吳旭，胡俊雄,2，羅世輝，馬衛(wèi)華

階躍不平順下接觸剛度對受流質(zhì)量影響分析

吳旭1，胡俊雄1,2，羅世輝1，馬衛(wèi)華1

（1.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南省軌道交通智能安全研究中心，河南 鄭州 451460）

接觸軌不平順直接作用于受流器并影響中低速磁浮列車的受流質(zhì)量。為研究接觸軌不平順及接觸剛度對受流器的動力學(xué)響應(yīng)，本文建立了中低速磁浮列車動力學(xué)模型與剛?cè)狁詈涎?軌動力學(xué)模型，定義離線率、接觸力合格率為受流質(zhì)量的評價(jià)指標(biāo)，通過仿真計(jì)算了階躍不平順工況下靴軌接觸剛度對受流質(zhì)量的影響。研究表明：離線率隨接觸剛度的增加而減小，接觸力合格率先隨接觸剛度的增加而增加，后隨接觸剛度增加而減小。為保證中低速磁浮列車線路運(yùn)行時(shí)的受流質(zhì)量，靴軌接觸剛度應(yīng)取1×107N/m。

中低速磁浮列車；受流器；靴－軌關(guān)系；接觸剛度

中低速磁浮列車受流器是安裝于懸浮架下方的側(cè)向電能采集裝置，通過受流器與鋪設(shè)在軌道梁側(cè)部的接觸軌相互作用獲取電能。接觸軌包括第三軌和第四軌，接觸軌上帶有牽引變電所傳輸?shù)腄C 1500 V電壓，中低速磁浮列車運(yùn)行時(shí)受流器滑靴在接觸軌表面滑動接觸獲得電能，第四軌用于回收靴－軌系統(tǒng)的雜散電流[1]。中低速磁浮列車受流器的動力學(xué)行為受接觸軌彎頭、列車運(yùn)行速度、接觸力等因素的影響[2]。靴－軌系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性直接影響著整車的正常供電，是一個不容忽視的關(guān)鍵子系統(tǒng)。在實(shí)際運(yùn)營中接觸軌不平順嚴(yán)重影響著受流器的受流穩(wěn)定性，近年來關(guān)于受流器與接觸軌軌道不平順研究的重要性受到廣大研究人員的重視。

Stewart等[3]根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及仿真得出受流器接觸力隨接觸軌表面高度的變化而變化，接觸軌表面不平順會導(dǎo)致離線、滑靴表面出現(xiàn)較大的接觸力突變；Bucca等[4]建立了受電弓與接觸網(wǎng)的磨耗預(yù)測模型，分別考慮了無接觸網(wǎng)不平順、低接觸網(wǎng)不平順與高接觸網(wǎng)不平順的工況，得出不平順程度越高接觸網(wǎng)磨耗量越大；楊凡[5]研究了在接觸軌軌道高低不平順、不同車速下受流器的振動響應(yīng)，得出速度越低、接觸軌軌道高低不平順幅值越小受流器的振動響應(yīng)越?。焕顐6]提出了通過軌道彎頭時(shí)地鐵下部受流器接觸力的計(jì)算方法，并提出接觸軌的安裝誤差應(yīng)保持在±6 mm內(nèi)；張鵬飛[7]研究了膨脹接頭階躍型不平順下受流器的通過性，得到前軌高于后軌，幅值為0～1 mm時(shí)受流器通過性較好，但沒有引入車輛的振動；劉銘[8]通過研究得出全線路接觸軌安裝誤差保持在0～1 mm的正態(tài)分布情況下受流器能平穩(wěn)通過誤差區(qū)段，但沒有引入車輛的振動。

靴－軌系統(tǒng)因接觸軌安裝誤差造成的階躍型不平順受到了國內(nèi)外學(xué)者的研究，但在研究時(shí)將靴－軌系統(tǒng)考慮為單一的系統(tǒng)，未考慮列車振動下受流器的通過性。受流器安裝于中低速磁浮列車上，運(yùn)行時(shí)必然受到列車振動的影響，單獨(dú)分析受流器對接觸軌階躍誤差區(qū)段的通過性與實(shí)際有較大出入。當(dāng)不平順幅值較大時(shí)會導(dǎo)致滑靴與接觸軌脫離并產(chǎn)生燃弧，從而影響受流器的受流質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致安全事故。

本文研究受流器通過因安裝誤差導(dǎo)致的接觸軌階躍不平順的受流質(zhì)量，定義離線率與接觸力合格率為受流質(zhì)量的判據(jù)，在剛?cè)狁詈涎ィ壞Ｐ椭锌紤]了中低速磁浮列車的橫向運(yùn)行振動，并分析了接觸剛度對受流質(zhì)量的影響。

1 受流器

1.1 受流器結(jié)構(gòu)

