不同受電弓對剛性接觸網(wǎng)錨段關節(jié)的適應性研究

皋金龍

0 引言

隧道內(nèi)剛性接觸網(wǎng)相比柔性接觸網(wǎng)具有一定優(yōu)勢，其接觸線無張力，具有零部件少、載流量大、安全可靠、維修量小等優(yōu)點，廣泛應用于地鐵隧道內(nèi)[1]。在國內(nèi)，廣州地鐵2號線首次采用剛性接觸網(wǎng)技術，經(jīng)過多年技術積累，目前在北京地鐵大興機場線實現(xiàn)時速160 km的突破。隨著國內(nèi)城軌交通線路運營速度的不斷提升，對剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)動態(tài)性能要求越來越高，錨段關節(jié)是影響和制約弓網(wǎng)系統(tǒng)良好受流的關鍵區(qū)段，有必要對不同受電弓在高速通過錨段關節(jié)時的弓網(wǎng)動態(tài)性能進行研究。

目前，相關的文獻僅研究了某種受電弓在160 km/h及以下速度通過錨段關節(jié)時的弓網(wǎng)動態(tài)性能，尚未對不同型號受電弓高速通過錨段關節(jié)時的弓網(wǎng)動態(tài)性能進行研究[2～6]。本文利用有限元法建立3種型號受電弓與剛性接觸網(wǎng)的動力學模型，分析比較3種型號受電弓以160～220 km/h速度通過錨段關節(jié)時的弓網(wǎng)動態(tài)性能參數(shù)，為研發(fā)更高速度等級的受電弓與剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)提供技術參考。

1 模型建立

1.1 剛性接觸網(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，將接觸線夾持在匯流排中。在建模時將匯流排與接觸線作為一個整體考慮，采用歐拉梁等效。因匯流排與接觸線的密度相差較大，需要采用集中質量點在歐拉梁單元兩端補充密度差。懸掛與定位結構分為門式懸掛結構與懸臂式懸掛結構，兩種結構可等效為帶集中質量的彈簧[7，8]，但考慮到速度等級較高時該等效方式會存在較大誤差，故將實際模型簡化處理后進行建模。

本文以北京地鐵大興機場線為例，其機械分段采用平行交錯式錨段關節(jié)，相鄰剛性接觸網(wǎng)錨段幾何重疊構成錨段關節(jié)，重疊區(qū)域在空間上存在等高點，使受電弓平滑地從一個錨段過渡到另一個錨段。大興機場線錨段關節(jié)長度為6 m，匯流排終端懸臂長度1.5 m，翹起段長度1.0 m，匯流排端部翹起70 mm，平面布置如圖1所示。利用有限元法將剛性接觸網(wǎng)離散成若干個梁單元，建立2個錨段的剛性接觸網(wǎng)錨段關節(jié)仿真模型，如圖2所示。

圖1 平行交錯式錨段關節(jié)平面布置

圖2 平行交錯式錨段關節(jié)仿真模型

1.2 受電弓仿真模型

受電弓為雙四連桿機構，由弓頭、上框架、下臂桿、傳動系統(tǒng)與底架等組成。目前使用較多的受電弓模型是質量塊模型，三質量塊模型的仿真結果比二質量塊模型更準確[9]，故本文選取受電弓三質量塊模型進行弓網(wǎng)動態(tài)仿真，選取3種型號受電弓（DSA200、DSA250及DSA380）進行研究。

2 仿真結果分析

3種型號受電弓分別以速度160、180、200、220 km/h通過2個錨段，進行弓網(wǎng)仿真得到弓網(wǎng)接觸力。分別繪制3種型號受電弓在不同速度等級下的弓網(wǎng)接觸力曲線，如圖3所示（圖中橫坐標為里程/m，縱坐標為接觸力/N）。

圖3 3種型號受電弓以不同速度通過錨段關節(jié)時的弓網(wǎng)接觸力曲線

對比各速度等級的弓網(wǎng)接觸力曲線可以發(fā)現(xiàn)：3種型號受電弓的弓網(wǎng)接觸力隨著速度的增加波動劇烈，弓網(wǎng)接觸力在錨段關節(jié)處均波動很大且出現(xiàn)峰值；在220 km/h速度等級下，DSA250受電弓的弓網(wǎng)接觸力在全錨段整體波動劇烈，已不能體現(xiàn)錨段關節(jié)處的弓網(wǎng)接觸力波動特征值，表明受電弓與剛性接觸網(wǎng)之間受流質量較差，DSA250受電弓不適合在該速度等級下運行。

