高速鐵路弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流仿真研究碩士研究生論文

1、碩士學(xué)位論文高速鐵路弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流仿真研究Current-Collection Simulation Analysis On Pantograph-Catenary Dynamic System of High-speed Railway學(xué)位論文使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解交通大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán)交通大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，提供閱覽服務(wù),并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。（的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明）學(xué)位論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名：簽字日期： 年 月 日 簽字日

2、期： 年 月 日61 / 69中文摘要摘要：受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能直接影響受電弓的受流質(zhì)量和機(jī)車的運(yùn)行可靠性。隨著列車速度的提高，接觸網(wǎng)與受電弓之間的動(dòng)態(tài)接觸變得越來越復(fù)雜，高速狀態(tài)下穩(wěn)定受流出現(xiàn)了很多問題。通常對(duì)受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)的研究主要集中在動(dòng)態(tài)性能，如對(duì)弓網(wǎng)接觸力的分析，對(duì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)接觸線磨損的研究等等。本文基于非線性有限元理論，建立了高速鐵路弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的有限元耦合模型，模型中接觸網(wǎng)各部件均采用歐拉-伯努利直梁來模擬，受電弓弓頭和上框架、上下框架之間采用鉸鏈和非線性彈簧相互連接模擬，借助MARC軟件的后處理功能對(duì)影響高速鐵路弓網(wǎng)受流性能的主要弓網(wǎng)參數(shù)（接觸線截面、力

3、、結(jié)構(gòu)高度、弓頭彈簧等）進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析，分析過程均是設(shè)定其他參數(shù)變量不變的情況下目標(biāo)參數(shù)的變化對(duì)弓網(wǎng)受流性能造成的影響，通過仿真結(jié)果的分析得到一些有用結(jié)論。以京津城際高速列車弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)為實(shí)例，建立與實(shí)際參數(shù)統(tǒng)一的有限元模型，借助仿真軟件從接觸線動(dòng)態(tài)接觸力、動(dòng)態(tài)抬升量、弓網(wǎng)離線率等方面對(duì)該弓網(wǎng)性能情況進(jìn)行仿真，得到一系列動(dòng)態(tài)接觸力、抬升量隨時(shí)間變化的歷程圖，結(jié)合西門子公司提供的仿真結(jié)果與京津城際現(xiàn)場的測試結(jié)果表明，本文建立的有限元模型和計(jì)算方法是正確和有效的，同時(shí)也表明京津城際具有良好的動(dòng)態(tài)受流質(zhì)量。關(guān)鍵詞：高速鐵路；弓網(wǎng)系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)受流；京津城際；MARC；有限元仿真ABSTRACTABS

4、TRACT: The dynamic characteristic of the pantograph-catenary system affects directly the qualities of the current collection and the reliability of the locomotive movement. With the locomotive running speed increased, the dynamical contacting turns more and more complex and lead to a lot of problems

5、 about stable current-collection. The study on pantograph-catenary system is mainly focus on dynamic behavior, such as analysis of the contact force, study of parameters and structure, investigation of wear, etc.Based on thenonlinear finite element theory (FEM), the finite element model of the panto

6、graph-catenary dynamic system of High-speed train has been established in this thesis, in which model the highly nonlinear flexible catenary is modeled by flexible beam and the pantograph is modeled by hinge and nonlinear springs. The dynamic current-collecting performance of this pantograph-catenar

7、y system of High-speed train has been simulated and analyzed using MARC software, the dynamic contact pressure, lift-up displacement and the off-line ratio are all calculated and analyzed.Analysis is that the performance results of pantograph-catenary caused by changed target parameter with the othe

8、r parameters unchanged and get some useful conclusions through the analysis of simulation resultsTake pantogranph-catenary dynamic system of Beijing-Tianjin inter-city express as an example, establish finite element model which the model parameters are the same with the actual parameters, using simu

