階躍不平順下接觸剛度對受流質量影響分析

吳旭，胡俊雄,2，羅世輝，馬衛華

階躍不平順下接觸剛度對受流質量影響分析

吳旭1，胡俊雄1,2，羅世輝1，馬衛華1

（1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；2.鄭州鐵路職業技術學院 河南省軌道交通智能安全研究中心，河南 鄭州 451460）

接觸軌不平順直接作用于受流器并影響中低速磁浮列車的受流質量。為研究接觸軌不平順及接觸剛度對受流器的動力學響應，本文建立了中低速磁浮列車動力學模型與剛柔耦合靴-軌動力學模型，定義離線率、接觸力合格率為受流質量的評價指標，通過仿真計算了階躍不平順工況下靴軌接觸剛度對受流質量的影響。研究表明：離線率隨接觸剛度的增加而減小，接觸力合格率先隨接觸剛度的增加而增加，后隨接觸剛度增加而減小。為保證中低速磁浮列車線路運行時的受流質量，靴軌接觸剛度應取1×107N/m。

中低速磁浮列車；受流器；靴－軌關系；接觸剛度

中低速磁浮列車受流器是安裝于懸浮架下方的側向電能采集裝置，通過受流器與鋪設在軌道梁側部的接觸軌相互作用獲取電能。接觸軌包括第三軌和第四軌，接觸軌上帶有牽引變電所傳輸的DC 1500 V電壓，中低速磁浮列車運行時受流器滑靴在接觸軌表面滑動接觸獲得電能，第四軌用于回收靴－軌系統的雜散電流[1]。中低速磁浮列車受流器的動力學行為受接觸軌彎頭、列車運行速度、接觸力等因素的影響[2]。靴－軌系統工作的穩定性和可靠性直接影響著整車的正常供電，是一個不容忽視的關鍵子系統。在實際運營中接觸軌不平順嚴重影響著受流器的受流穩定性，近年來關于受流器與接觸軌軌道不平順研究的重要性受到廣大研究人員的重視。

Stewart等[3]根據試驗數據及仿真得出受流器接觸力隨接觸軌表面高度的變化而變化，接觸軌表面不平順會導致離線、滑靴表面出現較大的接觸力突變；Bucca等[4]建立了受電弓與接觸網的磨耗預測模型，分別考慮了無接觸網不平順、低接觸網不平順與高接觸網不平順的工況，得出不平順程度越高接觸網磨耗量越大；楊凡[5]研究了在接觸軌軌道高低不平順、不同車速下受流器的振動響應，得出速度越低、接觸軌軌道高低不平順幅值越小受流器的振動響應越小；李偉[6]提出了通過軌道彎頭時地鐵下部受流器接觸力的計算方法，并提出接觸軌的安裝誤差應保持在±6 mm內；張鵬飛[7]研究了膨脹接頭階躍型不平順下受流器的通過性，得到前軌高于后軌，幅值為0～1 mm時受流器通過性較好，但沒有引入車輛的振動；劉銘[8]通過研究得出全線路接觸軌安裝誤差保持在0～1 mm的正態分布情況下受流器能平穩通過誤差區段，但沒有引入車輛的振動。

靴－軌系統因接觸軌安裝誤差造成的階躍型不平順受到了國內外學者的研究，但在研究時將靴－軌系統考慮為單一的系統，未考慮列車振動下受流器的通過性。受流器安裝于中低速磁浮列車上，運行時必然受到列車振動的影響，單獨分析受流器對接觸軌階躍誤差區段的通過性與實際有較大出入。當不平順幅值較大時會導致滑靴與接觸軌脫離并產生燃弧，從而影響受流器的受流質量，嚴重時甚至會導致安全事故。

本文研究受流器通過因安裝誤差導致的接觸軌階躍不平順的受流質量，定義離線率與接觸力合格率為受流質量的判據，在剛柔耦合靴－軌模型中考慮了中低速磁浮列車的橫向運行振動，并分析了接觸剛度對受流質量的影響。

1 受流器

1.1 受流器結構

中低速磁浮列車沒有輪軌系統，由電磁力實現列車的懸浮、短定子直線電機牽引懸浮架于軌道梁上運行，故只能采用靴－軌系統采集牽引變電所的電能。

式中：1為上臂桿與連接桿兩鉸鏈孔中心距， mm；2為上臂桿鉸鏈孔與拉簧連接點處的距離，mm；為上臂桿轉動的角度，（°）；為上臂桿與水平面的夾角，（°）；為受流器拉簧剛度，N/m；0為拉簧靜態接觸力下的變形量，mm。

