蔡彬彬

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寧高城際軌道交通工程弓網(wǎng)動態(tài)仿真分析

蔡彬彬

介紹了南京寧高城際軌道交通祿高段工程建設(shè)中，采用先進的仿真手段建立高精度的接觸網(wǎng)與受電弓模型，深入研究弓網(wǎng)動態(tài)關(guān)系，通過模擬分析有效評價接觸網(wǎng)相關(guān)參數(shù)選取的合理性，為類似工程提供借鑒。

城市軌道交通；架空接觸網(wǎng)；弓網(wǎng)關(guān)系

0 引言

采用電力牽引的列車通過受電弓從架設(shè)于線路上方的接觸網(wǎng)獲取牽引電能，在該過程中受電弓作為激勵源會引發(fā)接觸網(wǎng)振動，致使受電弓與接觸網(wǎng)之間的接觸力產(chǎn)生動態(tài)變化，弓網(wǎng)間的力學特性隨著列車運行速度的提升也會發(fā)生顯著變化，振動嚴重時將引起受電弓離線，影響列車的取流質(zhì)量。弓網(wǎng)的接觸質(zhì)量可通過動態(tài)接觸壓力進行評估[1]。

以往的城市軌道交通工程中，未對弓網(wǎng)關(guān)系引起足夠重視，一方面是因為缺少可靠的驗證手段，另一方面是因為在列車低速行駛時，弓網(wǎng)關(guān)系所引發(fā)的問題并不突出，接觸網(wǎng)的設(shè)計取值大多依賴于實際工程經(jīng)驗，缺乏足夠的嚴謹性。

南京寧高城際軌道交通工程祿高段主要為高架段，部分區(qū)段位于地下，線路最高運行速度達120 km/h，車輛采用3輛編組，建成后將是南京市城市軌道交通線路中運行速度最高的線路。鑒于該線路運行速度高，前后受電弓間距小，線路復雜等特點，為驗證接觸網(wǎng)設(shè)計參數(shù)選取的合理性，在設(shè)計階段，引入了受電弓/接觸網(wǎng)耦合模擬動態(tài)仿真軟件，借助計算機模擬手段對設(shè)計參數(shù)的合理性進行驗證，為類似工程積累寶貴的實踐經(jīng)驗。

1 工程概況及設(shè)計仿真輸入?yún)?shù)

該工程車輛采用地鐵B型車，初、近期采用3輛編組，遠期采用3、4輛編組混行，速度目標值120 km/h，雙弓運行，雙弓間距25.12 m。與仿真相關(guān)的其他主要輸入?yún)?shù)如下：

（1）隧道外接觸網(wǎng)設(shè)計參數(shù)。隧道外主要為高架區(qū)段，接觸網(wǎng)采用2×JT150（雙承力索）+2×CTA120（雙接觸線）的簡單鏈形懸掛方式，柔性接觸網(wǎng)直線段跨距按46 m設(shè)置，拉出值為 ±200 mm，錨段長度一般不超過1 200 m，導高按4 600 mm設(shè)計。

（2）隧道內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)計參數(shù)。隧道內(nèi)全部采用剛性懸掛（HL2213 + CTA120），中間懸掛點跨距一般為8 m，錨段長度一般為243 m，正弦波形布置，最大拉出值不超過250 mm，導高按4 040 mm設(shè)計。

柔性接觸網(wǎng)與剛性接觸網(wǎng)之間設(shè)切槽式剛?cè)徇^渡段。

2 仿真模型

2.1 仿真平臺

仿真計算中有限元模型的建立和受電弓/接觸網(wǎng)耦合模型的計算均由Ansys軟件完成。Ansys軟件是包含結(jié)構(gòu)分析、流體力學分析、電磁場分析、聲場分析、熱場分析及多物理場耦合分析于一體的大型通用有限元分析軟件，能處理常規(guī)靜力學、動力學問題，具備線彈性、非線性分析能力，其強大的功能可滿足弓網(wǎng)仿真計算的需要。

2.2 受電弓模型及輸入?yún)?shù)

本次研究采用的接觸網(wǎng)為三維接觸網(wǎng)，采用六質(zhì)量受電弓模型較為合適。目前研究弓網(wǎng)系統(tǒng)動力學的受電弓模型一般采用歸算質(zhì)量模型[2]。近幾年來的研究發(fā)現(xiàn)，將雙滑板模型（六質(zhì)量模型）簡化為單滑板模型（四質(zhì)量模型），計算結(jié)果相差很小，且能顯著減少對計算資源的要求。所以本次研究采用的受電弓模型為四質(zhì)量模型，如圖1所示。

