受力變形后的受電弓板簧氣動(dòng)特性二維數(shù)值研究

摘 要：本文利用Ansys軟件對(duì)板簧進(jìn)行靜力分析，計(jì)算不同載荷下板簧的受力變形情況，接下來(lái)對(duì)變形后板簧截面的氣動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值仿真，得出板簧氣動(dòng)力隨壓力的變化規(guī)律，提出合理的板簧變形控制方案，補(bǔ)償弓網(wǎng)間的接觸壓力，保證受電弓良好的受流質(zhì)量，為受電弓穩(wěn)定受流的氣動(dòng)補(bǔ)償控制做出可行性預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞：受電弓；板簧；翼型；氣動(dòng)特性

1 引言

受電弓在高速運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生各種空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，其部件在高速氣流中會(huì)產(chǎn)生一定的氣動(dòng)升力與氣動(dòng)阻力，如圖1所示的板簧是臂桿與滑板的連接件，板簧能提供大阻尼及多向剛度，對(duì)弓網(wǎng)間接觸起到改善作用，同時(shí)其流線型外形，也能減小氣動(dòng)噪聲。在列車(chē)運(yùn)行時(shí)，板簧要給滑板提供一定的支撐力，以維持弓網(wǎng)間的接觸力，板簧在受力后，會(huì)產(chǎn)生一定的變形量，從而使得板簧外形發(fā)生改變，在結(jié)構(gòu)上，這種變形是細(xì)微的的，但由于受電弓是在高速氣流中運(yùn)行，隨著運(yùn)行速度的提高，這種變形所帶來(lái)的空氣動(dòng)力學(xué)影響會(huì)不斷增加，受電弓板簧變形控制，即通過(guò)板簧變形量產(chǎn)生的氣動(dòng)力變化對(duì)弓網(wǎng)間接觸力進(jìn)行主動(dòng)控制，以改善弓網(wǎng)受流。

研究板簧對(duì)受電弓高速受流的影響，即是研究板簧在高速運(yùn)行時(shí)，板簧變形后產(chǎn)生的升力及阻力對(duì)受電弓接觸壓力的影響。導(dǎo)流板的橫剖面可以視為翼型，由于板簧變形控制的控制機(jī)理是通過(guò)變形板簧帶來(lái)的氣動(dòng)力變化而改善受電弓氣動(dòng)特性，滿足高速受流要求。文章的基本思路就是運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)板簧受力變形進(jìn)行數(shù)值仿真，模擬出板簧在不同受力情況下的變形情況，得到變形量之后，在FLUENT軟件中進(jìn)行建模，模擬出板簧在高速氣流中的空氣動(dòng)力學(xué)特性，計(jì)算出在不同受力變形情況下板簧的氣動(dòng)力，通過(guò)研究其變化規(guī)律，為受電弓板簧變形控制提供理論基礎(chǔ)。

2 板簧受力變形分析

圖2為板簧受到35N時(shí)壓力云圖，最大應(yīng)力處為板簧上板與下板連接處，且最大應(yīng)力值隨著載荷的增加而增大。

圖3為板簧受到70N 時(shí)節(jié)點(diǎn)位移圖，可以在數(shù)字上很直觀的看到板簧在受到一定載荷后發(fā)生的變形量，最大位移處為板簧與滑板及弓頭結(jié)合處，且這種變形量隨著載荷的增大而增大。在受到35N的載荷時(shí)，最大變形量約為5.883mm；當(dāng)受到70N載荷作用時(shí)，最大變形量約為11.766mm；當(dāng)受到105N載荷作用時(shí)，最大變形量約為17.701mm。

3 板簧空氣動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 仿真結(jié)果

如圖4為板簧受到70N時(shí)板簧變形后截面壓力分布云圖，通過(guò)分析可以看出，所受的風(fēng)壓峰值位置大多在前緣附近，從兩側(cè)逐漸減小。隨著載荷的增加，上板簧被壓下，外形發(fā)生變化，隨著板簧的變形，上部受到的空氣壓力增大，從而使得板簧受到鄉(xiāng)下的氣動(dòng)力增大。

3.2 變形板簧升阻特性

由以上模擬結(jié)果，可以得出板簧在不同受力情況下的各種系數(shù)指標(biāo)，圖5是升力系數(shù)及阻力系數(shù)隨板簧不同受力變形后的變化圖。從圖中可以看出，升力系數(shù)隨著施力的增大而急劇減小，阻力系數(shù)基本上不變，緩慢上升。

3.3 板簧產(chǎn)生的氣動(dòng)力

單個(gè)板簧在受到不同壓力的情況下，用于其變形產(chǎn)生的升力及阻力隨板簧受力的變化規(guī)律如圖6。氣動(dòng)阻力基本處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，隨著板簧受力的增加，呈現(xiàn)緩慢的上升趨勢(shì)，而升力變化則不同，隨著板簧受力的增加，向下的負(fù)升力急劇增大。

4 板簧控制機(jī)理

板簧用于高速受電弓氣動(dòng)補(bǔ)償控制主要是從接觸力與板簧的變形直接導(dǎo)致升力變化來(lái)考慮的。

直接以平均接觸力為參照，把實(shí)際接觸力與平均接觸力的差值作為補(bǔ)償控制的反饋量，需要一個(gè)把接觸力變化轉(zhuǎn)換為板簧受力變形變化的控制機(jī)構(gòu)，而且接觸力變化與板簧受力之間的增益系數(shù)需要滿足接觸力控制目標(biāo)的要求。圖7是變形板簧運(yùn)用于弓網(wǎng)接觸力補(bǔ)償控制原理圖，在受電弓的運(yùn)行過(guò)程中，由于受到外界因數(shù)的干擾以及接觸網(wǎng)線本省固有的特性，弓網(wǎng)間接觸壓力會(huì)隨著時(shí)間的變化而呈現(xiàn)周期性的變化，當(dāng)接觸力大于或小于標(biāo)準(zhǔn)的平均接觸壓力時(shí)，需要板簧提供一個(gè)抵消這種差異的氣動(dòng)影響力。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先利用Ansys對(duì)受電弓板簧進(jìn)行了受力變形的簡(jiǎn)單模擬，通過(guò)模擬后的結(jié)果，在Fluent中重建板簧模型，對(duì)變形板簧在風(fēng)場(chǎng)中的狀況進(jìn)行模擬計(jì)算，觀察變形板簧周?chē)娘L(fēng)場(chǎng)情況，從中得到板簧的升力系數(shù)和阻力系數(shù)，最后再利用升阻特性公式獲得受電弓板簧隨列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的升力及阻力，為板簧變形控制應(yīng)用于改善受電弓受流特性提供進(jìn)行理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]于萬(wàn)聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].西南交通大學(xué)出版社，2002.

[2]吳學(xué)杰，張衛(wèi)華.接觸網(wǎng)-受電弓振動(dòng)主動(dòng)控制問(wèn)題的研究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2002（1）.

[3]程維.電氣化鐵道受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)受流特性研究[D].西南交通大學(xué).