9、lation software to simulate the pantogranph-catenary dynamic performance,the simulation includes such three aspects as dynamic contact force of the contact line, dynamic uplift and the off-line ratio of pantogranph-catenary . Then get series of process map for dynamic contact force, uplift which var

10、y with the time. Comparing with the simulation results provided by Siemens and the field measure results show that, the finite element model and simulation approach proposed in this thesis are correct and credible, the results also show that the dynamic current-collecting performance is perfect.KEYW

11、ORDS: High-speed railway;Pantograph-Catenary System;Dynamic Current- Collection;Beijing-Tianjin Inter-City Express;MARC;Finite Element Simulation目錄中文摘要vABSTRACTvii目錄ix1緒論11.1 研究背景與意義11.2 接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)介紹21.3 受電弓種類介紹41.3.1法國TGV型受電弓41.3.2德國受電弓1551.3.3日本PS系列受電弓1551.3.4國電力機(jī)車受電弓介紹15,2561.4弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流的研究現(xiàn)狀71.5 MARC軟件介紹

12、81.5.1 MARC簡介81.5.2 MARC在接觸分析中的應(yīng)用91.6 論文主要容與章節(jié)安排102接觸網(wǎng)的有限元建模112.1接觸網(wǎng)的有限元分析112.1.1有限元理論簡介112.1.2 接觸網(wǎng)的有限元分析說明112.2國外接觸懸掛的幾類典型模型122.3接觸網(wǎng)的MARC有限元建模142.3.1高速接觸網(wǎng)建模時(shí)的仿真假設(shè)142.3.2 簡單鏈形接觸懸掛的有限元建模說明143受電弓的有限元建模163.1受電弓模型163.1.1 受電弓模型主要建模方法163.1.2 各類受電弓模型的優(yōu)劣性比較183.2受電弓的MARC有限元建模說明193.3 小結(jié)214接觸網(wǎng)-受電弓耦合動(dòng)力學(xué)分析224.1弓

13、網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)224.2弓網(wǎng)接觸分析在MARC中的實(shí)現(xiàn)過程234.2.1關(guān)于接觸問題的描述方法234.2.2 接觸分析流程234.3 應(yīng)用MARC進(jìn)行弓網(wǎng)有限元仿真結(jié)果的分析244.3.1 接觸導(dǎo)線截面尺寸對(duì)受流性能的影響分析244.3.2接觸線和承力索的力對(duì)受流性能影響分析304.3.3 接觸懸掛的結(jié)構(gòu)高度對(duì)受流性能的影響分析324.3.4 受電弓的弓頭彈簧對(duì)弓網(wǎng)受流的影響344.4 小結(jié)425京津城際弓網(wǎng)系統(tǒng)MARC有限元分析445.1 京津城際弓網(wǎng)有限元模型部參數(shù)統(tǒng)計(jì)445.1.1 合成的京津城際弓網(wǎng)系統(tǒng)模型445.1.2 關(guān)于節(jié)點(diǎn)元素等的統(tǒng)計(jì)445.1.3 物理與幾何特性445

14、.1.4 模型分析的工況說明465.2 京津城際高速弓網(wǎng)的MARC有限元?jiǎng)討B(tài)模型仿真結(jié)果分析475.2.1 不同速度下動(dòng)態(tài)接觸力仿真結(jié)果分析475.2.2不同速度下動(dòng)態(tài)抬升量仿真結(jié)果分析495.2.3 數(shù)據(jù)結(jié)果分析5053 小結(jié)526全文總結(jié)53參考文獻(xiàn)54索引56作者簡歷57獨(dú)創(chuàng)性聲明58學(xué)位論文數(shù)據(jù)集591 緒論1.1 研究背景與意義電力機(jī)車是十分重要的交通工具并以其運(yùn)量大、速度快、能耗低、污染小、運(yùn)價(jià)廉和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，成為高速機(jī)車中的主力軍。目前我國高速鐵路的發(fā)展十分迅速，2007年，中國首條高速鐵路-京津城際軌道交通客運(yùn)專線完成鋪軌，它不僅是中國現(xiàn)代化鐵路建設(shè)的一個(gè)開端，也是中國真正

