受力變形后的受電弓板簧氣動特性二維數(shù)值研究

摘 要：本文利用Ansys軟件對板簧進行靜力分析，計算不同載荷下板簧的受力變形情況，接下來對變形后板簧截面的氣動特性進行數(shù)值仿真，得出板簧氣動力隨壓力的變化規(guī)律，提出合理的板簧變形控制方案，補償弓網(wǎng)間的接觸壓力，保證受電弓良好的受流質(zhì)量，為受電弓穩(wěn)定受流的氣動補償控制做出可行性預(yù)測。

關(guān)鍵詞：受電弓；板簧；翼型；氣動特性

1 引言

受電弓在高速運行會產(chǎn)生各種空氣動力學(xué)效應(yīng)，其部件在高速氣流中會產(chǎn)生一定的氣動升力與氣動阻力，如圖1所示的板簧是臂桿與滑板的連接件，板簧能提供大阻尼及多向剛度，對弓網(wǎng)間接觸起到改善作用，同時其流線型外形，也能減小氣動噪聲。在列車運行時，板簧要給滑板提供一定的支撐力，以維持弓網(wǎng)間的接觸力，板簧在受力后，會產(chǎn)生一定的變形量，從而使得板簧外形發(fā)生改變，在結(jié)構(gòu)上，這種變形是細微的的，但由于受電弓是在高速氣流中運行，隨著運行速度的提高，這種變形所帶來的空氣動力學(xué)影響會不斷增加，受電弓板簧變形控制，即通過板簧變形量產(chǎn)生的氣動力變化對弓網(wǎng)間接觸力進行主動控制，以改善弓網(wǎng)受流。

研究板簧對受電弓高速受流的影響，即是研究板簧在高速運行時，板簧變形后產(chǎn)生的升力及阻力對受電弓接觸壓力的影響。導(dǎo)流板的橫剖面可以視為翼型，由于板簧變形控制的控制機理是通過變形板簧帶來的氣動力變化而改善受電弓氣動特性，滿足高速受流要求。文章的基本思路就是運用ANSYS軟件對板簧受力變形進行數(shù)值仿真，模擬出板簧在不同受力情況下的變形情況，得到變形量之后，在FLUENT軟件中進行建模，模擬出板簧在高速氣流中的空氣動力學(xué)特性，計算出在不同受力變形情況下板簧的氣動力，通過研究其變化規(guī)律，為受電弓板簧變形控制提供理論基礎(chǔ)。

2 板簧受力變形分析

圖2為板簧受到35N時壓力云圖，最大應(yīng)力處為板簧上板與下板連接處，且最大應(yīng)力值隨著載荷的增加而增大。

圖3為板簧受到70N 時節(jié)點位移圖，可以在數(shù)字上很直觀的看到板簧在受到一定載荷后發(fā)生的變形量，最大位移處為板簧與滑板及弓頭結(jié)合處，且這種變形量隨著載荷的增大而增大。在受到35N的載荷時，最大變形量約為5.883mm；當(dāng)受到70N載荷作用時，最大變形量約為11.766mm；當(dāng)受到105N載荷作用時，最大變形量約為17.701mm。

3 板簧空氣動力學(xué)仿真

3.1 仿真結(jié)果

如圖4為板簧受到70N時板簧變形后截面壓力分布云圖，通過分析可以看出，所受的風(fēng)壓峰值位置大多在前緣附近，從兩側(cè)逐漸減小。隨著載荷的增加，上板簧被壓下，外形發(fā)生變化，隨著板簧的變形，上部受到的空氣壓力增大，從而使得板簧受到鄉(xiāng)下的氣動力增大。

3.2 變形板簧升阻特性

由以上模擬結(jié)果，可以得出板簧在不同受力情況下的各種系數(shù)指標，圖5是升力系數(shù)及阻力系數(shù)隨板簧不同受力變形后的變化圖。從圖中可以看出，升力系數(shù)隨著施力的增大而急劇減小，阻力系數(shù)基本上不變，緩慢上升。

3.3 板簧產(chǎn)生的氣動力

單個板簧在受到不同壓力的情況下，用于其變形產(chǎn)生的升力及阻力隨板簧受力的變化規(guī)律如圖6。氣動阻力基本處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)，隨著板簧受力的增加，呈現(xiàn)緩慢的上升趨勢，而升力變化則不同，隨著板簧受力的增加，向下的負升力急劇增大。

4 板簧控制機理

板簧用于高速受電弓氣動補償控制主要是從接觸力與板簧的變形直接導(dǎo)致升力變化來考慮的。

直接以平均接觸力為參照，把實際接觸力與平均接觸力的差值作為補償控制的反饋量，需要一個把接觸力變化轉(zhuǎn)換為板簧受力變形變化的控制機構(gòu)，而且接觸力變化與板簧受力之間的增益系數(shù)需要滿足接觸力控制目標的要求。圖7是變形板簧運用于弓網(wǎng)接觸力補償控制原理圖，在受電弓的運行過程中，由于受到外界因數(shù)的干擾以及接觸網(wǎng)線本省固有的特性，弓網(wǎng)間接觸壓力會隨著時間的變化而呈現(xiàn)周期性的變化，當(dāng)接觸力大于或小于標準的平均接觸壓力時，需要板簧提供一個抵消這種差異的氣動影響力。

5 結(jié)束語

本文首先利用Ansys對受電弓板簧進行了受力變形的簡單模擬，通過模擬后的結(jié)果，在Fluent中重建板簧模型，對變形板簧在風(fēng)場中的狀況進行模擬計算，觀察變形板簧周圍的風(fēng)場情況，從中得到板簧的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，最后再利用升阻特性公式獲得受電弓板簧隨列車高速運行時產(chǎn)生的升力及阻力，為板簧變形控制應(yīng)用于改善受電弓受流特性提供進行理論基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].西南交通大學(xué)出版社，2002.

[2]吳學(xué)杰，張衛(wèi)華.接觸網(wǎng)-受電弓振動主動控制問題的研究[J].振動工程學(xué)報，2002（1）.

[3]程維.電氣化鐵道受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)受流特性研究[D].西南交通大學(xué).