時速160公里剛性接觸網(wǎng)定位點導(dǎo)高偏差研究

東 升

0 引言

我國城市軌道交通發(fā)展迅速，由于剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)具有零部件少、斷線故障少及維護工作量小的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)[1]。目前國內(nèi)剛性接觸網(wǎng)運營最高速度達到160 km/h，列車高速運行時，弓網(wǎng)動態(tài)性能的優(yōu)劣直接影響弓網(wǎng)系統(tǒng)的運營安全性。由于施工精度等多方面因素，剛性接觸網(wǎng)定位點導(dǎo)高存在偏差，定位點導(dǎo)高偏差過大導(dǎo)致受電弓運行不平穩(wěn)，會對弓網(wǎng)動態(tài)性能產(chǎn)生顯著影響，因此有必要對160 km/h剛性接觸網(wǎng)定位點導(dǎo)高偏差進行研究。

文獻[2-4]基于有限元理論建立了剛性接觸網(wǎng)與受電弓的仿真模型，并進行了靜力分析與模態(tài)分析，得到剛性接觸網(wǎng)的固有頻率，利用弓網(wǎng)耦合模型對跨距、弓頭剛度、弓頭阻尼、懸掛結(jié)構(gòu)等效剛度等弓網(wǎng)參數(shù)進行了研究。文獻[5]進行了受電弓靜態(tài)抬升力選取，并利用正交實驗法對受電弓結(jié)構(gòu)參數(shù)影響弓網(wǎng)受流性能的重要程度進行研究。文獻[6]基于有限元法建立弓網(wǎng)仿真模型，分析了全錨段定位點剛度整體變化以及僅錨段關(guān)節(jié)處定位點變化時的弓網(wǎng)動態(tài)性能。文獻[7-8]將剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)等效為彈簧結(jié)構(gòu)，受電弓結(jié)構(gòu)等效為質(zhì)量塊模型，對跨距及懸掛結(jié)構(gòu)剛度等進行了研究。文獻[9]建立了弓網(wǎng)仿真模型，對160 km/h剛性接觸網(wǎng)的跨距、定位點剛度、受電弓結(jié)構(gòu)參數(shù)及關(guān)節(jié)類型進行研究。

目前并無相關(guān)文獻對160 km/h剛性接觸網(wǎng)定位點導(dǎo)高偏差進行研究。本文基于有限元理論與力學(xué)理論建立剛性接觸網(wǎng)匯流排與懸掛結(jié)構(gòu)的仿真模型，利用弓網(wǎng)仿真模型對160 km/h剛性接觸網(wǎng)不同跨距時的定位點導(dǎo)高偏差進行研究，基于弓網(wǎng)動態(tài)性能評價指標，分析比較不同仿真工況的計算結(jié)果，得出160 km/h剛性接觸網(wǎng)定位點導(dǎo)高偏差允許值。

1 弓網(wǎng)仿真模型

剛性接觸網(wǎng)由匯流排、接觸線、懸掛與定位結(jié)構(gòu)等組成，接觸線夾持在匯流排中。懸掛與定位結(jié)構(gòu)分為門式懸掛結(jié)構(gòu)與懸臂式懸掛結(jié)構(gòu)。門式懸掛結(jié)構(gòu)通常應(yīng)用于地鐵直流供電系統(tǒng)中；在速度等級達到160 km/h時，供電系統(tǒng)采用交流制式，絕緣距離增加，此時懸掛與定位結(jié)構(gòu)通常采用懸臂式懸掛結(jié)構(gòu)。剛性接觸網(wǎng)錨段與錨段之間的重疊區(qū)段為錨段關(guān)節(jié)，錨段關(guān)節(jié)分為交錯式錨段關(guān)節(jié)及膨脹元件式錨段關(guān)節(jié)。交錯式錨段關(guān)節(jié)利用兩錨段剛性接觸網(wǎng)幾何空間存在等高點，并將錨段末端抬高70 mm，保證受電弓從錨段之間順利過渡，本文錨段關(guān)節(jié)采用交錯式錨段關(guān)節(jié)。

采用有限元法構(gòu)建剛性接觸網(wǎng)仿真模型，并對模型進行簡化。仿真建模時，將匯流排與接觸線視為整體結(jié)構(gòu)，采用歐拉梁beam單元建立匯流排仿真模型，如圖1所示。懸臂式懸掛結(jié)構(gòu)仿真模型可采用彈簧與質(zhì)點結(jié)構(gòu)構(gòu)建，但在速度較高時，該建模方法與實際結(jié)構(gòu)誤差較大，因此采用梁單元將實際模型簡化處理后進行建模，如圖2所示。

