受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用探究

閆軍杰

摘 要：受電弓及接觸網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中涉及了較多的內(nèi)容，為了使設(shè)計(jì)達(dá)到實(shí)際的要求，滿足列車運(yùn)行速度需求，需要結(jié)合有效的方法來進(jìn)行設(shè)計(jì)。文章通過對(duì)受電弓及接觸網(wǎng)幾何相互作用的闡述，結(jié)合受電弓及接觸網(wǎng)模型建立提出弓網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方法，分析弓網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方法應(yīng)用，使受電弓及接觸網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方法能夠得到有效應(yīng)用，保證設(shè)計(jì)的效果。

關(guān)鍵詞：受電弓;接觸網(wǎng);系統(tǒng);設(shè)計(jì)

1 受電弓及接觸網(wǎng)幾何相互作用

接觸線作為受電弓的滑道，不離開受電弓弓頭的工作范圍才可使受電弓沿著接觸網(wǎng)順利地滑行，接觸線在線路上方的幾何特點(diǎn)應(yīng)與受電弓幾何特點(diǎn)相適應(yīng)。受電弓及接觸網(wǎng)的幾何特點(diǎn)如下。

1.1 受電弓的幾何特征

受電弓的幾何外形小，對(duì)線路結(jié)構(gòu)限界要求比較低，同時(shí)接觸網(wǎng)的跨距比較小。當(dāng)幾何外形比較大的時(shí)候，接觸網(wǎng)可使用的跨距也會(huì)變大，對(duì)線路結(jié)構(gòu)限界要求會(huì)提高。各國(guó)的部門可結(jié)合自身的情況來明確受電弓的弓頭幾何外形，我國(guó)的鐵路受電弓弓頭幾何外形符合UIC608附4a規(guī)定，弓頭的長(zhǎng)度為1 950 mm，其工作范圍等于上部及下部工作位置之差，一般為2 000 mm左右[1]。

1.2 接觸網(wǎng)的幾何特征

接觸線在線路上方幾何特征數(shù)值可通過橫向及垂向兩個(gè)方面參數(shù)來表示，其中垂向特征數(shù)值中包括了接觸線的高度、坡度以及在定位點(diǎn)的抬升等。橫向特征數(shù)值中包括了接觸線拉出值、側(cè)風(fēng)作用的橫向偏移值等。垂向參數(shù)需要保證受電弓在工作范圍中的正常運(yùn)行，而垂直中心線的橫向參數(shù)應(yīng)保證有一支接觸線在弓頭工作范圍之內(nèi)。弓網(wǎng)接觸壓力測(cè)量可表明接觸線空間位置的不連續(xù)會(huì)導(dǎo)致接觸壓力的瞬間變化[2]。

2 受電弓及接觸網(wǎng)模型建立

需要對(duì)受電弓質(zhì)點(diǎn)、剛體系、柔性系動(dòng)力學(xué)模型等準(zhǔn)備好，利用動(dòng)態(tài)特性測(cè)量技術(shù)來獲取相應(yīng)的參數(shù)，結(jié)合參數(shù)來開展分析工作，再根據(jù)受電弓模型的情況進(jìn)行分析，明確其有效性，建立完善的模型庫(kù)。之后可利用模態(tài)法對(duì)剛性接觸網(wǎng)匯流排、定位懸掛結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了解，根據(jù)接觸網(wǎng)動(dòng)力學(xué)模型開展分析，再結(jié)合空間動(dòng)力學(xué)模型選擇相應(yīng)的方法，可開始進(jìn)行分析工作。運(yùn)用非線性函數(shù)來明確相應(yīng)的數(shù)值，根據(jù)動(dòng)力學(xué)矩陣等來明確接觸點(diǎn)的位置，經(jīng)過對(duì)受電弓、剛性接觸網(wǎng)動(dòng)力耦合模型的利用，可建立其他需要的模型，使模型的建立符合研究需求。完成了模型建立之后，可根據(jù)各模型的特點(diǎn)，以其為參考，并且使用恰當(dāng)?shù)哪Ｐ偷姆抡娣e分算法編寫仿真程序。

