改善弓網接觸的高速鐵路受電弓優化設計

摘要：目前的高速鐵路受電弓在機械改進方面的潛力有限，接觸力標準偏差的降低量不超過10%-15%。本論文提出了一種基于弓頭懸掛特性的受電弓優化設計方案，以改善受電弓與接觸網之間的接觸質量，并根據現有受電弓的實驗動態特性進行驗證。盤頭剛度和阻尼特性、上框架剛度和阻尼特性、靜升力以及接觸線張力等參數是用于受電弓優化的設計變量。設計優化的主要目標是使弓網接觸力的標準偏差最小化，這是改善接觸質量的最重要變量。

關鍵詞：受電弓;接觸網;弓頭懸掛特性;接觸質量;標準偏差

1引言

高速列車通過接觸網受電弓接口提供運行發動機所需的電能。如果弓網接觸不良，不僅會導致受電弓的集電弓和接觸網的接觸線之間產生高壓電弧，導致兩個設備的使用壽命降低，而且有可能使列車電能供應中斷[1]。弓網平均接觸力的增加將提高電能的傳輸能力，但也會導致受電弓定位條和接觸線的加速磨損。受電弓的結構設計必須滿足以下三個要求：將盤頭提升至接觸線高度，并補償具有較低接觸網高度的跨距;處理與穩定臂通道相關的中等頻率的位移;處理頻率較高但幅度較低的激勵。通常情況下，受電弓頭部及其懸掛裝置負責處理高頻激勵，而較低一級（帶氣動波紋管）負責處理低頻激勵。大多數運行中的受電弓都是在考慮特定接觸網系統的情況下開發的[2]。目前新的高速列車發展趨勢導致對受電弓的設計提出了新的要求，首先需要受電弓允許在不同的接觸網系統中運行，其次要求減輕受電弓整體質量提高電流收集能力，最后受電弓需要具有較低的空氣動力阻力和噪聲排放并與跨境操作兼容，這也為改進受電弓提供了一些發展方向。

2弓網有限元模型

當使用相同的方法來模擬接觸網和受電弓模型時，兩者的動態分析類型必須相同，如果接觸網采用線性有限元建模，則受電弓動力學也必須是線性的。這與使用更為廣泛的多體受電弓模型不兼容[3]。此處使用有限元和多體方法之間的聯合仿真。用于受電弓-接觸網相互作用研究的受電弓模型大致可分為兩種類型：集中質量模型或多體模型。這兩種模型可以在普通線性有限元程序中進行仿真，也可用于懸鏈線分析，相比較而言集中質量模型更為常見[4]。但是集中質量受電弓模型是需要在實驗室試驗中確定相應的數學參數，對于高速列車應用的典型三級集中質量受電弓模型，只有頂部質量、剛度和阻尼系數可以保持與受電弓頭部質量以及懸掛特性相似。

建立包括支撐線、接觸線和吊弦的接觸網模型，并進行有限元分析。當受電弓脫離接觸線時，受電弓與接觸網之間的接觸力主要產生接觸網的面內張力和彎曲變形。因此，支撐線和接觸線都被視為二維梁單元。波束元素由兩個節點定義，每個節點具有三個自由度：節點X軸和Y軸方向的平移以及圍繞節點Z軸方向的旋轉。由兩個節點定義的彈簧元素在每個節點上具有兩個自由度：在節點X軸和Y軸方向上的平移。對由五個盤組成的接觸網的有限元模型進行了分析。用于離散懸鏈線的元素數量為2744。懸鏈線的阻尼系數為0.01N/m2。受電弓簡化為彈簧質量系統。它由三個集中質量組成，分別代表受電弓的盤頭（m1）、上部框架（m2）和下部框架（m3）。m1和m2之間、m2和m3之間以及m3和地面之間有彈簧減振器元件。

3受電弓設計參數優化

基于受電弓和接觸網系統的動力學分析，評估了設計參數對動態性能的影響，如受電弓的剛度和阻尼、接觸線張力和靜態提升力，以改善受流質量。

3.1盤頭剛度與阻尼參數優化

在列車速度為250km/h時，盤頭的剛度對電流收集質量有相當大的影響，如果盤頭的剛度過大，接觸線的振動可能會導致接觸力的極端波動。因此，盤頭剛度的降低有利于電流收集質量。盤頭阻尼的增加有利于抑制受電弓的振動。但是，如果阻尼過大，將對受電弓的后續運動產生不利影響。因此，選擇合適的阻尼值非常重要。對受電弓和接觸網之間的接觸力，以及盤頭的不同阻尼進行仿真分析。結果表明隨著阻尼的增加，接觸力的波動略有減小，最小值顯著增大。然而，當阻尼值達到50Ns/m時，阻尼在改善標準偏差和接觸力最小值方面的作用較小。