1、l、、、0為受流器結構參數。通過分析可知，當知道任意時刻受流器上臂桿的旋轉角度，即可通過式（1）、式（2）求出任意時刻的接觸力。

1.2 標準

受流器的受流穩定性嚴重影響車輛運行品質，國內外已積極開展研究并制定相關標準。國內外采用的靴－軌系統標準，見表1。

1.接觸軌；2.滑靴結構；3.連接桿；4.下臂桿；5.彈簧座；6.絕緣子；7.彈簧系統；8.絕緣板；9.底座；10.上臂桿。

圖2 接觸力計算示意圖

表1 國內外靴－軌系統相應標準

國外發布的標準對靴－軌系統的機電接口作出了規定，但對接觸力等參數未做出規定；而國內發布的相應標準集中在地鐵受流器上，因中低速磁浮列車地鐵受流器受流方式類似，所以在對靴－軌系統分析時可參考地鐵受流器的相應標準。

中低速磁浮列車現使用的受流器與接觸軌的靜態接觸力為110±30 N，不同受流器靜態接觸力略有不同，但都在此范圍內。故本文參考GB/T 7928對地鐵接觸力規定。

2 動力學模型及軌道坡度

本文首先建立中低速磁浮列車動力學模型，包括1個車體、3個懸浮架，總計61個自由度。然后在動力學模型相應懸浮架上標記受流器安裝位置、F軌軌道不平順采用德國高速低干擾譜、以實際中低速磁浮運營線路的運行速度80 km/h進行時域仿真，可得該速度下列車受流器位置的振動加速度。

表2 中低速磁浮列車動力學模型部分參數表

在Adams中導入建立的受流器與接觸軌模型，通過設置各零件連接關系與材料屬性可得靴-軌耦合動力學模型，如圖3所示。將得到的受流器振動加速度導入靴－軌耦合動力學模型中，即可得到在車輛振動下磁浮列車受流器動力學模型。

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接觸軌定長為12 m，靴軌接觸時滑靴的動態接觸力可等效為移動載荷作用于接觸軌，導致接觸軌變形，影響受流質量，故分析時考慮柔性接觸軌對受流質量的影響。

1.接觸軌；2.滑靴結構；3.上臂桿；4.底座；5.絕緣板；6.下臂桿；7.連接桿。

由于接觸軌定長的因素，列車運行時快時會在很短時間內通過一段供電軌，為仿真列車在階躍型不平順值最大時的受流質量，選用一段振動最劇烈的三位懸浮架左側受流器振動數據導入靴－軌耦合動力學模型，如圖4所示。

圖4 懸浮架受流器的振動

接觸軌由人工鋪設而成，由于安裝精度等問題，相鄰兩軌會出現軌縫及高差，分別為前軌低于后軌和前軌高于后軌，從而產生階躍型不平順。受流器通這些區段時，滑靴在彈簧系統的作用下強制通過軌縫及“上坡”、“下坡”。軌道安裝誤差導致受流器滑靴出現通過軌縫及過坡現象如圖5所示。

圖5 受流器滑靴過坡示意圖

3 動力學仿真

因安裝誤差導致相鄰兩軌間出現軌縫及高差，影響受流質量，研究認為相應的縫隙及高差一般在0～1 mm[7-8]，本文取軌縫和高差都為1 mm的最惡劣工況研究接觸剛度對通過軌縫及階躍不平順誤差區段的影響。

通過研究與仿真可知靴軌接觸剛度嚴重影響受流質量，參考國防科技大學對接觸剛度的相關研究[15]，本文分析了接觸剛度為5×106N/m、1×107N/m、5×107N/m時受流器通過接觸軌軌縫及“上坡”和“下坡”階躍沖擊誤差區段時的受流質量，以接觸力合格率、滑靴離線率為具象化評價指標。

其中接觸力合格率定義為動態接觸力處于120～180 N的統計數據量與總仿真數據量的比值；滑靴離線率為接觸力為0時的統計數據量與總仿真數據量的比值。

3.1 “上坡”階躍不平順的受流質量

在接觸剛度為5×106N/m、1×107N/m、5×107N/m時，受流器通過接觸軌安裝誤差為1 mm的“上坡”誤差區段，得到的振動數據如圖6～圖8所示。

圖6 接觸剛度為5×106 N/m時通過“上坡”工況

可以看出，在受流器通過“上坡”工況時，由于存在正的階躍不平順值，對受流器產生很大的沖擊，使滑靴離線。離線前后接觸力會產生突變，幅值很大，且通過不平順區段后接觸力波動劇烈，隨接觸剛度的增加而增大。計算上述三個工況的接觸力合格率、滑靴離線率結果如表3所示。