3 弓網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方法

3.1 弓網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)流程

弓網(wǎng)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)中包括了設(shè)計(jì)目標(biāo)、依據(jù)、流程及步驟、計(jì)算方法。弓網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)應(yīng)按照相應(yīng)的流程進(jìn)行。首先，需要明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合弓網(wǎng)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)情況來選擇受電弓類型，獲取仿真參數(shù)，之后需要選擇接觸網(wǎng)技術(shù)參數(shù)，提出相應(yīng)的方案。通過建立弓網(wǎng)系統(tǒng)建模及仿真來比較方案，再參考弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)相互作用性能分析是否符合要求，結(jié)合方案中的性能指標(biāo)來選出最佳的方案，并且綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)性方面的需求，確定方案。

3.2 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能評(píng)價(jià)依據(jù)

弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)中有接觸力統(tǒng)計(jì)量、定位點(diǎn)抬升統(tǒng)計(jì)量、燃弧統(tǒng)計(jì)量及離線率，結(jié)合我國(guó)的高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)容，參考弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)評(píng)價(jià)依據(jù)開展設(shè)計(jì)，其中包括了接觸力范圍、接觸力最大標(biāo)準(zhǔn)差、統(tǒng)計(jì)接觸力、最大燃弧率、定位點(diǎn)設(shè)計(jì)最大抬升及離線率?？赏ㄟ^燃弧率來進(jìn)行分析，一般弓網(wǎng)的燃弧前提是與弓網(wǎng)接觸力為0的時(shí)候，可將離線率作為燃弧率展開分析，根據(jù)要求的速度來確定符合列車運(yùn)行速度的受電弓的種類、數(shù)量。選擇接觸網(wǎng)技術(shù)參數(shù)的時(shí)候，需要確定接觸線、承力索線型的最小截面。在實(shí)際情況下，應(yīng)對(duì)接觸線磨損到一定程度下懸掛線索可符合牽引供電系統(tǒng)額定載流量、短路載流量的要求。接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性受到了設(shè)定受電弓接觸網(wǎng)懸掛參數(shù)、裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。確定了受電弓技術(shù)參數(shù)后，應(yīng)經(jīng)過分析制定與其相匹配的技術(shù)方案，使方案具有可行性，為實(shí)際的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)[3]。

3.3 接觸網(wǎng)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)

接觸網(wǎng)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)步驟及依據(jù)包括以下內(nèi)容，其中接觸線線型及張力設(shè)計(jì)依據(jù)是接觸線最小工作張力以及最大許用應(yīng)力;承力索線型及張力設(shè)計(jì)依據(jù)是承力索最大工作張力及承力索最大許用應(yīng)力;吊弦線型設(shè)計(jì)依據(jù)是吊弦結(jié)構(gòu)及吊弦間距、接觸線自重;跨距的設(shè)計(jì)依據(jù)是最大跨距、工程取值及跨中彈性及彈性不均勻系數(shù);彈性吊索線型及張力設(shè)計(jì)依據(jù)是彈性不均勻系數(shù)。拉出值設(shè)計(jì)依據(jù)與定位結(jié)構(gòu)及受電弓油管;定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)是定位形式、材料及結(jié)構(gòu)尺寸。