由于增加的阻尼有利于抑制受電弓的振動，將盤頭的阻尼分別從0增加到10、30和70Ns/m，分析在不同速度下盤頭阻尼不同時的接觸損耗。結果表明，阻尼為10Ns/m時，接觸力改善不明顯，速度大于250km/h時仍存在接觸損耗。當阻尼增加到30Ns/m時，無接觸損耗的運行速度提高到300km/h。當速度大于300km/h時，雖然阻尼增加到70Ns/m，但仍檢測到接觸損耗。由此可以得出結論，無論盤頭剛度增加或減少，當速度大于300km/h時，都會發生接觸損失。因此通過優化盤頭的剛度和阻尼，無接觸損耗的最大運行速度可以從250km/h提高到300km/h，但是僅通過盤頭參數的優化，就很難進一步提高300km/h以上的最大運行速度。

3.2上部框架的剛度與阻尼優化

由于接觸網的高度不同，受電弓要求在不同的工作高度下運行。由此還導致上框架的不同等效參數。因此，研究上框架的不同剛度和阻尼對接觸力的影響非常重要。分析在速度為250km/h時上框架不同剛度對接觸力的影響。可以發現當上部框架的剛度變大時，接觸力的最小值、最大值和標準偏差都會增加。雖然最小值的增加有利于電流收集質量，但同時引起的最大值增量。因此在選擇工作高度時，必須注意剛度的影響。同時研究了速度為250km/h時上部機架的不同阻尼對接觸力的影響。結果表明，隨著阻尼的增大，接觸力的最小值增大，標準偏差減小，最大值變化不大。但是當阻尼達到70Ns/m時，接觸力的改善并不明顯。因此，對于受電弓上部框架，50–70Ns/m是最佳阻尼值。

3.3靜升力參數優化

靜升力作用在受電弓上，以保持適當的工作高度。較小的靜升力會引起接觸損失、電弧和火花。但是較大的靜升力可能導致提升位移增加，從而導致受電弓和接觸網的極端磨損。分析250km/h速度下靜升力對接觸力的影響。可以發現靜升力的增加會導致接觸力的最小值、最大值和標準偏差的增加。此外適當增加靜態提升力可以提高接觸力的最小值。但是隨著接觸力最小值的增大，最大值和標準差也迅速增大。

3.4接觸線的張力優化

研究在250km/h的速度下，不同張力對接觸力的影響。可以觀察到接觸線的張力對受電弓和接觸網之間的接觸力有很大的影響。隨著接觸線張力的增加，接觸力的最小值、最大值和標準偏差都顯示出顯著的改善。為了提高列車運行速度，將接觸線的張力15kN分別增加17和20kN。分析在不同速度下，15、17和20kN張力下的接觸損耗。可以發現當初始張力為15kN時，接觸損失發生在270km/h的速度下。當張力分別增加到17和20kN時，速度低于330和350km/h時，未檢測到接觸損耗。因此，為了在300和330km/h的速度下安全運行，接觸線的張力應相應增加到17和20kN。

4結論

利用接觸單元模擬弓網相互作用建立弓網接觸仿真模型。通過優化受電弓相應參數改善弓網接觸力和電流收集能力，結果表明，受電弓可在250km/h的速度下運行，速度大于250km/h時可檢測到接觸損耗。對受電弓和接觸網系統的設計參數進行優化，包括盤頭和車架的剛度和阻尼、靜態提升力和接觸線張力，對受電弓和接觸網系統的動態性能有一定改善。

參考文獻

[1]劉仕兵，張怡欣，李思明.基于SAPSO的高速鐵路受電弓型面優化[J].計算機仿真，2021，38（07）：139-143.

[2]孫云嵩，郭瑾玉，歷洋.基于弓網接觸力優化的主動控制式受電弓研究及設計[J].機電信息，2021（09）：43-44.

[3]張靜，程肥肥，宋寶林.高速受電弓結構參數集成設計研究[J].機械設計，2021，38（01）：14-21.

[4]梁坤，蔣聰健，袁超.高速列車受電弓彈簧軸銷組裝裝置優化改進[J].鐵道車輛，2020，58（11）：23-25+6.

作者簡介

李金哲，男，漢，山東菏澤，1993.05.25，大學本科，中車青島四方機車車輛股份有限公司，職稱：助理工程師。主要研究方向或者從事工作：動車組調試試驗和制造過程質量控制。郵編：266111