剛性接觸網(wǎng)相鄰跨距比速度適應(yīng)性仿真分析

代洪宇，陳乙棋，申正超

0 引言

斷口式錨段關(guān)節(jié)是剛性接觸網(wǎng)相鄰錨段的銜接部分，是剛性接觸網(wǎng)的重要組成部分。斷口式錨段關(guān)節(jié)（下文稱關(guān)節(jié)）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其狀態(tài)和質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響接觸網(wǎng)的供電質(zhì)量和電力機車的取流質(zhì)量，是整個錨段的薄弱環(huán)節(jié)。關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)換懸掛點的抬升量對受電弓在該處的取流質(zhì)量有重要影響，但目前國內(nèi)各地鐵運營單位對關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量未形成統(tǒng)一的規(guī)定。

剛性接觸網(wǎng)相鄰跨距較大會導(dǎo)致匯流排出現(xiàn)負弛度。受電弓高速運行時，若滑板不能適應(yīng)相鄰跨匯流排的撓度變化，會導(dǎo)致滑板和接觸線間產(chǎn)生拉弧及滑板撞擊匯流排等現(xiàn)象，將會給弓網(wǎng)受流及滑板磨耗帶來不良影響。在剛性接觸網(wǎng)平面布置設(shè)計中，車站風(fēng)孔、人防防淹門等結(jié)構(gòu)不利于懸掛點的布置，影響相鄰跨距比取值。因此，有必要對受電弓通過站端關(guān)節(jié)繼而通過關(guān)節(jié)相鄰跨距比較大區(qū)段時的弓網(wǎng)受流性能進行分析。目前，《地鐵設(shè)計規(guī)范》[1]尚未對剛性接觸網(wǎng)相鄰跨距比取值做出規(guī)定，《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》[2]、《市域鐵路設(shè)計規(guī)范》[3]要求剛性接觸網(wǎng)連續(xù)中間跨相鄰跨距比不宜大于1∶1.25。

1 牽引網(wǎng)仿真平臺簡介

系統(tǒng)仿真是伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一門新興學(xué)科，通過建立實際系統(tǒng)的數(shù)字模型，對所建模型系統(tǒng)進行實驗研究。

筆者公司聯(lián)合西南交通大學(xué)共同研發(fā)牽引網(wǎng)仿真平臺，該平臺將設(shè)計、試驗、仿真、運營相結(jié)合，可對牽引網(wǎng)設(shè)計、生產(chǎn)、制造、運營、維護全生命周期進行信息化管理。通過試驗、仿真數(shù)據(jù)與運營檢測數(shù)據(jù)的研究分析，不斷訓(xùn)練完善牽引網(wǎng)模型；再通過經(jīng)訓(xùn)練的牽引網(wǎng)模型的仿真結(jié)果進行驗證、優(yōu)化新線設(shè)計，為牽引網(wǎng)運維提供指導(dǎo)，形成良性循環(huán)。

本文運用該平臺建立剛性接觸網(wǎng)-受電弓仿真模型，相關(guān)模型見圖1。匯流排及懸掛裝置均采用梁等效模型，各部件之間通過耦合節(jié)點間自由度實現(xiàn)連接；受電弓選用TSG18F型，采用三質(zhì)量塊模型進行等效，三質(zhì)量塊參數(shù)[4]見表1。

表1 TSG18F型受電弓三質(zhì)量塊參數(shù)

圖1 剛性接觸網(wǎng)模型

在接觸網(wǎng)設(shè)計流程中，應(yīng)首先確定弓網(wǎng)結(jié)合部參數(shù)，如弓網(wǎng)動力相互作用指標、靜態(tài)接觸力等；然后進行受電弓選型；最后調(diào)整接觸網(wǎng)設(shè)計參數(shù)，使弓網(wǎng)動力相互作用性能滿足弓網(wǎng)結(jié)合部相關(guān)參數(shù)要求。弓網(wǎng)動力相互作用指標參見UIC 799[5]、EN 50367[6]，本文中的靜態(tài)接觸力取120 N，受電弓選用TSG18F型。

