皋金龍

0 引言

剛性接觸網(wǎng)在隧道內相對柔性接觸網(wǎng)具有一定優(yōu)勢，其接觸線無張力，不用設置下錨裝置，不會發(fā)生斷線事故，零部件少，載流量大，安全可靠，維修工作量小，被廣泛應用于地鐵隧道內[1]。隨著國內軌道交通線路運行速度的不斷提高，對弓網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)性能要求越來越高?？缇嗍莿傂越佑|網(wǎng)的一項關鍵參數(shù)，弓網(wǎng)之間的良好受流質量需要選取合理的跨距，鑒于此，有必要對不同速度等級下剛性接觸網(wǎng)跨距的選取進行研究。

目前，針對不同速度等級下剛性接觸網(wǎng)跨距選取的研究較少，文獻[2～4]建立弓網(wǎng)耦合模型，通過靜力分析與弓網(wǎng)動態(tài)仿真分析僅研究了在160 km/h及以下速度等級下與某種型號受電弓相匹配的跨距方案，尚未對在不同速度等級下與不同型號受電弓相適應的剛性接觸網(wǎng)跨距進行研究。本文建立剛性接觸網(wǎng)與受電弓模型，采用弓網(wǎng)動態(tài)仿真技術，分析不同型號受電弓以不同速度通過不同跨距剛性接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)動態(tài)性能參數(shù)，得出不同速度等級下與不同型號受電弓相適應的剛性接觸網(wǎng)跨距，為受電弓與剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)設計提供研究基礎。

1 弓網(wǎng)仿真模型

剛性接觸網(wǎng)由匯流排、接觸線、懸掛與定位結構等組成。匯流排通過一定的夾持力將接觸線固定，兩者形成一個整體，懸掛與定位結構主要包含門式結構與懸臂式結構。利用有限元法建立剛性接觸網(wǎng)仿真模型時，可將匯流排與接觸線考慮為一個整體，等效為歐拉梁單元，將門式懸掛結構與懸臂式懸掛結構等效為一個帶質點的彈簧單元。因剛性接觸網(wǎng)的匯流排截面慣性矩較大，通常剛性接觸網(wǎng)成“之”字形布置，又因拉出值較小，一般最大為250 mm，相對于剛性接觸網(wǎng)的錨段長度250 m，拉出值變化率很小，故建模時忽略拉出值的變化。

在建立剛性接觸網(wǎng)錨段關節(jié)模型時，為使受電弓從一個錨段平滑過渡到另一個錨段，剛性接觸網(wǎng)的錨段關節(jié)利用兩錨段剛性接觸網(wǎng)幾何上重疊實現(xiàn)，重疊區(qū)域在空間上存在等高點，并將錨段末端的歐拉梁單元抬高70 mm[5]，剛性接觸網(wǎng)等效模型如圖1所示。

圖1 剛性接觸網(wǎng)等效模型

本文分析的跨距值分別為6、8與10 m，根據(jù)工程經(jīng)驗及文獻[3]，建立3個錨段模型，其中跨距6 m的錨段內跨距分布為1.8 m + 2 m + 4 m + 6 m×39 + 4 m + 2 m + 1.8 m，跨距8 m的錨段內跨距分布為1.8 m + 2 m + 6.4 m + 8 m×27 + 7 m + 6 m + 2 m + 1.8 m，跨距10 m的錨段內跨距分布為1.8 m + 2 m + 6 m + 10 m×23 + 6 m + 2 m + 1.8 m。

受電弓由弓頭、上框架、下臂桿、傳動系統(tǒng)與底架等組成，結構復雜，在弓網(wǎng)動態(tài)仿真中需要將其進行簡化。目前，多數(shù)學者進行弓網(wǎng)動態(tài)仿真分析時通常將受電弓結構等效為質量塊模型、多剛體模型、剛柔耦合模型、柔體模型[6]，因本文不對受電弓結構特點進行分析，且根據(jù)文獻[7]的研究，三質量塊模型的仿真結果比二質量塊模型更準確，故本文選取受電弓三質量塊模型進行弓網(wǎng)動態(tài)仿真。本文基于交流供電制式的市域快速軌道交通線路，選取能夠滿足最高運行速度200 km/h的3種型號（DSA200、DSA250與DSA380）受電弓進行分析研究。