圖1 受電弓的四質(zhì)量研究模型

其中，c1、c2為作用于弓頭滑板支撐上的接觸壓力；0為受電弓靜態(tài)抬升力；11、12、2、3分別為四質(zhì)量塊的垂向位移；11、12、2、3分別為四質(zhì)量塊的等效質(zhì)量；11、12、2、3分別為連接部件的阻尼；11、12、2、3分別為連接部件的剛度；11、12、2、3為干摩擦力，方向分別由(2-11)、(2-12)、(3-2)、(-3)決定。

當受電弓與單接觸線接觸時，c1、c2隨弓頭/接觸線的接觸點與線路中心距離s的變化而呈線性變化，如圖2所示。c1、c2可表示為

式中，總接觸壓力Fc為Fc1與Fc2之和；L為滑板兩支撐點的間距。

3 雙線柔性簡鏈接觸網(wǎng)仿真

3.1 接觸網(wǎng)模型輸入

柔性簡鏈形三維接觸網(wǎng)模型由2個錨段接觸網(wǎng)組成，前錨段為計算準備段，后錨段為計算工作段，2個錨段通過錨段關(guān)節(jié)連接。接觸網(wǎng)模型如圖3所示。

圖3 柔性簡鏈接觸網(wǎng)仿真模型

工作段為仿真計算的主體。工作段接觸網(wǎng)模型跨距為46 m，計算錨段共計10跨（水平）工作段。

3.2 120 km/h車速下的仿真結(jié)果

120 km/h車速下的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 柔性簡鏈接觸網(wǎng)前弓接觸壓力

圖4中橫坐標為受電弓沿線路方向的位移（m），縱坐標為接觸壓力（N）。FNPFV1線為受電弓前弓與準備段接觸線的接觸壓力；FNPFV2線為前弓與工作段接觸線的接觸壓力。

51～101 m為錨段關(guān)節(jié)過渡跨，該段內(nèi)受電弓與2個錨段的接觸線均有接觸。從圖4仿真結(jié)果可以看出，在該過渡跨中，受電弓先與準備段接觸線接觸，經(jīng)過過渡段及抬高段后，接觸力由大變小，逐漸脫離受電弓；而受電弓與工作段接觸線的接觸過程相反，先是未接觸，然后壓力逐漸變大，成為主工作支，受電弓順利過渡到工作段。在該過渡過程中，受電弓與接觸線始終存在接觸力，未出現(xiàn)離線的情況（即未出現(xiàn)與2支接觸線壓力同時為零的情況）。

由于與前弓相隔25.12 m，后弓經(jīng)過51 m + 25.12 m的準備段、50 m的錨段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換跨、10跨每跨46 m的工作段，后弓的接觸壓力變化曲線如圖5所示。76.12～126.12 m為錨段關(guān)節(jié)過渡跨，其動態(tài)接觸壓力在錨段關(guān)節(jié)處的變化過程和前弓是一致的。

圖5 柔性簡鏈接觸網(wǎng)后弓接觸壓力

表1為120 km/h車速下柔性接觸網(wǎng)接觸壓力的統(tǒng)計值。

表1 120 km/h車速下柔性接觸網(wǎng)接觸壓力統(tǒng)計值 N

4 剛性接觸網(wǎng)仿真

4.1 接觸網(wǎng)模型輸入

剛性接觸網(wǎng)采用三維建模，模型由2錨段接觸網(wǎng)組成（如圖6所示）。前錨段為準備錨段，是簡鏈柔性接觸網(wǎng)。受電弓開始時位于準備錨段。后錨段為工作錨段，由柔性簡鏈接觸網(wǎng)/剛?cè)徇^渡段/剛性接觸網(wǎng)/剛?cè)徇^渡段/柔性簡鏈接觸網(wǎng)組成。

剛?cè)徇^渡段由5 m的柔性接觸線和10 m剛?cè)徂D(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)組成。剛?cè)徂D(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度從柔性接觸線到剛性匯流排按長度線性過渡。

圖6 剛性接觸網(wǎng)計算模型

4.2 120 km/h車速下的仿真結(jié)果

前弓的接觸壓力變化曲線如圖7所示。

圖7 剛性接觸網(wǎng)前弓接觸壓力

圖7中，51～101 m為柔性接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)的過渡跨，151～166 m為剛?cè)徇^渡段，166～454 m為剛性懸掛段，454～469 m為剛?cè)徇^渡段，其他為簡鏈柔性段。

從前弓的仿真結(jié)果可以看出，在120 km/h車速下，整個區(qū)間接觸壓力最大值出現(xiàn)在柔性網(wǎng)向剛性網(wǎng)轉(zhuǎn)換的區(qū)段，但幅值并不大；在剛性網(wǎng)區(qū)間，接觸壓力波動很小。