15、掌握世界最先進(jìn)的高速鐵路建設(shè)技術(shù)的里程碑。2008年，中國高速鐵路建設(shè)步伐加快，不僅引人注目的京滬高速鐵路開始興建，廣高速鐵路、京石高速鐵路客運(yùn)專線、至高速鐵路等等一大批高速鐵路建設(shè)工程都開始動(dòng)工。未來為滿足快速增長的旅客運(yùn)輸需求，將建立省會(huì)城市與大中城市間的快速客運(yùn)通道，規(guī)劃“四縱四橫”鐵路快速客運(yùn)通道以與三個(gè)城際快速客運(yùn)系統(tǒng)。建設(shè)客運(yùn)專線1.2萬公里以上，客車速度目標(biāo)值達(dá)到每小時(shí)200公里與以上，可見我國真正意義上的高速鐵路時(shí)代已經(jīng)到來，其蓬勃發(fā)展必然需要更多的專業(yè)人員加入到高速鐵路技術(shù)研究當(dāng)中。電力機(jī)車是通過受電弓從接觸網(wǎng)獲取電能，并驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)運(yùn)行的。受電弓弓頭的滑板與接觸線接觸，相對(duì)

16、滑動(dòng)，從接觸網(wǎng)上取下電流，輸送給電力機(jī)車，這一過程稱之為受流。受電弓與接觸網(wǎng)可靠地接觸是保證高速受流的重要條件，在此過程中受電弓與接觸網(wǎng)在電器和機(jī)械兩方面相互制約、相互依賴。通常受流質(zhì)量受很多因素的影響1-7，如接觸網(wǎng)的彈性系數(shù)、接觸線的坡度、接觸懸掛類型、接觸線材質(zhì)、接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)高度、受電弓靜提升力、滑板材質(zhì)、弓頭剛度值以與列車運(yùn)行速度、加速度、車輛類型和線路條件等。隨著電力機(jī)車運(yùn)行速度的提高，弓網(wǎng)間的動(dòng)態(tài)性能越來越差8-14，尤其是弓網(wǎng)之間的接觸壓力變化幅度增大，當(dāng)接觸力過小時(shí)，接觸電阻增大，將不能保證可靠受流，當(dāng)接觸力等于零時(shí)，就出現(xiàn)離線現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)離線，會(huì)使弓網(wǎng)接觸中斷，從而產(chǎn)生不良

17、的后果，如:(1)離線的瞬間會(huì)產(chǎn)生電弧放電，燒蝕接觸線和滑板接觸面，使受流更加惡化，同時(shí)增加兩者間的電器腐蝕，縮短了工作壽命。(2)對(duì)附近的通訊線路產(chǎn)生干擾。(3)大離線和連續(xù)離線會(huì)使電力機(jī)車的正常供電受到破壞，并可能導(dǎo)致車電子元件破壞。因此研究解決受電弓在接觸網(wǎng)下的高速受流問題，研究受電弓的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性和動(dòng)力學(xué)特性十分重要，只有這樣才能使電力機(jī)車從接觸網(wǎng)上可靠地獲取電力能源。但是我國在受電弓和接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能的研究方面起步較晚，在200以上的高速線路上所應(yīng)用的大部分還是進(jìn)口產(chǎn)品。因而，針對(duì)高速鐵路弓網(wǎng)關(guān)系的特點(diǎn)，在理論上建立較合理的受電弓接觸網(wǎng)系統(tǒng)模型，研究高速弓網(wǎng)的動(dòng)態(tài)受流問題成為發(fā)展我國高速