2 弓網(wǎng)動態(tài)性能分析

選取接觸力標準偏差、接觸力最大值與接觸力最小值作為評價指標，分析不同型號受電弓以不同速度通過不同跨距時的弓網(wǎng)動態(tài)性能。

2.1 DSA200型受電弓

DSA200型受電弓以不同速度分別通過6、8、10 m 3種跨距的剛性接觸網(wǎng)，得到受電弓在不同運行速度下的接觸力標準偏差與接觸力最值，分別如圖2、圖3所示。

圖2 弓網(wǎng)接觸力標準偏差

圖3 弓網(wǎng)接觸力最值

選擇運行速度80、120、160、200 km/h 4種工況，統(tǒng)計3種跨距的接觸力特征值，如表1所示。

表1 DSA200型受電弓通過不同跨距接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計

從表1可以看出，以160 km/h運行速度通過10 m跨距時，最小接觸力已經(jīng)為0，表明DSA200型受電弓不適合以160 km/h速度通過跨距為10 m的剛性接觸網(wǎng)。接觸力標準偏差越小，表明接觸力的分布越集中于平均接觸力，弓網(wǎng)接觸質量越好。在速度為80～160 km/h時，8 m跨距的弓網(wǎng)接觸力標準偏差最小，表明DSA200型受電弓與8 m跨距剛性接觸網(wǎng)的適應性更好。在速度達200 km/h時，6 m跨距的弓網(wǎng)接觸力標準偏差最小，表明DSA 200型受電弓與跨距為6m的剛性接觸網(wǎng)匹配性較好。

2.2 DSA250型受電弓

DSA250型受電弓以不同速度分別通過6、8、10 m 3種跨距的剛性接觸網(wǎng)，得到受電弓在不同運行速度下的接觸力標準偏差與接觸力最值，如圖4、圖5所示，弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計如表2所示。

圖4 弓網(wǎng)接觸力標準偏差

圖5 弓網(wǎng)接觸力最值

表2 DSA250型受電弓通過不同跨距的弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計

從表2可看出，在速度達到120 km/h時，跨距為10 m的剛性接觸網(wǎng)的最小接觸力已經(jīng)為0，表明DSA250型受電弓不適合以120 km/h速度通過跨距為10 m的剛性接觸網(wǎng)。DSA250型受電弓在80、120、160 km/h速度等級下，8 m跨距的弓網(wǎng)接觸力標準偏差最小，表明DSA250型受電弓與8 m跨距的剛性接觸網(wǎng)更匹配。在速度達200 km/h時，6 m跨距的弓網(wǎng)接觸力標準偏差最小，表明DSA250型受電弓與6 m跨距的剛性接觸網(wǎng)更匹配。

2.3 DSA380型受電弓

DSA380型受電弓以不同速度分別通過6、8、10 m 3種跨距的剛性接觸網(wǎng)，得到受電弓在不同運行速度下的接觸力標準偏差與接觸力最值，如圖6、圖7所示，弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計如表3所示。

表3 DSA380型受電弓通過不同跨距的弓網(wǎng)接觸力統(tǒng)計

圖6 弓網(wǎng)接觸力標準偏差

圖7 弓網(wǎng)接觸力最值

由圖6可以看出，在速度為160 km/h及以上，10 m跨距的弓網(wǎng)接觸力標準偏差呈直線增加，表明在高速運行區(qū)段，10 m跨距的剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)匹配關系急劇惡化。由表3可以看出，DSA380型受電弓在80、120、160 km/h運行速度下，8 m跨距的弓網(wǎng)接觸力標準偏差最小，表明DSA380型受電弓與跨距為8 m的剛性接觸網(wǎng)更匹配。在速度為200 km/h時，6 m跨距的弓網(wǎng)接觸力標準偏差最小，表明此時DSA380型受電弓與跨距為6 m的剛性接觸網(wǎng)更匹配。

3 結語

本文通過建立3個錨段的剛性接觸網(wǎng)仿真模型及受電弓三質量塊仿真模型，分析了DSA200、DSA250及DSA380型受電弓以不同速度通過6、8及10 m 3種跨距剛性接觸網(wǎng)時弓網(wǎng)動態(tài)性能參數(shù)，結果表明不同型號受電弓在不同速度等級下應采取不同的跨距以得到最佳的弓網(wǎng)動態(tài)性能。

通過分析比較弓網(wǎng)接觸力標準偏差得出：在80～160 km/h速度等級下，DSA200、DSA250及DSA380型受電弓與跨距為8 m的剛性接觸網(wǎng)更匹配；當速度達到200 km/h時，DSA200、DSA250及DSA380型受電弓與跨距為6m的剛性接觸網(wǎng)更匹配。