后弓的接觸壓力變化曲線如圖8所示。

圖8 剛性接觸網(wǎng)后弓接觸壓力

圖8中位移與前弓相差25.12 m，如191.12～479.12 m為剛性懸掛段。

120 km/h車速下剛性懸掛段接觸壓力的統(tǒng)計值見表2。

表2 120 km/h車速下剛性懸掛段接觸壓力統(tǒng)計值 N

接觸壓力的最大值和最小值均出現(xiàn)在剛?cè)徇^渡段，統(tǒng)計值見表3。

表3 剛?cè)徇^渡段接觸壓力統(tǒng)計值 N

5 總體評價

5.1 評價標準

接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)的受流質(zhì)量可以通過平均接觸力（m）、標準偏差（）以及最大接觸力（max）等指標來評價[3]。

（1）對于速度≤200 km/h的直流1 500 V系統(tǒng)，弓網(wǎng)動態(tài)接觸力平均值與標準偏差應滿足以下要求：

70＜m＜2.28×10-4×2+ 140

≤0.3m

（2）動態(tài)接觸力的最大值應滿足0＜max＜300 N；

（3）平均接觸力加上3倍標準偏差應小于或等于統(tǒng)計表中的最大值，平均接觸力減去3倍標準偏差應為正值。

5.2 總體評價

本次仿真的結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

（1）最大動態(tài)接觸力。

從表4可以看出，無論是剛性懸掛還是柔性懸掛，在以最高速度運行時，弓網(wǎng)動態(tài)接觸力最大值為187.7 N，滿足行業(yè)標準中最大值小于300 N的要求。

（2）動態(tài)接觸力平均值。

當行車速度為120 km/h時，通過計算，動態(tài)接觸力平均值在70～143.28 N范圍內(nèi)，滿足要求。

（3）動態(tài)接觸力標準偏差。

表5為各區(qū)段動態(tài)接觸力標準偏差計算結(jié)果。

表4 仿真結(jié)果匯總表 N

表5 各區(qū)段動態(tài)接觸力標準偏差計算結(jié)果 N

從統(tǒng)計計算的結(jié)果來看，動態(tài)接觸力標準偏差小于0.3max，同時平均接觸力加上3倍標準偏差小于300 N，平均接觸力減去3倍標準偏差是正值，滿足規(guī)范要求。

綜上，從仿真結(jié)果分析，接觸網(wǎng)設(shè)計方案與受電弓的匹配度較好，所選取的設(shè)計參數(shù)科學合理，在本工程運營條件下弓網(wǎng)間呈現(xiàn)出較高的授流品質(zhì)。但需說明的是，本次仿真所采用的受電弓模型為通用模型，可能與實際選用的受電弓參數(shù)存在一定偏差；此外，本次仿真未考慮動車組運行過程中的車輛晃動以及來自輪軌、減震道床等弓網(wǎng)系統(tǒng)以外的激擾所帶來的影響，這些因素可能會造成仿真結(jié)果出現(xiàn)偏差。

6 結(jié)語

本文結(jié)合實際工程案例，通過建立仿真平臺對雙線柔性簡鏈接觸網(wǎng)、剛性接觸網(wǎng)進行弓網(wǎng)關(guān)系仿真分析，有效評價接觸網(wǎng)相關(guān)設(shè)計參數(shù)選取的合理性和弓網(wǎng)系統(tǒng)運行的安全性，為類似工程提供借鑒和參考。

[1] Kie?ling, Puschmann, Schmieder. 電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M].中鐵電氣化局集團譯. 北京：中國電力出版社，2004.

[2] 蔡成標，翟婉明. 高速鐵路受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)性能仿真研究[J]. 鐵道學報，1997；19（5）：38-43.

[3] TB/T3271-2011 軌道交通受流系統(tǒng)受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)相互作用準則[S].

[4] 阮杰. 電氣化高速鐵路接觸網(wǎng)與受電弓動態(tài)性能研究[D]. 武漢理工大學，2013.

The paper introduces that high precise pantograph-catenary model is established by advanced simulation technology during construction of Lu-Gao section of Ning-Gao Intercity Rail of Nanjing. The rationality for selection of related parameters of overhead contact line system is assessed effectively by means of simulation and analyzing on the basis of profound researches of pantograph-catenary interactions, providing references for the similar projects in the future.

Intercity rail; overhead contact line system; pantograph-catenary interactions

U225.3

B

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.009

1007-936X(2018)01-0039-04

2017-07-25

蔡彬彬.南京地鐵建設(shè)有限責任公司，高級工程師。