圖1 匯流排仿真模型

圖2 懸臂式懸掛結(jié)構(gòu)仿真模型

通過受電弓與接觸線接觸，獲取電能為機車供電。目前采用的受電弓為單臂、雙四連桿結(jié)構(gòu)，由弓頭、上框架、下臂桿、傳動系統(tǒng)與底架等組成。受電弓仿真模型分為剛?cè)狁詈夏Ｐ汀①|(zhì)點系模型等，考慮計算效率及計算精度，本文采用質(zhì)點系模型。質(zhì)點系模型為三質(zhì)量塊模型，采用質(zhì)點-彈簧-阻尼結(jié)構(gòu)，如圖3所示（DSA250型受電弓）。

圖3 受電弓三質(zhì)量塊模型

2 弓網(wǎng)動態(tài)性能評價指標

受電弓與接觸線通過接觸力相互接觸，由于弓網(wǎng)系統(tǒng)的振動導(dǎo)致接觸力時刻變化，接觸力過大會導(dǎo)致弓網(wǎng)機械磨耗加劇，零部件振動加劇，影響服役性能；接觸力過小會導(dǎo)致弓網(wǎng)離線，產(chǎn)生電弧，加劇弓網(wǎng)電氣磨耗。因此為保證良好的弓網(wǎng)動態(tài)性能，接觸力應(yīng)在一定范圍內(nèi)波動。

弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸力是時刻變化的，通常使用弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸力數(shù)理統(tǒng)計值作為評價指標，其主要包括接觸力最大值Fmax、接觸力最小值Fmin、接觸力平均值Fm、接觸力標準偏差σ。文獻[10]對弓網(wǎng)間相互作用的動態(tài)性能指標進行了規(guī)定：交流供電系統(tǒng)中速度等級v≤200 km/h，F(xiàn)max= 300 N，F(xiàn)min＞0 N，F(xiàn)m≤0.000 47v2+90，接觸力標準偏差σ≤0.3Fm。當弓網(wǎng)接觸力為0時，弓網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)離線，弓網(wǎng)動態(tài)性能較差。弓網(wǎng)系統(tǒng)不存在離線狀態(tài)時，接觸力標準偏差越小、最大值越小、最小值越大，則弓網(wǎng)系統(tǒng)受流性能越好。

3 定位點導(dǎo)高偏差研究

建立標準跨距分別為8、7 m的剛性接觸網(wǎng)仿真模型，8 m跨距的錨段長度為497 m，7 m跨距的錨段長度為495 m。目前，針對剛性接觸網(wǎng)定位點導(dǎo)高偏差的研究可以從全錨段定位點導(dǎo)高偏差為正態(tài)分布、定位點導(dǎo)高偏差及相鄰定位點的導(dǎo)高偏差控制值入手，由于全錨段定位點導(dǎo)高偏差為正態(tài)分布的方式不能有效指導(dǎo)現(xiàn)場施工，因此采用定位點導(dǎo)高偏差及相鄰定位點的導(dǎo)高偏差控制值進行研究。

假定定位點導(dǎo)高為5 300 mm，定位點導(dǎo)高偏差分別為±1、±2、±3、±4、±5、±6、±7、±8、±9、±10 mm，且相鄰定位點的導(dǎo)高偏差分別不超過±1、±2、±3、±4、±5、±6、±7、±8、±9、±10 mm。

3.1 不同標準跨距下導(dǎo)高偏差仿真分析

受電弓以160 km/h速度通過2個8 m跨距的錨段，對接觸力數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計，得到接觸力統(tǒng)計值，如表1所示。

表1 標準跨距為8 m的弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計

由表1可知，隨著定位點導(dǎo)高偏差的增大，接觸力最大值增大，最小值減小，標準偏差也增大，這表明弓網(wǎng)動態(tài)性能更差。當定位點導(dǎo)高偏差在±6 mm及以上時，接觸力最小值為0 N，表明弓網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)離線狀態(tài)，弓網(wǎng)之間已經(jīng)不能良好受流。因此在標準跨距為8 m時，定位點導(dǎo)高允許偏差為±5 mm，且相鄰定位點導(dǎo)高偏差不超過±5 mm。

受電弓以160 km/h速度通過2個7 m跨距的錨段，對接觸力進行數(shù)理統(tǒng)計，得到接觸力統(tǒng)計值，如表2所示。

表2 標準跨距為7 m的弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計

由表2可知，隨著定位點導(dǎo)高偏差的增大，接觸力最大值增大，最小值減小，標準偏差也增大，表明弓網(wǎng)動態(tài)性能更差。當定位點導(dǎo)高偏差在±8 mm及以上時，接觸力最小值為0 N，表明弓網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)離線狀態(tài)，弓網(wǎng)之間已經(jīng)不能良好受流。因此在標準跨距為7 m時，定位點導(dǎo)高允許偏差為±7 mm，且相鄰定位點導(dǎo)高偏差不超過±7 mm。