中低速磁浮列車沒有輪軌系統(tǒng)，由電磁力實(shí)現(xiàn)列車的懸浮、短定子直線電機(jī)牽引懸浮架于軌道梁上運(yùn)行，故只能采用靴－軌系統(tǒng)采集牽引變電所的電能。

式中：1為上臂桿與連接桿兩鉸鏈孔中心距， mm；2為上臂桿鉸鏈孔與拉簧連接點(diǎn)處的距離，mm；為上臂桿轉(zhuǎn)動的角度，（°）；為上臂桿與水平面的夾角，（°）；為受流器拉簧剛度，N/m；0為拉簧靜態(tài)接觸力下的變形量，mm。

1、l、、、0為受流器結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過分析可知，當(dāng)知道任意時(shí)刻受流器上臂桿的旋轉(zhuǎn)角度，即可通過式（1）、式（2）求出任意時(shí)刻的接觸力。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)

受流器的受流穩(wěn)定性嚴(yán)重影響車輛運(yùn)行品質(zhì)，國內(nèi)外已積極開展研究并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外采用的靴－軌系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，見表1。

1.接觸軌；2.滑靴結(jié)構(gòu)；3.連接桿；4.下臂桿；5.彈簧座；6.絕緣子；7.彈簧系統(tǒng)；8.絕緣板；9.底座；10.上臂桿。

圖2 接觸力計(jì)算示意圖

表1 國內(nèi)外靴－軌系統(tǒng)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)

國外發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)對靴－軌系統(tǒng)的機(jī)電接口作出了規(guī)定，但對接觸力等參數(shù)未做出規(guī)定；而國內(nèi)發(fā)布的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)集中在地鐵受流器上，因中低速磁浮列車地鐵受流器受流方式類似，所以在對靴－軌系統(tǒng)分析時(shí)可參考地鐵受流器的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

中低速磁浮列車現(xiàn)使用的受流器與接觸軌的靜態(tài)接觸力為110±30 N，不同受流器靜態(tài)接觸力略有不同，但都在此范圍內(nèi)。故本文參考GB/T 7928對地鐵接觸力規(guī)定。

2 動力學(xué)模型及軌道坡度

本文首先建立中低速磁浮列車動力學(xué)模型，包括1個車體、3個懸浮架，總計(jì)61個自由度。然后在動力學(xué)模型相應(yīng)懸浮架上標(biāo)記受流器安裝位置、F軌軌道不平順采用德國高速低干擾譜、以實(shí)際中低速磁浮運(yùn)營線路的運(yùn)行速度80 km/h進(jìn)行時(shí)域仿真，可得該速度下列車受流器位置的振動加速度。

表2 中低速磁浮列車動力學(xué)模型部分參數(shù)表

在Adams中導(dǎo)入建立的受流器與接觸軌模型，通過設(shè)置各零件連接關(guān)系與材料屬性可得靴-軌耦合動力學(xué)模型，如圖3所示。將得到的受流器振動加速度導(dǎo)入靴－軌耦合動力學(xué)模型中，即可得到在車輛振動下磁浮列車受流器動力學(xué)模型。

此后，西王布局健康產(chǎn)業(yè)的步伐仍未停止。2017年6月18日晚，西王食品公告稱，公司同日收到公司控股股東西王集團(tuán)通知，西王集團(tuán)于2017年6月16日下午與阿里健康科技（中國）有限公司簽署了戰(zhàn)略合作簽約儀式會議備忘錄。

接觸軌定長為12 m，靴軌接觸時(shí)滑靴的動態(tài)接觸力可等效為移動載荷作用于接觸軌，導(dǎo)致接觸軌變形，影響受流質(zhì)量，故分析時(shí)考慮柔性接觸軌對受流質(zhì)量的影響。

1.接觸軌；2.滑靴結(jié)構(gòu)；3.上臂桿；4.底座；5.絕緣板；6.下臂桿；7.連接桿。

由于接觸軌定長的因素，列車運(yùn)行時(shí)快時(shí)會在很短時(shí)間內(nèi)通過一段供電軌，為仿真列車在階躍型不平順值最大時(shí)的受流質(zhì)量，選用一段振動最劇烈的三位懸浮架左側(cè)受流器振動數(shù)據(jù)導(dǎo)入靴－軌耦合動力學(xué)模型，如圖4所示。

圖4 懸浮架受流器的振動

接觸軌由人工鋪設(shè)而成，由于安裝精度等問題，相鄰兩軌會出現(xiàn)軌縫及高差，分別為前軌低于后軌和前軌高于后軌，從而產(chǎn)生階躍型不平順。受流器通這些區(qū)段時(shí)，滑靴在彈簧系統(tǒng)的作用下強(qiáng)制通過軌縫及“上坡”、“下坡”。軌道安裝誤差導(dǎo)致受流器滑靴出現(xiàn)通過軌縫及過坡現(xiàn)象如圖5所示。

