导入至多体动力学软件Adams中，并添加约束条件，建立受电弓与刚性接触网的耦合动力学模型，研究各结构参数对弓网动态接触压力的影响，为地铁弓网系统的结构设计和维护管理提供参考。

1 模型搭建

针对地铁列车TSG18E型受电弓，利用三维绘图软件SolidWorks进行模型搭建研究。TSG18E型受电弓由弓头、上框架、下框架、拉杆、平衡杆和升弓气囊等部件和装置组成。其中，升弓气囊装置及其附属部件的结构较复杂，在建模时可全部舍去，可在下臂杆与底架连接点添加升弓转矩替代升弓装置；弓头由4条碳滑板、弓角与托架组成，仿真时可将弓头模型建立为柔性体；各个臂杆、拉杆、平衡杆等杆件在建模时采用铰接连接，在Adams中表现为旋转副形式。

对于刚性接触网的建模，可选取PAC110型汇流排和门式悬挂结构[5]，其汇流排截面呈“π”形，如图1所示，刚性悬挂结构则可以等效简化为一个下部具有集中质量的弹簧系统。

在建立弓网耦合模型时，受电弓的弓头部分可转换为柔性体导入至Adams，其余结构保持为刚体；刚性接触网的整个锚段可转换为柔性体导入至Adams，由弹簧悬吊固定。受电弓与刚性接触网耦合模型如图2所示。

图1 刚性接触网汇流排与接触线模型

图2 受电弓与刚性接触网耦合模型

2 模态分析

弓网耦合动力学分析属于振动问题范畴，振动模态特性是弹性结构固有的、整体的特性，反映结构的动力性能。通过模态分析能够求出弹性结构共振频率及振型，以此为参考优化结构参数，以减小共振对结构的损害[6]。利用Ansys可得到接触网模型的共振频率与模态振型，针对等跨距布置的接触网，计算6、8、10 m不同跨距的前6阶共振频率（表1），并列出10 m跨距的前3阶模态（图3）。

由表1可见，随着跨距的增大，刚性悬挂接触网共振频率显著减小；对于某一确定跨距长度，随着模态阶次提高，共振频率呈非线性增加。

表1 刚性接触网不同跨距前6阶共振频率 Hz

图3 跨距为10 m时前3阶模态振型

对于跨距及布置方式相同的刚性接触网，仅改变跨距大小时，刚性接触网对应阶次的振型相似，其中第1阶次振型均呈等幅正弦形式，偶数阶振型对称，奇数阶振型反对称。

同样可对受电弓弓头滑板进行模态分析，图4为受电弓弓头滑板的前3阶模态振型，滑板形变主要表现为弯曲形变，且固有频率较大，模态特性与其截面形状密切相关[7]。

图4 受电弓弓头滑板前3阶模态振型

3 弓网动力学仿真

将接触网柔性体模型与受电弓刚柔耦合模型导入至Adams中，添加弓网结构间约束条件。受电弓与接触线之间的耦合接触可采用Adams软件自带的基于碰撞函数[8]的“Impact”算法实现，其理论计算式为

式中，为等效接触刚度，为接触物体的挤压变形大小，为与材料属性有关的材料刚度贡献值指数，为等效阻尼。

设置求解器为GSTIFF-I3，接触参数选取= 82 300 N/m，= 1.5，= 300 N·s/m，进行弓网耦合动力学仿真。仿真的原始参考条件：跨距为10 m，抬升力为120 N，速度为120 km/h，弓头刚度为 19 700 N/m，弓头质量为12.3 kg，弓头阻尼为 40 N·s/m，接触刚度为82 300 N/m，悬挂刚度为3.78×107N/m。

