郭鳳平

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,710043,西安∥工程師)

受電弓的優(yōu)化方法大體分為兩種:一種是在建立受電弓框架結(jié)構(gòu)幾何關(guān)系模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)列車(chē)平穩(wěn)取流對(duì)受電弓機(jī)構(gòu)提出的具體要求,以弓頭平衡桿的平動(dòng)為目標(biāo),以受電弓機(jī)構(gòu)正常工作所要滿(mǎn)足的條件為約束,采用優(yōu)化技術(shù),對(duì)受電弓機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,最后得到使受電弓性能達(dá)到最優(yōu)的幾何參數(shù)[1];另一種是建立弓網(wǎng)耦合方程,利用仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,先給定一組受電弓參數(shù),在改變其中一個(gè)受電弓參數(shù)的條件下,進(jìn)行弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)振動(dòng)方程的求解,利用動(dòng)態(tài)受流的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),得到該參數(shù)的最佳值,同理得到其它參數(shù)的最佳值,即獲得適合此種接觸網(wǎng)的受電弓優(yōu)化參數(shù)[2-4]。

本文采用兩種方案進(jìn)行分析比較。方案一:上述第二種方法;方案二:與上述與第二種方法相似,不同之處在于,當(dāng)?shù)玫绞茈姽粋€(gè)參數(shù)的優(yōu)化值后,即將該參數(shù)換成優(yōu)化值,再進(jìn)行下一參數(shù)的分析,最終得到受電弓優(yōu)化參數(shù)。

首先,給定一組弓網(wǎng)參數(shù)[5-6]:弓頭質(zhì)量10 kg,框架質(zhì)量15 kg,弓頭阻尼60 N·s/m,框架阻尼60 N·s/m,弓頭剛度 7 600 N/m,框架剛度0;匯流排為PAC110型,接觸線(xiàn)為AgCu120型,跨距8 m;懸掛裝置是剛度為3.78×107N/m、質(zhì)量為2.769 2 kg的彈簧,弓網(wǎng)接觸剛度82 300 N/m。再建立二元受電弓-剛性接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)微分方程組,運(yùn)用Newmark法編制仿真程序,利用Matlab軟件進(jìn)行數(shù)值模擬仿真分析。設(shè)列車(chē)運(yùn)行速度為30 m/s。

1 方案一

(1)弓頭質(zhì)量的影響(見(jiàn)圖1)。弓頭質(zhì)量小于10 kg時(shí),接觸壓力變化較小;而當(dāng)弓頭質(zhì)量大于15 kg時(shí),接觸壓力急劇變化。應(yīng)將弓頭質(zhì)量控制在15 kg以?xún)?nèi)。

圖1 弓頭質(zhì)量的影響(方案一)

(2)框架質(zhì)量的影響(見(jiàn)圖2)。當(dāng)框架質(zhì)量小于23 kg時(shí),對(duì)接觸壓力及其不均勻系數(shù)影響較大;當(dāng)框架質(zhì)量大于23 kg時(shí),對(duì)接觸壓力影響較小。而且框架質(zhì)量在10～15 kg范圍內(nèi),弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流存在一個(gè)最差值,應(yīng)盡量避免。

(3)弓頭阻尼的影響(見(jiàn)圖3)。隨著弓頭阻尼的增加,接觸壓力的最大值先減小后增大,而最小值恰恰相反。綜合接觸壓力不均勻系數(shù)及均方根曲線(xiàn),弓頭阻尼為120 N·s/m左右時(shí)弓網(wǎng)受流最好。

(4)框架阻尼的影響(見(jiàn)圖4)。受電弓框架阻尼對(duì)接觸壓力的影響較大,當(dāng)框架阻尼小于300 N·s/m時(shí),最大值、壓力變化幅度和接觸壓力不均勻系數(shù)隨著阻尼的增大而減小,最小值隨著阻尼的增大而增大;當(dāng)框架阻尼大于300 N·s/m時(shí),各值變化較小。從弓網(wǎng)特性的綜合角度考慮,框架阻尼取400 N·s/m左右。

(5)弓頭剛度的影響(見(jiàn)圖5)。弓頭剛度對(duì)接觸壓力的影響較大,隨著弓頭剛度的增加,接觸壓力的最大值和不均勻系數(shù)先略有減小后迅速增大,而最小值先略有增大后快速減小,在4 600 N/m左右存在一個(gè)最佳值。

圖2 框架質(zhì)量的影響(方案一)

圖3 弓頭阻尼的影響(方案一)

圖4 框架阻尼的影響(方案一)