圖5 受流器滑靴過坡示意圖

3 動力學(xué)仿真

因安裝誤差導(dǎo)致相鄰兩軌間出現(xiàn)軌縫及高差，影響受流質(zhì)量，研究認(rèn)為相應(yīng)的縫隙及高差一般在0～1 mm[7-8]，本文取軌縫和高差都為1 mm的最惡劣工況研究接觸剛度對通過軌縫及階躍不平順誤差區(qū)段的影響。

通過研究與仿真可知靴軌接觸剛度嚴(yán)重影響受流質(zhì)量，參考國防科技大學(xué)對接觸剛度的相關(guān)研究[15]，本文分析了接觸剛度為5×106N/m、1×107N/m、5×107N/m時(shí)受流器通過接觸軌軌縫及“上坡”和“下坡”階躍沖擊誤差區(qū)段時(shí)的受流質(zhì)量，以接觸力合格率、滑靴離線率為具象化評價(jià)指標(biāo)。

其中接觸力合格率定義為動態(tài)接觸力處于120～180 N的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)量與總仿真數(shù)據(jù)量的比值；滑靴離線率為接觸力為0時(shí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)量與總仿真數(shù)據(jù)量的比值。

3.1 “上坡”階躍不平順的受流質(zhì)量

在接觸剛度為5×106N/m、1×107N/m、5×107N/m時(shí)，受流器通過接觸軌安裝誤差為1 mm的“上坡”誤差區(qū)段，得到的振動數(shù)據(jù)如圖6～圖8所示。

圖6 接觸剛度為5×106 N/m時(shí)通過“上坡”工況

可以看出，在受流器通過“上坡”工況時(shí)，由于存在正的階躍不平順值，對受流器產(chǎn)生很大的沖擊，使滑靴離線。離線前后接觸力會產(chǎn)生突變，幅值很大，且通過不平順區(qū)段后接觸力波動劇烈，隨接觸剛度的增加而增大。計(jì)算上述三個工況的接觸力合格率、滑靴離線率結(jié)果如表3所示。

圖7 接觸剛度為1×107 N/m時(shí)通過“上坡”工況

圖8 接觸剛度為5×107 N/m時(shí)通過“上坡”工況

表3 “上坡”工況受流質(zhì)量

可以看出，滑靴離線率隨接觸剛度的增加而減小，而接觸力合格率先隨接觸剛度的增加而增大，后隨接觸剛度的增加而減小。當(dāng)接觸剛度為5×107N/m時(shí)滑靴離線率最小，但此時(shí)接觸力合格率最低，小于50%，即接觸力超過一半處在不合理的取值范圍；當(dāng)接觸剛度取1×107N/m時(shí)，接觸力合格率最優(yōu)，滑靴離線率約為8.2%，離線情況較接觸剛度為5×107N/m時(shí)差異較小。故為保證受流器在“上坡”型階躍不平順的順利通過性，接觸剛度選用1×107N/m時(shí)較為合理。

3.2 “下坡”階躍不平順的受流質(zhì)量

在接觸剛度為5×106N/m、1×107N/m、5×107N/m時(shí)，受流器通過接觸軌安裝誤差為1 mm的“下坡”誤差區(qū)段，得到的振動數(shù)據(jù)如圖9～圖11所示。

可以看出，受流器通過“下坡”工況時(shí)，由于存在負(fù)的階躍不平順值，對受流器產(chǎn)生很大的沖擊，使滑靴離線。通過階躍不平順區(qū)段的離線距離隨接觸剛度的增加而減小，當(dāng)接觸剛度為5×107N/m時(shí)，通過不平順區(qū)段不會產(chǎn)生離線。計(jì)算上述三個工況的接觸力合格率、滑靴離線率結(jié)果如表4所示。

圖9 接觸剛度為5×106 N/m時(shí)通過“下坡”工況

圖10 接觸剛度為1×107 N/m時(shí)通過“下坡”工況

圖11 接觸剛度為5×107 N/m時(shí)通過“下坡”工況

表4 “下坡”工況受流質(zhì)量

可以看出，滑靴離線率隨接觸剛度的增加而減小，而接觸力合格率先隨接觸剛度的增加而增大，后隨接觸剛度的增加而減小。當(dāng)接觸剛度為5×107N/m時(shí)滑靴離線率最小，但此時(shí)接觸力合格率最低，小于50%，即接觸力超過一半處在不合理的取值范圍；當(dāng)接觸剛度取1×107N/m時(shí)，接觸力合格率最優(yōu)，滑靴離線率約2.6%，離線率較低，且與接觸剛度為5×107N/m時(shí)差異較小。故為保證受流器在“下坡”型階躍不平順的順利通過性，接觸剛度選用1×107N/m時(shí)較為合理。

