委內瑞拉鐵路DSA250弓網受流特性分析＊

馬果壘，姚念良，宋 瑤，吳榮平

（北京賽德高科鐵道電氣科技有限責任公司，北京100176）

高速電氣化鐵路的關鍵技術之一是如何保證在高速運行條件下具有良好的受流質量，即在列車高速運行時保持穩定的動態受流。為了獲得穩定的受流，受電弓的弓頭滑板與接觸線之間要有一定的接觸壓力。

同時為了提高列車運輸能力，需要采用大編組形式。在編組形式下，高速列車采用多弓運行，這就出現了多弓作用下的弓網系統動力學問題。

委內瑞拉鐵路高速客運專線是中國為南美國家委內瑞拉總承包設計的高速客運專線，其動車組也由國內提供，此項目不僅要求采用雙弓運行，而且要求采用3弓受流。同時根據其運行的特點，其多弓運行的弓間距為100m。動車組最大運行速度為220km／h，最大試驗速度為250km／h。

目前，國內DSA250受電弓已進行過大量的單弓和雙弓受流的研究和實際運用［1－4］。而在國內運行時其弓間距為200m，在小弓間距下，多弓運行200km／h以上，沒有成功運用的先例。而且國內沒有進行過3弓受流的應用與研究。

本文利用DSA250受電弓結合委內瑞拉鐵路接觸網參數，對弓網受流特性進行全面的研究。通過研究委內瑞拉接觸網下的DSA250受電弓受流特性，為設計者提供準確可靠的數據，保證列車的正常運行，具有重要的指導意義。

1 模型建立

1.1 受電弓建模

DSA系列受電弓是性能優異的受電弓，廣泛安裝在機車和動車組上。DSA250受電弓由弓頭、框架、底架和傳動機構4部分組成，框架又由上導桿、上臂桿、下臂桿和下導桿等桿件組成，各桿件通過鉸接連接在一起。底架支持框架，通過絕緣子固定在車頂上，框架通過升弓裝置支持弓頭，傳動機構作用于下臂桿來實現升弓動作，見圖1。

在進行仿真時，對于受電弓多采用3質量—阻尼—彈簧模型。桿件模型轉化為3質量—阻尼—彈簧模型根據能量守恒定律得出。

本文仿真用的DSA250受電弓的3質量塊模型，見圖1，其具體參數由受電弓制造商提供。

圖1 DSA250受電弓實物與三質量塊模型

1.2 接觸網建模

委內瑞拉接觸網采用全補償簡單鏈型懸掛，其正線跨距為60m，見圖2。具體參數由設計部門提供，見表1和表2。

圖2 委內瑞拉接觸網型式

表1 委內瑞拉接觸網主要參數

表2 委內瑞拉接觸網主要質量參數 kg

接觸網是由一種索、纜結構構成，在將接觸線通過吊弦懸掛在承力索上時，接觸線在初始張力和自身重力的作用下，將會產生一定的自然弛度。此時，為保證接觸線在整個跨距內對軌面的高度一致，則需要相應的調整吊弦長度［5］。

圖3 接觸網有限元模型

圖4 現實平衡態的接觸網模型

在有限元軟件中，基于負弛度法建模，見圖3，經過一步初始平衡計算后，接觸網達到現實平衡態，見圖4。

1.3 弓網耦合仿真模型

利用前面建立的受電弓模型和接觸網模型，就可以進行弓網耦合仿真分析［8］，見圖5。

用ANSYS模擬弓網動態耦合有兩大難點：①弓網接觸屬于動態接觸，時而接觸，時而分開，且接觸或分開是突然變化的；②弓網間有很大的相對滑動，即弓網接觸點不固定，隨列車的移動而變化。

圖5 基于ANSYS的弓網耦合仿真模型

ANSYS允許接觸非線性分析過程中接觸狀態的變化，且程序能自動檢測到某時刻接觸與否。可通過單元關鍵字KEYOPT來選擇接觸模型（法向單邊接觸、粗糙接觸、不分開的接觸和綁定接觸）。利用單元生死技術對受電弓各節點施加水平位移可以實現對弓沿線移動這一過程的描述。

利用得到的弓網耦合仿真模型就可以進行弓網仿真分析［6］。

同時在仿真的過程中，對于所有的受電弓根據EN 50367標準7.2章要施加一個抬升力，同時參考DSA250受電弓的風洞試驗結果。這個抬升力取決于速度。表3列出了對于不同仿真速度下的抬升力。