將不同標準跨距定位點導(dǎo)高存在偏差的弓網(wǎng)接觸力標準偏差進行比較分析，如圖4所示。

圖4 不同標準跨距定位點導(dǎo)高偏差的弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計

由圖4可知，在同一定位點導(dǎo)高存在偏差時，隨著跨距的增加，接觸力標準偏差也增大，弓網(wǎng)動態(tài)性能越差。在不同定位點導(dǎo)高偏差的工況下，8 m跨距的接觸力標準偏差均比7 m跨距的接觸力標準偏差大，表明增大跨距需減小定位點導(dǎo)高偏差。

3.2 錨段關(guān)節(jié)處定位點導(dǎo)高偏差仿真分析

錨段關(guān)節(jié)是剛性接觸網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，受電弓經(jīng)過時產(chǎn)生劇烈振動，導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸力產(chǎn)生顯著波動。減小錨段關(guān)節(jié)區(qū)段的4組定位點的導(dǎo)高偏差，可減小該區(qū)段弓網(wǎng)接觸力的波動，提升弓網(wǎng)受流質(zhì)量。假定錨段關(guān)節(jié)區(qū)段的4組定位點的導(dǎo)高偏差分別為±1、±2、±3、±4 mm且相鄰定位點的導(dǎo)高偏差分別不超過±1、±2、±3、±4 mm，研究減小錨段關(guān)節(jié)區(qū)段的4組定位點導(dǎo)高偏差的弓網(wǎng)動態(tài)性能。

在標準跨距為8 m時，普通區(qū)段的定位點導(dǎo)高允許偏差為±5 mm，且相鄰定位點導(dǎo)高偏差不超過±5 mm；在標準跨距為7 m時，普通區(qū)段的定位點導(dǎo)高允許偏差為±7 mm，且相鄰定位點導(dǎo)高偏差不超過±7 mm；對比分析不同工況下的弓網(wǎng)動態(tài)性能。

對比分析不同工況下的弓網(wǎng)動態(tài)性能。對接觸力進行數(shù)理統(tǒng)計，得到接觸力統(tǒng)計值，如表3、表4所示。

表3 標準跨距為8 m時錨段關(guān)節(jié)區(qū)段4組定位點的導(dǎo)高偏差弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計

表4 標準跨距為7 m時錨段關(guān)節(jié)區(qū)段的4組定位點的導(dǎo)高偏差弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計

分別對比分析表1～表4可知，在標準跨距分別為8 m與7 m時，與全錨段定位點的導(dǎo)高偏差分別為5 mm與7 mm時相比，在減小錨段關(guān)節(jié)定位點導(dǎo)高偏差時，其弓網(wǎng)接觸力標準偏差顯著減小，弓網(wǎng)動態(tài)性能提升。

4 結(jié)論

通過建立受電弓與剛性接觸網(wǎng)仿真模型，研究160 km/h速度下不同標準跨距下定位點導(dǎo)高偏差控制值，得到以下結(jié)論：

（1）隨著定位點導(dǎo)高偏差的增大，接觸力波動越劇烈，接觸力最大值增大，接觸力最小值減小，接觸力標準偏差增大，弓網(wǎng)動態(tài)性能更差。

（2）160 km/h剛性接觸網(wǎng)在標準跨距為8 m時，定位點導(dǎo)高允許偏差為±5 mm，且相鄰定位點導(dǎo)高偏差不超過±5 mm；在標準跨距為7 m時，定位點導(dǎo)高允許偏差為±7 mm，且相鄰定位點導(dǎo)高偏差不超過±7 mm。

（3）在同一定位點導(dǎo)高偏差下，隨著跨距的增加，接觸力標準偏差增大，弓網(wǎng)動態(tài)性能變差。為保證良好的弓網(wǎng)動態(tài)性能，增大跨距則需要減小定位點導(dǎo)高偏差。

（4）為保證更加良好的弓網(wǎng)動態(tài)性能，應(yīng)減小錨段關(guān)節(jié)區(qū)段4組定位點的導(dǎo)高偏差，建議工程實施時錨段關(guān)節(jié)區(qū)段4組定位點的導(dǎo)高偏差不超過±3 mm，以保證受電弓的運行軌跡更加平穩(wěn)。