4 結(jié)語

通過建立中低速磁浮列車動力學(xué)模型及剛?cè)狁詈涎ィ夞詈夏Ｐ?，研究考慮列車運(yùn)行振動響應(yīng)的階躍不平順下受流質(zhì)量受接觸剛度的影響，研究得出以下結(jié)論：

（1）受流器處于“上坡”型階躍不平順時(shí)，為保證受流質(zhì)量，接觸剛度應(yīng)為1×107N/m。

（2）受流器處于“下坡”型階躍不平順時(shí)為保證受流質(zhì)量，接觸剛度應(yīng)為1×107N/m。

（3）全線路由于安裝誤差會出現(xiàn)許多類似的誤差區(qū)段，為保證受流質(zhì)量，接觸剛度的取值應(yīng)為1×107N/m。

[1]陳屹. 城市軌道交通四軌供電方式的探討[J]. 電氣化鐵道，2010（2）：49-50.

[2]肖友慶. 接觸軌線路靴軌關(guān)系的研究及改善分析[J]. 機(jī)電信息，2018（15）：69，72.

[3]Stewart E，Weston P，Hillmansen S，et al. Using Bogie-Mounted Sensors to Understand the Dynamics of Third Rail Current Collection Systems. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit，2011，225（2）：219-227.

[4]Bucca G，Collina A. Electromechanical interaction between carbon-based pantograph strip and copper contact wire: A heuristic wear model[J]. Tribology International，2015 （92）：47-56.

[5]楊凡. 120km/h拉簧式受流器強(qiáng)度及動力學(xué)特性研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2017.

[6]李偉. 城軌車輛受流器與三軌的匹配研究與分析[J]. 技術(shù)與市場，2016，23（5）：48-49.

[7]張鵬飛. 中低速磁浮列車靴軌系統(tǒng)優(yōu)化[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2018.

[8]劉銘. 160km/h磁浮列車靴軌系統(tǒng)動力學(xué)研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2018.

[9]彭寶林，歷洋. 160km/h速度等級磁浮列車受流器研究[J]. 機(jī)電信息，2019（11）：13-15.

[10]陳明國，周潔，白雪. 中低速磁懸浮列車受流器研制[J]. 機(jī)車電傳動，2015（5）：29-32.

[11]Network Rail. GL/RT 1212. DC Conductor rail energy subsystem and interfaces to rolling stock subsystem[S]. UK：Rail Safety and Standards Board Limited，2015.

[12]Network Rail. GL/RT 2113. Rolling stock subsystem and interfaces to DC conductor rail energy subsystem[S]. UK：Rail Safety and Standards Board Limited，2015.

[13]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 32589軌道交通接觸軌受流器[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.

[14]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 7928地鐵車輛通用技術(shù)條件[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

[15]Xu H P，Liu Y Z，Xie X L，et al. Simulation Study on Dynamic Current Collection Characteristics of the System of Collector Shoe and Conduct Rail of Medium Speed Maglev Train[C]. Chinese Automation Congress，Hangzhou，2019：5485-5490.

Influence of Contact Stiffness on Current Collection Quality under the Condition of Step Irregularity

WU Xu，HU Junxiong，LUO Shihui，MA Weihua

(1.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu610031, China; 2.Henan Engineering Research Center of Rail Transit Intelligent Security, Zhengzhou Railway Vocational & Technical College, Zhengzhou451460, China)

The contact rail irregularity directly affects the current collector and the current collection quality of medium-low-speed maglev train.In order to study the dynamic response of contact rail irregularity and contact stiffness to current collector,this paper establishes a dynamic model of the medium-low-speed maglev train and a dynamic model of rigid-flexible coupled brake shoe and wheel rail. The off-line rate and contact force qualified rate are defined as the evaluation indexes of current collection quality.The influence of brake shoe and wheel rail contact stiffness on current collection quality under the condition of step irregularity is calculated by simulation. The results show that the off-line rate decreases with the increase of contact stiffness, and the contact force qualified rate first increases with the increase of contact stiffness, and then decreases with the increase of contact stiffness. In order to ensure the current collection quality of medium-low-speed maglev train, the contact stiffness should be 1×107N/m.

medium-low-speed maglev train；collector；brake shoe-wheel rail relationship；contact stiffness

TH113

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.04.007

1006－0316 (2021) 00－0041－07

2020－09－24

2019河南省軌道交通智能安全工程技術(shù)研究中心開放基金（2019KFJJ002）

吳旭（1996－），男，四川資陽人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動力學(xué)，E-mail：wuxuwd@163.com；羅世輝（1964－），男，江西贛州人，博士，教授，主要研究方向?yàn)檐囕v系統(tǒng)動力學(xué)。