計及空氣阻尼的西蘭高鐵弓網動態耦合受電弓振動影響研究

邵寧寧

摘? ?要：西蘭高鐵運行環境惡劣，受大風影響嚴重，為保證弓網受流質量，高速運行下的受電弓和接觸網必須滿足動態耦合和動態穩定性要求，才能防止在極端情況下出現弓網事故。本文基于空氣動力學，分析了計及空氣阻尼下西蘭高鐵DSA250受電弓的振動特性。首先，將受電弓歸算為三質量塊模型，然后從數值計算理論出發，建立受電弓的空氣動力學模型，分析了不同橫風作用下受電弓的弓頭和上下框架的受力情況，最后通過MATLAB軟件仿真，仿真分析計及空氣阻尼下，不同橫風作用下受電弓的振動特性。

關鍵詞：空氣動力學? 接觸壓力? 三質量塊模型? 空氣阻尼? 弓網耦合

中圖分類號：TP3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）12（a）-0121-03

弓網的動態受流質量作為評估高速鐵路的關鍵指標之一。本文以西蘭高鐵弓網系統為研究對象，研究計及空氣阻尼的西蘭高鐵弓網動態耦合受電弓的振動特性。

1? 西蘭高鐵弓網耦合建模

1.1 受電弓建模

西蘭高鐵動車組所使用的受電弓是DSA250單臂受電弓，簡化受電弓結構，對受電弓結構進行線性化處理。本文采用由剛性彈簧連接的阻尼三質量塊模型。圖1所示的是受電弓等效原理圖，通過歸算質量法將弓頭、框架、各個構件的轉動慣量和質量等效為三質量塊模型[1]。

1.2 弓網耦合建模

根據前面西蘭高鐵DSA250三質量塊受電弓模型，受電弓通過剛度為KS的彈簧耦合在一起，最終建立弓網耦合系統模型，如圖2所示。承力索和接觸線的垂向位移分別為

2? 計及空氣阻尼的弓網耦合受電弓振動分析

2.1 計及空氣阻尼的接觸網動力學方程修正

在風載荷作用下，接觸網受到恒定氣動力，接觸線微幅振動將引起攻角改變，從而在接觸網產生阻尼效應。在空氣阻尼下，接觸網微分方程建立需考慮攻的影響，圖4為接觸線受力示意圖[2]。

2.2 計及空氣阻尼的受電弓動力學模型

高速運行的受電弓會對相對靜止的空氣產生沖擊，向四周流動的氣流在受電弓部分部件會產生氣動升力并伴隨部分氣動阻力，圖5是受電弓在運行過程中氣動升力和氣動阻力的示意圖。通過線路試驗證明，受電弓弓頭上受到的氣動阻力約為75%～80%，框架上受到的氣動阻力約為20%～25%，兩個運行方向的氣動阻力基本一致[3]。

本文引入空氣動力學理論，將流體視為連續介質，受電弓空氣動力學的問題可以通過建立連續函數的數學模型來幫助求解，引入速度勢與流函數，受電弓處于不可壓縮流場中的歐拉方程為

3? 橫風作用下的弓網動態耦合分析

3.1 受電弓氣動力的數值計算

研究橫風作用下西蘭高鐵的弓網垂向振動特性，主要包括風載荷對接觸網的影響和對受電弓的影響，本文通過改變受電弓三質量塊所受抬升力和接觸網的阻尼矩陣來研究弓網系統垂向振動特性。機車運行速度為250km/h時，橫風速度為5m/s、15m/s和25m/s時受電弓的氣動升力如表2所示。

由表2可以看出，機車運行速度為250km/h時，隨著橫風速度的增大，受電弓的氣動升力顯著變大，與無風相相比，橫風使受電弓的受力更加復雜。

接觸網在橫風作用下的空氣阻尼如表3所示。

由表3可以看出，在橫風作用下承力索和接觸線的空氣阻尼很小，當橫風風速為25m/s時，承力索空氣阻尼為0.1825，而接觸線空氣阻尼為0.0816。

3.2 計及空氣阻尼的弓網動態耦合仿真分析

機車運行速度為250km/h時，將不同風速下的空氣阻尼和受電弓的升力代入所建立的動力學方程，通過仿真得到不同風速下弓網接觸壓力的仿真圖。

4? 結語

本文分析了計及空氣阻尼下西蘭高鐵DSA250受電弓的振動特性。首先建立弓網動態耦合模型，然后從數值計算理論出發，建立受電弓的空氣動力學模型，最后通過MATLAB軟件仿真，分析計及空氣阻尼下，不同橫風作用下受電弓的振動特性。具體結論如下。

（1）在空氣阻尼作用下，分析不同風載荷在接觸網上的阻尼，并對接觸網動力學方程重新修正。通過流體力學和空氣動力學的知識，采用數值計算法得到受電弓在不同風速下受電弓的弓頭和上下框架的氣動抬升力，從而進一步修正弓網耦合模型。

（2）在空氣阻尼作用下，不同橫風U作用于弓網系統， 弓網的接觸壓力和受電弓抬升量以跨距為單位周期性的變化。隨著橫風U的增大，受電弓抬升量的最大值和平均值增加，說明弓網之間的磨損加劇。

參考文獻

[1] 韓南南.基于接觸網動力學參數變化的弓網系統振動特性研究[D].上海工程技術大學，2016.

[2] 劉志剛，韓志偉，侯運昌，等.計及空氣阻尼影響的接觸線波動速度修正研究[J].鐵道學報，2013，35（1）： 41-45.

[3] 吳積欽.受電弓與接觸網系統[M].成都：西南交通大學出版社，2010.