(6)框架剛度的影響[4]。為了保證受電弓在不同的弓頭工作高度時(shí)靜接觸力恒為常值,框架剛度的理想值應(yīng)為0。實(shí)際的機(jī)械結(jié)構(gòu)難以嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)這一要求,但通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)尺度的優(yōu)化,基本能把框架剛度控制在很小的范圍內(nèi)。

綜合以上分析,方案一受電弓的最優(yōu)參數(shù)為:弓頭質(zhì)量7 kg,框架質(zhì)量25 kg,弓頭阻尼120 N·s/m,框架阻尼400 N·s/m,弓頭剛度4 600 N/m,框架剛度為0。

圖5 弓頭剛度的影響(方案一)

2 方案二

由于受剛度及強(qiáng)度的限制,受電弓的質(zhì)量參數(shù)不可能過(guò)小,因此,受電弓的最優(yōu)參數(shù)應(yīng)是在一定的弓頭質(zhì)量和框架質(zhì)量下的最優(yōu)組合。本方案采用方案一得到的弓頭質(zhì)量與框架質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行其他參數(shù)的優(yōu)化。在仿真分析的過(guò)程中發(fā)現(xiàn),先進(jìn)行弓頭剛度的優(yōu)化效果較好,而且框架阻尼的大小對(duì)弓頭阻尼的選取影響很大。故先進(jìn)行弓頭剛度的選取,再進(jìn)行框架阻尼的選取,最后進(jìn)行弓頭阻尼的選取。

(1)弓頭剛度的影響(見(jiàn)圖6)。隨著弓頭剛度的增大,最大值先減小后增大,而最小值先增大后減小,那么,必定存在一個(gè)最佳值。再根據(jù)接觸壓力不均勻系數(shù)及均方根曲線(xiàn)可知,當(dāng)弓頭剛度為3 400 N/m時(shí),弓網(wǎng)受流較好。

圖6 弓頭剛度的影響(方案二)

(2)框架阻尼的影響(見(jiàn)圖7)。受電弓框架阻尼對(duì)接觸壓力的影響較小,綜合各參數(shù),框架阻尼最優(yōu)參數(shù)在100 N·s/m左右。

(3)弓頭阻尼的影響(見(jiàn)圖8)。接觸壓力最大值先減小后增大,而最小值先增大后減小,在弓頭阻尼小于50 N·s/m范圍內(nèi)存在一個(gè)最佳值。再由接觸壓力不均勻系數(shù)和均方根的曲線(xiàn)可知,弓頭阻尼為30 N·s/m左右時(shí),弓網(wǎng)受流最好。

圖7 框架阻尼的影響(方案二)

圖8 弓頭阻尼的影響(方案二)

經(jīng)過(guò)以上分析,得到方案二的受電弓最優(yōu)參數(shù)為:弓頭質(zhì)量7 kg,框架質(zhì)量 25 kg,弓頭阻尼 30 N·s/m,框架阻尼100 N·s/m,弓頭剛度3 400 N/m,框架剛度為0。

3 兩種方案比較

在相同的接觸網(wǎng)參數(shù)、列車(chē)運(yùn)行速度為30 m/s條件下,運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行仿真計(jì)算,得到兩種方案下的動(dòng)態(tài)抬升量和接觸壓力,如圖9所示。

圖9 兩種方案比較

計(jì)算得到兩種方案接觸壓力的相關(guān)數(shù)據(jù)如下。

可見(jiàn),采用方案二獲得的受電弓優(yōu)化參數(shù),弓網(wǎng)受流特性相對(duì)較好。在設(shè)計(jì)弓網(wǎng)系統(tǒng)時(shí),可以根據(jù)需要,合理選取受電弓參數(shù),提高弓網(wǎng)系統(tǒng)受流質(zhì)量。

[1]劉紅嬌.受電弓機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)優(yōu)化與主動(dòng)控制的研究[D].成都:西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2002.

[2]梅桂明,張衛(wèi)華.受電弓垂向動(dòng)力學(xué)線(xiàn)性化模型及特性研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2002(5):28.

[3]刑海軍,麻士綺,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(3):206.

[4]李曼,郭京波,劉尚坤.受電弓動(dòng)態(tài)參數(shù)的研究[J].機(jī)械工程師,2006(3):101.

[5]梅桂明,張衛(wèi)華.剛性懸掛接觸網(wǎng)動(dòng)力學(xué)研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2003(2):24.

[6]王勝.剛性懸掛自由振動(dòng)特性分析[J].電氣化鐵道,2005(2):39.