2 錨段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量分析

錨段關(guān)節(jié)是整個錨段弓網(wǎng)受流的薄弱環(huán)節(jié)，受電弓快速通過時接觸力波動劇烈。為保證受電弓能快速平穩(wěn)通過斷口式錨段關(guān)節(jié)，兩支接觸線在關(guān)節(jié)中間懸掛點處應(yīng)等高，轉(zhuǎn)換懸掛點處非工作支不得低于工作支。轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量決定受電弓由一個錨段過渡到另一個錨段的位置，是控制錨段關(guān)節(jié)處弓網(wǎng)受流質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

受電弓以時速120 km通過轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量為0～8 mm的錨段關(guān)節(jié)，接觸力曲線如圖2所示。經(jīng)綜合分析，接觸力各項特征值均滿足標準要求，轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量取5 mm時，錨段關(guān)節(jié)處接觸力波動最為平穩(wěn)。

圖2 轉(zhuǎn)換懸掛點不同抬升量接觸力曲線

轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量為0 mm時，關(guān)節(jié)處接觸力波動最為劇烈。未對接觸力進行20 Hz低通濾波處理的情況下，對比觀察轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量取0、5 mm時關(guān)節(jié)附近接觸力曲線，如圖3、圖4所示。抬升量取0 mm時，受電弓在懸臂跨即與錨段2匯流排接觸，受沖擊回落后與錨段2完全接觸，在錨段1懸臂跨脫離與錨段1的接觸。若弓頭質(zhì)量較大，受沖擊后弓頭可能與匯流排脫離接觸，出現(xiàn)離線現(xiàn)象。轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量取5 mm時，受電弓在錨段1的第2個懸掛點附近與錨段2匯流排開始接觸，在錨段2的第2個懸掛點與錨段1脫離接觸，接觸力波動幅度幾乎與中間跨持平。

圖3 轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量為0 mm時接觸力曲線

圖4 轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量為5 mm時接觸力曲線

3 相鄰跨距比分析

3.1 中間跨相鄰跨距比分析

中間跨相鄰跨距比較大時，突變跨容易形成負弛度。受電弓滑板若不能跟隨匯流排撓度的變化，則容易受到?jīng)_擊或與匯流排脫離接觸，不利于弓網(wǎng)受流。

中間跨標準跨距取8 m，相鄰跨距比值分別取2.0、1.75、1.5、1.25、1.0，即跨距突變跨對應(yīng)跨距分別為4、4.6、5.3、6.4、8 m，對應(yīng)匯流排撓度曲線如圖5所示。當相鄰跨距比較大時，受左右兩標準跨匯流排的自重影響，突變跨匯流排出現(xiàn)負弛度，相鄰兩跨匯流排弛度增大。跨距突變跨持續(xù)影響左右相鄰兩跨匯流排撓度。

圖5 不同相鄰跨距比對應(yīng)匯流排撓度曲線

受電弓以時速120 km運行，得到不同相鄰跨距比下接觸力曲線，僅分析跨距比變化點前兩跨與后三跨接觸力曲線，如圖6所示，對應(yīng)接觸力標準差見表2。可以看出，接觸力最值均滿足標準要求，接觸力波動幅度并沒有隨相鄰跨距比值的不同出現(xiàn)明顯的變化，接觸力標準差差別不大。

表2 不同相鄰跨距比接觸力標準差

圖6 各相鄰跨距比對應(yīng)接觸力曲線

不同相鄰跨距比下，受電弓滑板位移見圖7。當相鄰跨距比值不為1時，滑板在跨距比變化懸掛點左右相鄰跨位移均突然變大，跨距比取1.25時滑板位移變化幅度較另外3種取值小。