為分析比較3種型號受電弓與錨段關節(jié)的最佳適應性，對3種型號受電弓通過錨段關節(jié)區(qū)域的接觸力特征值進行統(tǒng)計，如表1—表4所示。

表1 160 km/h時錨段關節(jié)區(qū)域弓網(wǎng)接觸力特征值 N

表2 180 km/h時錨段關節(jié)區(qū)域弓網(wǎng)接觸力特征值 N

表3 200 km/h時錨段關節(jié)區(qū)域弓網(wǎng)接觸力特征值 N

表4 220 km/h時錨段關節(jié)區(qū)域弓網(wǎng)接觸力特征值 N

根據(jù)TB/T 3271對接觸力范圍的規(guī)定，接觸力值應在0～300 N范圍內(nèi)。對比不同速度等級下的弓網(wǎng)接觸力特征值可知，各型號受電弓在錨段關節(jié)處的弓網(wǎng)接觸力最大值隨速度增大而增大，弓網(wǎng)接觸力最小值隨速度增大而減小，弓網(wǎng)接觸力最大值與最小值均處于TB/T 3271規(guī)定的接觸力范圍內(nèi)。

根據(jù)標準EN 50367弓網(wǎng)動力相互作用參數(shù)的規(guī)定，0.3倍接觸力平均值減接觸力標準差的值應大于0，且該值越大，表明弓網(wǎng)接觸質量越好。故在200與220 km/h速度等級下，DSA200與DSA250受電弓都不能適應該錨段關節(jié)，雖然DSA380受電弓能夠適應該錨段關節(jié)，但弓網(wǎng)接觸質量較差。

接觸力標準差越小，表明接觸力集中程度越高，弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸越良好，受流質量越高。將不同速度等級下3種型號受電弓在錨段關節(jié)的弓網(wǎng)接觸力標準差進行比較，如圖4所示。

由圖4可知：在160 km/h速度等級下，DSA250受電弓在錨段關節(jié)處的弓網(wǎng)接觸力標準差最小；在180 km/h速度等級下，DSA380受電弓在錨段關節(jié)處的弓網(wǎng)接觸力標準差最小；在200 km/h與220 km/h的速度等級下，DSA380受電弓在錨段關節(jié)處的弓網(wǎng)接觸力標準差最小。因此在速度等級為160 km/h時，DSA250受電弓與該錨段關節(jié)的適應性更好，在速度等級為180 km/h及以上時，DSA380受電弓與該錨段關節(jié)的適應性更好。

圖4 不同型號受電弓的錨段關節(jié)弓網(wǎng)接觸力標準差

3 結語

本文通過建立受電弓與剛性接觸網(wǎng)仿真模型，研究不同型號受電弓高速通過錨段關節(jié)的弓網(wǎng)動態(tài)性能，得到以下結論：

（1）受電弓通過錨段關節(jié)時，弓網(wǎng)接觸力出現(xiàn)劇烈波動，并出現(xiàn)峰值。受電弓通過錨段關節(jié)時的弓網(wǎng)接觸力最大值隨速度增大而增大，弓網(wǎng)接觸力最小值隨速度增大而減小。

（2）不同型號受電弓以不同速度等級通過錨段關節(jié)時會呈現(xiàn)出不同弓網(wǎng)接觸力特征。在速度等級為160與180 km/h時，DSA200、DSA250及DSA380 3種受電弓均能與錨段關節(jié)相匹配。通過分析比較接觸力標準差，在速度等級為160 km/h時，DSA250受電弓與錨段關節(jié)的適應性更好，在速度等級為180 km/h及以上時，DSA380受電弓與錨段關節(jié)的適應性更好。

（3）通過比較0.3倍接觸力平均值減接觸力標準差的值，得出在速度等級為200與220 km/h時，DSA200、DSA250兩種受電弓均不能與錨段關節(jié)相匹配，DSA380受電弓可與錨段關節(jié)相匹配，但弓網(wǎng)接觸質量不佳。