表3 仿真時受電弓抬升力

其具體計算過程如下：

（1）建模。分別建立接觸網模型和受電弓模型，利用接觸對單元建立弓網耦合模型；

（2）靜態求解。利用單元生死技術，考慮重力、張力的作用，得到接觸網、受電弓的現實平衡態；

（3）動態求解。對受電弓施加位移模擬受電弓沿著接觸網運行狀態，得到弓網動態受流結果；

（4）后處理。提取出接觸力和滑板豎向位移的時基曲線。

1.4 接觸力評價標準

對于每個仿真結果，進行下面的統計：

力的平均值Fm

標準偏差σ

最大的統計值Fm＋3σ

最小的統計值Fm－3σ

最大壓力值Fmax

最小壓力值Fmin

根據EN 50367標準臨界值考慮為超出下列界限的那些值：

標準偏差σ≤0.3×Fm

根據EN 50119《鐵路設施 固定裝置電氣牽引架空接觸線》標準，以下面的值作為界限：

接觸力最大值 ≤350N

接觸力最小值 ＞0N＊＊國內最小值標準為20N。

統計的最小接觸力Fm－3σ＞0N＊＊國內最小值標準為20N。

對于“最大接觸線抬升量”的值，根據EN 50367標準中規定限界：

最大接觸線抬升量 ＜120mm

對于超過限值的數值用紅色標出。

2 計算結果的比較

2.1 單弓250km／h仿真結果

為驗證仿真的正確性，進行單弓受流的仿真，并與DSA250受電弓的實際使用情況進行比較。表4為仿真數據，圖6為仿真曲線。

表4 單弓250km／h時仿真結果統計

圖6 單弓250km／h速度下接觸力曲線

從表4和圖6中可以看出DSA250受電弓在委內瑞拉接觸網下單弓受流時能夠滿足標準限值，這與實際線路運行的結果一致。

2.2 雙弓受流分析

2.2.1 弓間距100m，速度220km／h雙弓仿真結果

按照委內瑞拉客運專線的要求，設定弓間距為100m，進行雙弓受流仿真。

從表5和圖7中可以看出DSA 2 5 0受電弓在委內瑞拉接觸網下，弓間距100m，雙弓受流220km／h時接觸力能夠滿足標準限值，接觸力沒有出現小于20N的情況。而且后弓振蕩明顯大于前弓。

這說明在委內瑞拉接觸網下，弓間距100m時，完全可以滿足雙弓運行220km／h速度等級。

2.2.2 弓間距100m，速度250km／h雙弓仿真結果

表5 弓間距100m，速度220km／h雙弓仿真結果統計

圖7 弓間距100m，速度220km／h雙弓接觸力曲線

表6 弓間距100m，速度250km／h雙弓仿真結果統計

從表6和圖8中可以看出：在弓間距100m，速度250km／h下，雙弓受流接觸力偏差值σ超出標準限值，而且接觸網最小值有小于20N的情況出現，但是沒有出現離線，即接觸力為零的情況。而且后弓振蕩大于前弓。

這說明在委內瑞拉接觸網下，弓間距100m時，不建議雙弓受流持續運行在250km／h速度下，但是可以滿足試驗的要求。

圖8 弓間距100m，速度250km／h雙弓接觸力曲線

2.3 3弓受流分析

2.3.1 弓間距100m，速度220km／h 3弓仿真結果

按照委內瑞拉客運專線的要求，設定弓間距為100 m，進行3弓受流仿真。

表7 弓間距100m，速度220km／h 3弓仿真結果統計

從表7和圖9中可以看出：在弓間距100m，速度220km／h下，3弓受流接觸力滿足標準限值，接觸力沒有出現小于20N的情況。而且中間弓和后弓的振蕩要大于前弓。

這說明在委內瑞拉接觸網下，弓間距100m時，完全可以滿足3弓運行220km／h速度等級。

2.3.2 弓間距100m，速度250km／h 3弓仿真結果

圖9 弓間距100m，速度220km／h 3弓接觸力曲線

表8 弓間距100m，速度250km／h 3弓仿真結果統計

圖10 弓間距100m，速度250km／h 3弓接觸力曲線

從表8和圖10中可以看出：在弓間距100m，速度250km／h下，3弓受流接觸力偏差值σ超出標準限值，而且接觸網最小值有小于20N的情況出現，但是沒有出現離線，即接觸力為零的情況。而且后弓振蕩大于前弓。

這說明在委內瑞拉鐵路接觸網下，弓間距100m時，不建議3弓受流持續運行在250km／h速度下，但是可以滿足試驗的要求。

綜合以上結果可知在委內瑞拉鐵路接觸網下，弓間距為100m，動車組最大運行速度可達220km／h，最大試驗速度可達250km／h。

3 結論

本文結合委內瑞拉鐵路項目，利用有限元技術，借助“接觸對”模擬弓網動態行為，對多弓受流弓間距進行優化研究，得出了有益的成果。

（1）DSA250受電弓在委內瑞拉鐵路接觸網下單弓受流250km／h時完全滿足標準限值，這與國內實際線路運行時的試驗結果一致；

（2）多弓受流時，接觸網波動對后弓有影響，容易造成后弓離線而且不同的弓間距對后弓受流具有不同的影響效果；

（3）弓間距為100m，動車組最大運行速度可達220 km／h，最大試驗速度可達250km／h。

在設計開發的前期進行基礎的研究，提高了設計的效率。

［1］周 寧，張衛華.雙弓作用下的弓網動力學性能［J］.西南交通大學學報，2009，44（4）：552－557.

［2］馬果壘，馬 君，等.基于多體系統動力學的受電弓參數優化［J］.大連交通大學學報，2010，31（4）：15－21.

［3］馬果壘.受電弓系統研究［D］.成都：西南交通大學，2009.

［4］張衛華.機車車輛動態模擬［M］.北京：中國鐵道出版社，2006：293－336.

［5］李瑞平，周 寧，等.初始平衡狀態的接觸網有限元模型［J］.西南交通大學學報，2009，44（5）：732－737.

［6］周 寧，張衛華.基于直接積分法的弓網耦合系統動態性能仿真分析［J］.中國鐵道科學，2008，29（6）：71－76.