4 弓網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方法應(yīng)用

應(yīng)用第一節(jié)弓網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，制定出能夠滿足雙弓運(yùn)行速度要求的弓網(wǎng)系統(tǒng)方案。在該過程中，需要根據(jù)弓網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)使弓網(wǎng)系統(tǒng)初步方案明確，假設(shè)適應(yīng)380 km/h的受電弓使用SSS400+與CX-GI型，弓間距取最小值為200 m，經(jīng)過計(jì)算可得到承力索及接觸線截面積不小于95 mm2和120 mm2。根據(jù)弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程及接觸網(wǎng)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)，可得到相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。結(jié)合弓網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方法，建立相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型，通過對(duì)模型開展詳細(xì)的分析，可得到不同弓網(wǎng)初步方案的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。為了使仿真結(jié)果具有準(zhǔn)確性，可結(jié)合EN 50318—2002確認(rèn)流程來進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)合已經(jīng)確認(rèn)的弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)來進(jìn)行弓網(wǎng)初步方案動(dòng)態(tài)仿真。先建立SSS400+型和CX-GI型受電弓仿真模型，獲得相應(yīng)的參數(shù)，受電弓的總氣動(dòng)力按照0. 000 97v2選取，其中v表示的是受電弓運(yùn)行速度。建立接觸網(wǎng)初步方案中的仿真模型，簡(jiǎn)鏈錨段長(zhǎng)度暫取1 360 m，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)520～840 m，彈鏈錨段長(zhǎng)度取1 400 m，彈鏈弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)為500～900 m，經(jīng)過對(duì)方案1、2的比較分析，分別通過4中接觸網(wǎng)仿真模型，得到8種仿真工況，可結(jié)合動(dòng)力學(xué)仿真來得到各種工況的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。通常雙弓運(yùn)行后弓的接觸力波動(dòng)大，經(jīng)過對(duì)SSS400+型受電弓后弓方案1、3的彈性鏈型懸掛接觸網(wǎng)得到的接觸力曲線的分析，可知方案3的波動(dòng)比較大，而進(jìn)過對(duì)方案2、3的簡(jiǎn)單鏈型懸掛接觸網(wǎng)得到的接觸力曲線的分析，可知方案4的波動(dòng)比較大，分析可知彈性鏈型懸掛接觸網(wǎng)的接觸力波動(dòng)比較小。比較受電弓方案3同種接觸網(wǎng)的接觸力曲線，SSS400+型后弓的接觸力波動(dòng)相對(duì)CX-GI型后弓較小，結(jié)合8種弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，同種類型受電弓通過彈性鏈形懸掛接觸網(wǎng)的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差相比簡(jiǎn)單鏈型懸掛接觸網(wǎng)要小，而不同類型受電弓通過同種彈性鏈型懸掛接觸網(wǎng)，CX-GI 型受電弓的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差比 SSS400+型受電弓較大。通過對(duì)方案中指標(biāo)情況的分析可知接觸網(wǎng)方案1的技術(shù)參數(shù)可滿足兩種受電弓雙弓運(yùn)行速度380 km/h 的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能要求。通過對(duì)方案1的數(shù)值可計(jì)算出定點(diǎn)設(shè)計(jì)最大抬升量及定位器長(zhǎng)度、拉出值，確定相關(guān)參數(shù)，使設(shè)計(jì)順利完成[4]。結(jié)合弓網(wǎng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，使用接觸網(wǎng)振動(dòng)理論及弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)提出方案設(shè)計(jì)目標(biāo)、依據(jù)及流程，得到弓網(wǎng)系統(tǒng)方案通用設(shè)計(jì)方法，預(yù)測(cè)弓網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，加強(qiáng)弓網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。可應(yīng)用弓網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)能夠滿足列車運(yùn)行速度的方案，使設(shè)計(jì)能夠達(dá)到要求，為系統(tǒng)的運(yùn)行提供相應(yīng)的支持[5]。

5 ? 結(jié)語

在目前的鐵路體系中，受電弓及接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為其中的重要部分，影響著鐵路的運(yùn)行效果，通過對(duì)受電弓及接觸網(wǎng)的合理設(shè)計(jì)，可使其發(fā)揮出有效的作用，實(shí)現(xiàn)列車的穩(wěn)定運(yùn)行。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)明確弓網(wǎng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)流程、性能評(píng)價(jià)依據(jù)、參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真及方案選擇，采用恰當(dāng)?shù)姆绞竭x擇方案，保證選擇的合理性，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的保障。

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（編輯 傅金睿）