剛性接觸網(wǎng)跨距的速度適應(yīng)性研究

喬錦新

摘 要：為研究不同速度等級(jí)下剛性接觸網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)跨距值。本研究利用弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真手段，選取弓網(wǎng)接觸力標(biāo)準(zhǔn)差、最大值、最小值為性能指標(biāo)，比較分析剛性接觸網(wǎng)跨距為6 m和8 m時(shí)不同運(yùn)行速度、不同受電弓類型下的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能。為得到更優(yōu)的弓網(wǎng)接觸力性能指標(biāo)，剛性接觸網(wǎng)在160 km/h及以下速度運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)跨距宜選用8 m;在200 km/h及以下速度運(yùn)行時(shí)，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)跨距值宜選用6 m;DSA250型受電弓與6 m跨距剛性接觸網(wǎng)的接觸質(zhì)量具有優(yōu)勢(shì)，統(tǒng)計(jì)值能滿足240 km/h運(yùn)行要求。

關(guān)鍵詞：弓網(wǎng)仿真;剛性接觸網(wǎng);跨距;接觸力

中圖分類號(hào)：U225.1 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）9-0084-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.09.018

Study on the Dynamic Performance of Overhead Conductor Rail and Pantograph with Different Rail Span

QIAO Jinxin

（China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi'an 710075， China）

Abstract： In order to study the standard span value of rigid catenary under different speed grades. This paper uses the pantograph dynamic simulation method to select the standard deviation， maximum and minimum of the pantograph contact force as performance indicators， and compares and analyzes the rigid catenary spans of 6 m and 8 m at different operating speeds and different pantograph types. Dynamic performance of bow net. In order to obtain a better performance index of the pantograph and net contact force， when the rigid catenary is operating at a speed of 160 km/h and below， the corresponding standard span should be 8 m; when operating at a speed of 200 km/h and below ， the corresponding standard span value should be 6 m; the contact quality of DSA250 pantograph and the rigid catenary with 6 m span has advantages， and the statistical value can meet the 240 km/h operation requirement.

Keywords：pantograph and net simulation; rigid catenary; span; contact force

0 引言

2002年，剛性接觸網(wǎng)在廣州市地鐵二號(hào)線取得試掛成功。自此以后，剛性接觸網(wǎng)作為一種架空接觸網(wǎng)在城軌交通中得到大量應(yīng)用[1]。與柔性接觸網(wǎng)相比，由匯流排固定接觸線的剛性懸掛模式具有載流量大、維修少、無(wú)斷線事故等優(yōu)點(diǎn)[2]。

對(duì)于剛性接觸網(wǎng)的研究，其核心在于弓網(wǎng)關(guān)系。而迄今國(guó)內(nèi)外對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系的研究主要集中在如何建立弓網(wǎng)模型、基于已有弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的動(dòng)力響應(yīng)分析等方面，而研究弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題則較少[3]。江洪澤[4]對(duì)剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)受流進(jìn)行了研究，在運(yùn)行速度不超過(guò)80 km/h的前提下，提出了不離線受流約束模型。王世軒[5]基于模態(tài)疊加法理論建立接觸網(wǎng)動(dòng)力模型，并對(duì)剛?cè)徇^(guò)渡及錨段關(guān)節(jié)復(fù)雜位置處的弓網(wǎng)動(dòng)力性能進(jìn)行了研究。原華[6]則對(duì)錨段關(guān)節(jié)及中間接頭特殊部位的弓網(wǎng)受流進(jìn)行研究。MAK[7]則從建設(shè)成本、可靠性、可維修性等方面對(duì)剛性接觸網(wǎng)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析。仿真分析結(jié)果表面，剛性懸掛模式可達(dá)130 km/h的運(yùn)行速度[8]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者較多通過(guò)建立弓網(wǎng)有限元模型研究單因素下的弓網(wǎng)動(dòng)力響應(yīng)，其影響因素包括運(yùn)行速度、接觸力、懸掛結(jié)構(gòu)及受電弓弓頭質(zhì)量等。而接觸網(wǎng)跨距將直接影響剛性接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)受流[9]。目前，運(yùn)行速度大于160 km/h的剛性接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)跨距有6 m和8 m兩種，但尚未對(duì)兩種標(biāo)準(zhǔn)跨距的速度適應(yīng)性進(jìn)行深入研究。

本研究搭建弓網(wǎng)仿真動(dòng)態(tài)模型，以接觸力為性能指標(biāo)，對(duì)比分析接觸網(wǎng)跨距為6 m和8 m時(shí)，在不同運(yùn)行速度、不同受電弓類型下的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能，提出160 km/h和200 km/h運(yùn)行速度下的剛性接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)跨距值，為剛性接觸網(wǎng)工程設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 受電弓與剛性接觸網(wǎng)仿真建模

1.1 受電弓模型

借助質(zhì)點(diǎn)系模型對(duì)受電弓垂直方向振動(dòng)行為進(jìn)行分析，等效為質(zhì)量-彈簧-阻尼若干單元，具體如圖1所示。

可以選取三種滿足最高速度為160～200 km/h的受電弓型號(hào)，其質(zhì)點(diǎn)系模型參數(shù)見表1。

1.2 接觸網(wǎng)模型

在建立剛性接觸網(wǎng)空間動(dòng)力學(xué)模型過(guò)程中，考慮拉出值變化、匯流排截面慣性矩大的原因，按照“S”或“C”字形考慮;拉出值相比于錨段長(zhǎng)度而言可忽略，接觸網(wǎng)匯流排梁?jiǎn)卧梢暈橹绷?，模型空間推廣到三維空間，剛性接觸網(wǎng)的空間有限元模型[10]，具體如圖2所示。