圖7 接觸剛度為1×107 N/m時通過“上坡”工況

圖8 接觸剛度為5×107 N/m時通過“上坡”工況

表3 “上坡”工況受流質量

可以看出，滑靴離線率隨接觸剛度的增加而減小，而接觸力合格率先隨接觸剛度的增加而增大，后隨接觸剛度的增加而減小。當接觸剛度為5×107N/m時滑靴離線率最小，但此時接觸力合格率最低，小于50%，即接觸力超過一半處在不合理的取值范圍；當接觸剛度取1×107N/m時，接觸力合格率最優，滑靴離線率約為8.2%，離線情況較接觸剛度為5×107N/m時差異較小。故為保證受流器在“上坡”型階躍不平順的順利通過性，接觸剛度選用1×107N/m時較為合理。

3.2 “下坡”階躍不平順的受流質量

在接觸剛度為5×106N/m、1×107N/m、5×107N/m時，受流器通過接觸軌安裝誤差為1 mm的“下坡”誤差區段，得到的振動數據如圖9～圖11所示。

可以看出，受流器通過“下坡”工況時，由于存在負的階躍不平順值，對受流器產生很大的沖擊，使滑靴離線。通過階躍不平順區段的離線距離隨接觸剛度的增加而減小，當接觸剛度為5×107N/m時，通過不平順區段不會產生離線。計算上述三個工況的接觸力合格率、滑靴離線率結果如表4所示。

圖9 接觸剛度為5×106 N/m時通過“下坡”工況

圖10 接觸剛度為1×107 N/m時通過“下坡”工況

圖11 接觸剛度為5×107 N/m時通過“下坡”工況

表4 “下坡”工況受流質量

可以看出，滑靴離線率隨接觸剛度的增加而減小，而接觸力合格率先隨接觸剛度的增加而增大，后隨接觸剛度的增加而減小。當接觸剛度為5×107N/m時滑靴離線率最小，但此時接觸力合格率最低，小于50%，即接觸力超過一半處在不合理的取值范圍；當接觸剛度取1×107N/m時，接觸力合格率最優，滑靴離線率約2.6%，離線率較低，且與接觸剛度為5×107N/m時差異較小。故為保證受流器在“下坡”型階躍不平順的順利通過性，接觸剛度選用1×107N/m時較為合理。

4 結語

通過建立中低速磁浮列車動力學模型及剛柔耦合靴－軌耦合模型，研究考慮列車運行振動響應的階躍不平順下受流質量受接觸剛度的影響，研究得出以下結論：

（1）受流器處于“上坡”型階躍不平順時，為保證受流質量，接觸剛度應為1×107N/m。

（2）受流器處于“下坡”型階躍不平順時為保證受流質量，接觸剛度應為1×107N/m。

（3）全線路由于安裝誤差會出現許多類似的誤差區段，為保證受流質量，接觸剛度的取值應為1×107N/m。

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Influence of Contact Stiffness on Current Collection Quality under the Condition of Step Irregularity

WU Xu，HU Junxiong，LUO Shihui，MA Weihua

(1.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu610031, China; 2.Henan Engineering Research Center of Rail Transit Intelligent Security, Zhengzhou Railway Vocational & Technical College, Zhengzhou451460, China)

The contact rail irregularity directly affects the current collector and the current collection quality of medium-low-speed maglev train.In order to study the dynamic response of contact rail irregularity and contact stiffness to current collector,this paper establishes a dynamic model of the medium-low-speed maglev train and a dynamic model of rigid-flexible coupled brake shoe and wheel rail. The off-line rate and contact force qualified rate are defined as the evaluation indexes of current collection quality.The influence of brake shoe and wheel rail contact stiffness on current collection quality under the condition of step irregularity is calculated by simulation. The results show that the off-line rate decreases with the increase of contact stiffness, and the contact force qualified rate first increases with the increase of contact stiffness, and then decreases with the increase of contact stiffness. In order to ensure the current collection quality of medium-low-speed maglev train, the contact stiffness should be 1×107N/m.

medium-low-speed maglev train；collector；brake shoe-wheel rail relationship；contact stiffness

TH113

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.04.007

1006－0316 (2021) 00－0041－07

2020－09－24

2019河南省軌道交通智能安全工程技術研究中心開放基金（2019KFJJ002）

吳旭（1996－），男，四川資陽人，碩士研究生，主要研究方向為車輛系統動力學，E-mail：wuxuwd@163.com；羅世輝（1964－），男，江西贛州人，博士，教授，主要研究方向為車輛系統動力學。