受電弓參數優化對弓網系統動態受流的影響

2010-07-05 06:48:18郭鳳平

城市軌道交通研究 2010年4期

郭鳳平

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,710043,西安∥工程師)

受電弓的優化方法大體分為兩種:一種是在建立受電弓框架結構幾何關系模型的基礎上,根據列車平穩取流對受電弓機構提出的具體要求,以弓頭平衡桿的平動為目標,以受電弓機構正常工作所要滿足的條件為約束,采用優化技術,對受電弓機構進行優化,最后得到使受電弓性能達到最優的幾何參數[1];另一種是建立弓網耦合方程,利用仿真軟件進行數值模擬,先給定一組受電弓參數,在改變其中一個受電弓參數的條件下,進行弓網動態振動方程的求解,利用動態受流的評價標準,得到該參數的最佳值,同理得到其它參數的最佳值,即獲得適合此種接觸網的受電弓優化參數[2-4]。

本文采用兩種方案進行分析比較。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,當得到受電弓一個參數的優化值后,即將該參數換成優化值,再進行下一參數的分析,最終得到受電弓優化參數。

首先,給定一組弓網參數[5-6]:弓頭質量10 kg,框架質量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,接觸線為AgCu120型,跨距8 m;懸掛裝置是剛度為3.78×107N/m、質量為2.769 2 kg的彈簧,弓網接觸剛度82 300 N/m。再建立二元受電弓-剛性接觸網動態微分方程組,運用Newmark法編制仿真程序,利用Matlab軟件進行數值模擬仿真分析。設列車運行速度為30 m/s。

1 方案一

(1)弓頭質量的影響(見圖1)。弓頭質量小于10 kg時,接觸壓力變化較小;而當弓頭質量大于15 kg時,接觸壓力急劇變化。應將弓頭質量控制在15 kg以內。

圖1 弓頭質量的影響(方案一)

(2)框架質量的影響(見圖2)。當框架質量小于23 kg時,對接觸壓力及其不均勻系數影響較大;當框架質量大于23 kg時,對接觸壓力影響較小。而且框架質量在10～15 kg范圍內,弓網動態受流存在一個最差值,應盡量避免。

(3)弓頭阻尼的影響(見圖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及均方根曲線,弓頭阻尼為120 N·s/m左右時弓網受流最好。

(4)框架阻尼的影響(見圖4)。受電弓框架阻尼對接觸壓力的影響較大,當框架阻尼小于300 N·s/m時,最大值、壓力變化幅度和接觸壓力不均勻系數隨著阻尼的增大而減小,最小值隨著阻尼的增大而增大;當框架阻尼大于300 N·s/m時,各值變化較小。從弓網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(見圖5)。弓頭剛度對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左右存在一個最佳值。

圖2 框架質量的影響(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靜接觸力恒為常值,框架剛度的理想值應為0。實際的機械結構難以嚴格實現這一要求,但通過對機構尺度的優化,基本能把框架剛度控制在很小的范圍內。

綜合以上分析,方案一受電弓的最優參數為:弓頭質量7 kg,框架質量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

由于受剛度及強度的限制,受電弓的質量參數不可能過小,因此,受電弓的最優參數應是在一定的弓頭質量和框架質量下的最優組合。本方案采用方案一得到的弓頭質量與框架質量參數進行其他參數的優化。在仿真分析的過程中發現,先進行弓頭剛度的優化效果較好,而且框架阻尼的大小對弓頭阻尼的選取影響很大。故先進行弓頭剛度的選取,再進行框架阻尼的選取,最后進行弓頭阻尼的選取。

(1)弓頭剛度的影響(見圖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,必定存在一個最佳值。再根據接觸壓力不均勻系數及均方根曲線可知,當弓頭剛度為3 400 N/m時,弓網受流較好。