重疊區(qū)域單元和節(jié)點(diǎn)不存在約束關(guān)系，使受電弓從第1支剛性接觸網(wǎng)過(guò)渡到第2支剛性接觸網(wǎng)，錨段關(guān)節(jié)區(qū)段受電弓會(huì)在某個(gè)范圍與兩支接觸網(wǎng)接觸，該區(qū)域應(yīng)增加單元數(shù)量。對(duì)兩支接觸網(wǎng)進(jìn)行了離散化處理，8和9節(jié)點(diǎn)存在邊界約束，具體如圖3所示。

2 跨距對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能的影響分析

2.1 跨距6 m

剛性接觸網(wǎng)跨距值設(shè)為6 m，拉出值設(shè)為300 mm，基于前面搭建的剛性接觸網(wǎng)模型，搭建錨段長(zhǎng)度皆為250 m的剛性接觸網(wǎng)兩錨段仿真模型[11]。

剛性接觸網(wǎng)的懸掛結(jié)構(gòu)具有一定的剛度，但由于目前缺少相關(guān)資料，現(xiàn)假設(shè)剛性接觸網(wǎng)的懸掛結(jié)構(gòu)為剛性懸掛，定位點(diǎn)剛度選取6.7×107 N/m。

當(dāng)接觸網(wǎng)跨距為6 m時(shí)，以DSA200、DSA250、DSA380三種類型受電弓為例，對(duì)不同速度運(yùn)行下的接觸力進(jìn)行仿真。得到接觸力標(biāo)準(zhǔn)差、最值和0.3Fm-σ（0.3倍平均接觸力減標(biāo)準(zhǔn)差）如圖4、圖5、圖6所示。

從圖中可以看出，160 km/h及以下運(yùn)行速度時(shí)三種類型受電弓的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差、最值和0.3Fm-σ增幅相當(dāng);以200 km/h及以上速度運(yùn)行DSA200、DSA250、DSA380型受電弓的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差、最值和0.3Fm-σ增幅出現(xiàn)較大差異;DSA200型受電弓在220 km/h速度等級(jí)時(shí)接觸力最小值或0.3Fm-σ超出標(biāo)準(zhǔn)要求，而DSA250、DSA380型受電弓增加至240 km/h速度等級(jí)時(shí)也出現(xiàn)超標(biāo)。

2.2 跨距8 m

當(dāng)接觸網(wǎng)跨距為8 m時(shí)，得到上述三種3種受電弓接觸力標(biāo)準(zhǔn)差、最值和0.3Fm-σ如圖7、圖8、圖9所示。從圖中可以看出，160 km/h及以下運(yùn)行速度時(shí)DSA200、DSA250、DSA380型受電弓的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差和0.3Fm-σ增幅相當(dāng);速度在100 km/h時(shí)的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差、最值差比60 km/h和120 km/h時(shí)大，此速度等級(jí)下與受電弓固有頻率接近[12]，故振幅較大;DSA200、DSA250、DSA380型受電弓在220 km/h速度等級(jí)時(shí)接觸力最小值或0.3Fm-σ超出標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 不同跨距接觸力指標(biāo)比較

綜合以上分析，不同跨距下當(dāng)受電弓與剛性接觸網(wǎng)運(yùn)行速度超過(guò)一定值時(shí)，接觸力標(biāo)準(zhǔn)差翻倍、甚至?xí)瓗妆?，接觸力波動(dòng)變化劇烈，但在該值以下DSA200、DSA250、DSA380型受電弓的接觸力標(biāo)準(zhǔn)差隨速度增加而逐步遞增，增加幅度緩和。

不同類型、不同跨距的受電弓接觸力標(biāo)準(zhǔn)差如圖10所示。由圖可知，不同跨距對(duì)DSA200受電弓的影響較小，理論最高運(yùn)行速度為200 km/h。跨距變大對(duì)DSA250、DSA380受電弓的接觸力有一定影響，理論最高運(yùn)行速度有所減小。由接觸力標(biāo)準(zhǔn)差可知，運(yùn)行速度在160 km/h及以下時(shí)，兩種跨距接觸力具有相近的離散程度，看不出何種跨距具有優(yōu)勢(shì)，但運(yùn)行速度在200 km/h以上時(shí)，DSA250型受電弓與6 m跨距剛性接觸網(wǎng)的接觸質(zhì)量具有優(yōu)勢(shì)，統(tǒng)計(jì)值能滿足240 km/h運(yùn)行要求。

為進(jìn)一步比較DSA380受電弓在不同跨距的接觸力最值變化情況，如圖11所示。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)運(yùn)行速度在200 km/h及以下跨距為8 m時(shí)接觸力最大值比跨距6 m小，前者的接觸力最小值比后者的大，最值差小。200 km/h以上速度等級(jí)跨距6 m時(shí)最值范圍具有優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

利用弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真手段，針對(duì)剛性網(wǎng)在不同跨距（6 m、8 m）、不同速度、不同受電弓類型，得出以下結(jié)論。

①運(yùn)行速度不大于160 km/h時(shí)剛性接觸網(wǎng)宜選用跨距8 m作為標(biāo)準(zhǔn)跨距值。

②運(yùn)行速度不大于200 km/h時(shí)剛性接觸網(wǎng)宜選用跨距6 m作為標(biāo)準(zhǔn)跨距值。

③DSA250型受電弓與6 m跨距剛性接觸網(wǎng)的接觸質(zhì)量具有優(yōu)勢(shì)，統(tǒng)計(jì)值能滿足240 km/h運(yùn)行要求。

以上研究結(jié)論可為160～200 km/h剛性接觸網(wǎng)工程提供理論設(shè)計(jì)依據(jù)。

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