圖7 不同跨距比滑板位移

考慮跨距變化跨左右懸掛點相對高差取值為跨距的0.5‰，經(jīng)仿真分析，接觸力各項特征值均滿足標準要求，滑板位移最值見表3。相鄰懸掛點相對高差引入后，滑板位移最值較無高差時明顯增大。滑板位移值的突然變化會給受電弓結(jié)構(gòu)帶來突然變化的應(yīng)力，不利于受電弓長期安全穩(wěn)定服役。

表3 滑板位移最值 mm

3.2 錨段關(guān)節(jié)處跨距比分析

為了便于錨段關(guān)節(jié)及隔離開關(guān)檢修，牽引所通常在列車進站端設(shè)置絕緣錨段關(guān)節(jié)。車站站端人防/防淹門、活塞/機械風(fēng)孔等的存在不利于接觸網(wǎng)懸掛點的布置，懸掛點為了避開孔洞，會出現(xiàn)關(guān)節(jié)附近相鄰跨距比較大的情況。

為分析受電弓經(jīng)過錨段關(guān)節(jié)后，關(guān)節(jié)相鄰跨跨距突變時弓網(wǎng)受流性能，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量取5 mm，關(guān)節(jié)跨距取2 m，第2跨距取4 m，第3跨距與第2跨距比值分別取2.0、1.75、1.5、1.25、1.125，即第3跨跨距分別為8、7、6、5、4.5 m，分析不同速度下弓網(wǎng)受流性能。

受電弓分別以時速80、100、120 km運行，以跨距比取值2.0與1.125為例，接觸力曲線如圖 8所示。可以看出，不同速度等級下，不同跨距比對應(yīng)的接觸力波動幅度差別不大。

圖8 跨距比取2.0與1.125時不同速度下接觸力曲線

統(tǒng)計分析前1/4錨段接觸力特征值，各工況下接觸力特征值均滿足標準要求。接觸力標準差反映了接觸力波動偏離平均值的程度，不同工況下接觸力標準差見圖9。

圖9 不同工況接觸力標準差

當關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量取5 mm時，受電弓以時速80 km通過站端錨段關(guān)節(jié)繼而通過關(guān)節(jié)相鄰跨距比較大的區(qū)段時，接觸力波動與相鄰跨距比成正相關(guān)，但是差別極小，可以忽略跨距比的不同對弓網(wǎng)受流帶來的影響。

以跨距比取2.0為例，分析轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量分別取0、1、5 mm時弓網(wǎng)受流性能，前1/4錨段接觸力曲線見圖10。關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量的取值對關(guān)節(jié)處弓網(wǎng)取流性能影響較大。時速為120及100 km時，轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量的取值對關(guān)節(jié)以及關(guān)節(jié)相鄰跨距突變跨影響較大，該影響持續(xù)到前1/4錨段；時速為80 km時，轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量的取值僅對關(guān)節(jié)處弓網(wǎng)受流性能影響較大，該影響并未持續(xù)到關(guān)節(jié)相鄰跨距突變跨。

圖10 轉(zhuǎn)換懸掛點不同抬升量接觸力曲線

4 結(jié)語

基于牽引網(wǎng)仿真平臺，在受電弓選用TSG18F型，剛性接觸網(wǎng)標準跨取8 m，靜態(tài)接觸力取120 N前提下，經(jīng)過大量弓網(wǎng)仿真分析，得到以下結(jié)論：關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量宜取值為5 mm；中間跨相鄰跨距比的不同取值對接觸力波動沒有明顯的影響，但對滑板位移影響較大，不利于受電弓長期安全穩(wěn)定服役；關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換懸掛點抬升量對關(guān)節(jié)及關(guān)節(jié)相鄰跨距突變跨弓網(wǎng)性能影響較大，抬升量取5 mm時，受電弓以時速80 km通過站端關(guān)節(jié)及關(guān)節(jié)相鄰?fù)蛔兛鐣r，弓網(wǎng)取流性能不受影響。