城市軌道交通車輛受電弓等效質(zhì)量分析研究*

于淑君 楊 儉 方 宇 陳曉麗

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,201620,上海∥第一作者,碩士研究生)

城市軌道交通車輛通過(guò)受電弓從接觸網(wǎng)上取得電能。受電弓工作的特點(diǎn)是靠滑動(dòng)接觸而受流。對(duì)其性能的基本要求是滑板與接觸導(dǎo)線接觸可靠、磨耗小,升、降弓時(shí)不產(chǎn)生過(guò)分沖擊,在運(yùn)行中要求受電弓動(dòng)作輕巧、平穩(wěn)、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性好。受流質(zhì)量是指受電弓集電頭和接觸網(wǎng)間流通負(fù)荷電流的流暢程度,其取決于受電弓和接觸網(wǎng)之間的相互作用。受電弓與接觸網(wǎng)的穩(wěn)定接觸是城市軌道交通車輛獲得良好受流的重要條件[1]。良好的動(dòng)態(tài)受流是保證電動(dòng)列車實(shí)現(xiàn)正常供電的關(guān)鍵問(wèn)題之一。由于受電弓和接觸導(dǎo)線相互作用的結(jié)果,接觸系統(tǒng)產(chǎn)生周期性的振動(dòng),特別是在高速運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)共振。這些由于列車運(yùn)行而引發(fā)的現(xiàn)象都與受電弓的等效質(zhì)量有關(guān)。受電弓的等效質(zhì)量即是受電弓的運(yùn)動(dòng)部分等效到弓頭上的質(zhì)量[2]。因此,有必要研究受電弓的各個(gè)部分對(duì)受電弓等效質(zhì)量的影響,以保證受電弓在各部件剛度足夠的條件下得到最小的等效質(zhì)量。

1 受電弓結(jié)構(gòu)分析

受電弓是電動(dòng)車從接觸網(wǎng)取得電能的電氣設(shè)備,安裝在軌道交通車輛動(dòng)車的車頂上。以上海軌道交通1號(hào)線SBE 920型受電弓為例,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 受電弓結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

受電弓升弓系統(tǒng)施力于弓頭,使之向上的垂直力為靜態(tài)接觸壓力。接觸網(wǎng)沿線各點(diǎn)的剛度不同,使接觸導(dǎo)線在受到受電弓接觸壓力作用時(shí)產(chǎn)生不同程度的上升,從而使受電弓在列車運(yùn)行中產(chǎn)生上下振動(dòng)[3]。因此,受電弓附加承受一個(gè)受其本身等效質(zhì)量和接觸網(wǎng)剛度所影響的上下交變的動(dòng)態(tài)接觸壓力。上述作用力的合力,如果太小則受流質(zhì)量不佳,如果太大則會(huì)增加接觸導(dǎo)線和弓頭接觸板的磨損[4]。為保證受電弓具有可靠的受流質(zhì)量,應(yīng)盡量減小受電弓的等效質(zhì)量和弓頭的質(zhì)量,增加接觸懸掛的彈性均勻性。

2 受電弓等效質(zhì)量計(jì)算模型

受電弓等效質(zhì)量的計(jì)算依據(jù)是動(dòng)能相等原理[5]。首先將受電弓底座固定,并假定整個(gè)受電弓只有一個(gè)自由度,取推桿升角α為廣義坐標(biāo),計(jì)算出受電弓的動(dòng)能;然后將整個(gè)受電弓的動(dòng)能變換為受電弓支架上的集中質(zhì)量豎向運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的動(dòng)能,根據(jù)動(dòng)能相等原理計(jì)算出受電弓的等效質(zhì)量。受電弓弓頭在整個(gè)受電弓的等效質(zhì)量中的貢獻(xiàn)值就等于弓頭的質(zhì)量。圖2是受電弓計(jì)算簡(jiǎn)圖。

圖2 受電弓計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.1 升弓高度與升角之間的關(guān)系

利用圖2,可得 3個(gè)升弓角 α,β,γ與升弓高 L的關(guān)系式：

編寫(xiě)程序可得受電弓的3個(gè)升弓角和升弓高之間的關(guān)系曲線(如圖3所示)。

圖3 受電弓下臂桿、推桿和上框架的升弓角(β、α、γ)與升弓高 L 之間的關(guān)系圖

由圖3可見(jiàn),在 L=0.5～2.0 m時(shí),有著很好的線性關(guān)系。根據(jù)圖3曲線可得如下的線性關(guān)系：

2.2 受電弓的動(dòng)能計(jì)算

受電弓各組成部分的動(dòng)能分別為：

式中：

x——上框架質(zhì)心沿車輛縱向的位移;

y——上框架質(zhì)心沿車輛橫向的位移;

m——上框架的質(zhì)量;

h——B點(diǎn)到上框架質(zhì)心的距離。

則有：

將式(8)代入式(6)可得：

因此,整個(gè)受電弓框架的動(dòng)能T為：

式中：

2.3 受電弓等效質(zhì)量計(jì)算

將由式(12)得到的角速度α?代入式(10),得受電弓框架的動(dòng)能：

因此可得等效質(zhì)量me為：

式(14)僅適用于升弓高度為0.5～2.0 m之間的等效質(zhì)量計(jì)算。上海城市軌道交通受電弓的升弓高度在0.305～1.740 m之間。將式(14)應(yīng)用于上海城市軌道交通受電弓求得的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 上海城市軌道交通車輛受電弓各部件在框架等效質(zhì)量中的比值

3 結(jié)論

城市軌道交通車輛受電弓下臂桿和推桿在整個(gè)受電弓框架等效質(zhì)量中的等效值隨高度略有變化,但變化不大,并且隨著升弓高度的增加(即上框架仰角的增大),受電弓等效質(zhì)量逐漸減小。影響受電弓框架等效質(zhì)量的主要結(jié)構(gòu)部件是上框架。它在整個(gè)受電弓等效質(zhì)量中所占的份額接近70%,若要降低受電弓的等效質(zhì)量,應(yīng)首先降低上框架的質(zhì)量。例如,可將上框架用高強(qiáng)度、輕質(zhì)材料代替。所以,只要設(shè)法降低受電弓弓頭的質(zhì)量和受電弓上框架的質(zhì)量,就可以降低受電弓的質(zhì)量,以增加接觸懸掛的彈性均勻性,從而提高受流質(zhì)量。

[1]郭京波,楊紹普,高國(guó)生.高速鐵路接觸網(wǎng)—受電弓系統(tǒng)受流穩(wěn)定性[J].動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào),2004,2(3)：60.

[2]邢海軍,麻士琦,楊紹普.受電弓動(dòng)態(tài)參數(shù)研究[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷,2002,22(3)：206.

[3]Jerrelind J,Stensson A.Nonlineardynamicbehaviourof coupled suspension sy stems meccanica[J].Meccanica,2003,38(1)：43.

[4]Li F L,Li M,T ang J X.Establishment of the pantog raphs mechanical models and measurement of their parameters[J].Journal of Central South University：Science and Technology,2006,37(1)：194.

[5]李豐良,孫焰,粟謙.TSG受電弓的歸算質(zhì)量[J].鐵道學(xué)報(bào),1998,20(2)：55.

[6]O'Connor D N,Eppinger S D,Seering W P,et al.Active Control of a High-Speed Pantog raph[J].Journal of Dynamic Systems,Measurement and Control,1997,119(1)：1.