3.1 柔性体弓头的影响

将弓头转换为柔性体的受电弓刚柔耦合模型与受电弓刚体模型进行对比，速度为120 km/h，仿真结果如图5所示。

图5 受电弓刚柔耦合模型与刚体模型接触压力

由图5可以看出，弓头转换为柔性体的受电弓刚柔耦合模型的受流效果比刚体模型好，刚体模型仿真图中存在较多突变。因此，在进行弓网仿真时，可将受电弓弓头考虑为柔性体。

3.2 列车运行速度的影响

改变列车运行速度，研究运行速度分别为60、80、100、120、140、160 km/h时的接触压力变化情况。

图6所示为运行速度分别为80和160 km/h时的弓网动态接触压力波形，可以看出，速度为 160 km/h时的接触压力波动明显比80 km/h时大，受流效果较差。图7为接触压力各指标随速度变化折线图，从图中可以看出，随着列车运行速度增大，弓网接触压力最大值与标准差均变大，最小值变小，平均值基本不变，受流质量变差。因此，列车运行时应将速度控制在合理范围内，以降低弓网离线的概率。

图6 速度为80、160 km/h时弓网动态接触压力

图7 接触压力各指标随速度变化折线图

3.3 弓头刚度的影响

改变弓头弹簧刚度，研究弓头刚度分别为 4 000、8 000、12 000、16 000、20 000 N/m时接触压力的变化情况，仿真结果如图8所示。可以看出，随着弓头弹簧刚度增大，弓网接触压力最大值与标准差均变大，最小值变小，平均值基本不变，授流质量变差。仅从优化弓网动力特性的角度分析，弓头宜选用刚度较小的弹簧。

3.4 弓头质量的影响

改变弓头质量，研究弓头质量分别为8.3、10.3、12.3、14.3 kg时接触压力的变化情况。表2为不同弓头质量下接触压力各指标情况。

由表2可知，弓头质量越大，其惯性越大，弓头的跟随能力下降，受流质量变差。在进行受电弓结构设计时，宜在合理范围内降低弓头质量。

图8 接触压力各指标随弓头刚度变化折线图

表2 不同弓头质量下接触压力各指标情况 N

3.5 静态抬升力的影响

改变静态抬升力，研究静态抬升力分别为80、100、120、140 N时接触压力的变化情况，接触压力各指标与静态抬升力的关系如表3所示。

表3 不同静态抬升力下接触压力各指标情况 N

由表3可知，随着静态抬升力的增大，接触压力标准差变大但变化范围较小。综合考虑，受电弓静态抬升力应控制在100～120 N范围内。

4 结论

本文针对地铁列车TSG18E型受电弓与刚性接触网，在三维绘图软件SolidWorks中建立其1∶1的实体模型，并对模型进行了模态分析。通过建立弓网耦合模型，研究了列车运行速度、弓头刚度与弓头质量等参数对弓网动态接触压力的影响，得出如下结论：

（1）弓头转换为柔性体的受电弓刚柔耦合模型比刚体模型受流效果好，在进行弓网仿真时，可将受电弓弓头考虑为柔性体。

（2）弓网动态接触压力与弓网结构参数等因素密切相关：弓头刚度与弓头质量变大会使受流效果变差，应在受电弓结构设计范围内减小弓头刚度与弓头质量；列车运行时，应将静态抬升力控制在100～120 N范围内，列车速度控制在合理范围内，降低弓网离线的概率，提高弓网授流质量。

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The three dimensions models of the TSG18E pantograph and rigid suspension catenary were designed in SOLIDWORKS, the modes and natural frequencies of the pantograph and catenary have been calculated by using ANSYS software. Then a simulative coupling model of pantograph and rigid suspension catenary was established in ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems). Furthermore, the influence of the contact force was studied under change of the structural parameters, such as the speed of the train, the stiffness and mass of pantograph head, several proposals for the design and construction of the models were put forward.

Pantograph; rigid suspension catenary; ANSYS; simulative coupling model; structural parameters

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.014

U225.4

A

1007-936X(2018)05-0051-04

2018-01-26

田 珂，于金鑫.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生；

高仕斌.西南交通大学电气工程学院，教授。