18、鐵路的當(dāng)務(wù)之急。1.2 接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)介紹接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設(shè)的向電力機(jī)車供電的特殊形式的輸電線路，主要由接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱與基礎(chǔ)四部分組成。其中接觸懸掛由接觸線、吊弦、承力索以與連接部件等構(gòu)成，它通過支持裝置架設(shè)在支柱上，其功用是將從牽引變電所獲得的電能輸送給電力機(jī)車；支持裝置包括斜腕臂、水平拉桿、懸式絕緣子串，棒式絕緣子與其它建筑物的特殊支持設(shè)備，用以支持接觸懸掛，并將其負(fù)荷傳給支柱或其它建筑物，這根據(jù)接觸網(wǎng)所在區(qū)間、站場和大型建筑物而有所不同；定位裝置包括定位管和定位器，其功用是固定接觸線的位置，使接觸線在受電弓滑板運(yùn)行軌跡圍，保證接觸線與受電弓不脫離，并將接觸線的水平負(fù)

19、荷傳給支柱；支柱與基礎(chǔ)用以承受接觸懸掛、支持和定位裝置的全部負(fù)荷，并將接觸懸掛固定在規(guī)定的位置和高度上。我國接觸網(wǎng)中采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土支柱和鋼柱，基礎(chǔ)是對(duì)鋼支柱而言的，即鋼支柱固定在下面的鋼筋混凝土制成的基礎(chǔ)上，由基礎(chǔ)承受支柱傳給的全部負(fù)荷，并保證支柱的穩(wěn)定性；預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土支柱與基礎(chǔ)制成一個(gè)整體，下端直接埋入地下。接觸網(wǎng)按接觸懸掛的類型來區(qū)分，一般有簡單接觸懸掛和鏈形接觸懸掛兩大類。下面將對(duì)這兩種懸掛形式的接觸網(wǎng)加以介紹：（1）簡單接觸懸掛：簡單接觸懸掛（以下簡稱簡單懸掛）系由一根接觸線直接固定在支柱支持裝置上的懸掛形式。該懸掛方式較為簡單，支持裝置和支柱所承受的荷載較輕，支柱高度要求較

20、低，因而建造費(fèi)用比較經(jīng)濟(jì)，且施工方便與維修簡單。但缺點(diǎn)是弛度大，彈性不勻，不利于電力機(jī)車高速運(yùn)行時(shí)受流的要求。過去簡單懸掛只用于在機(jī)車運(yùn)行速度較低，取流較小的線路，如機(jī)車出入庫線、廠礦企業(yè)的直流電氣化鐵路和其它臨時(shí)鐵路中。但是在干線上有隧道高度限制時(shí)也可采用簡單懸掛。由于隧道設(shè)置懸掛點(diǎn)比較方便，可適當(dāng)縮短跨距，從而使上述問題得到改善。高速鐵路通常不采用這種懸掛方式。我國現(xiàn)采用的帶補(bǔ)償裝置的彈性簡單懸掛系統(tǒng)時(shí)在接觸線下錨處裝設(shè)了力補(bǔ)償裝置，以調(diào)節(jié)力和弛度的變化；在懸掛點(diǎn)上加裝816長的彈性吊索，通過彈性吊索懸掛接觸線，這就減少了懸掛點(diǎn)處產(chǎn)生的硬點(diǎn)，改善了取流條件；另外也通過適當(dāng)縮小跨距，增大接觸

21、線的力去改善弛度對(duì)取流的影響。 （2）鏈形懸掛：鏈形懸掛的接觸線是通過吊弦懸掛在承力索上。承力索懸掛于支柱的支持裝置上，使接觸線在不增加支柱的情況下增加了懸掛點(diǎn)，利用調(diào)整吊弦長度，使接觸線在整個(gè)跨距對(duì)軌面的距離保持一致。鏈形懸掛減小了接觸線在跨距中間的弛度，改善了彈性，增加了懸掛重量，提高了穩(wěn)定性，可以滿足電力機(jī)車高速運(yùn)行受流的要求。鏈型懸掛有多種形式，有單鏈形、雙鏈形和多鏈形等。其中簡單鏈型懸掛如圖1.1（a）所示由一條接觸線和一條承力索以與它們之間若干根吊弦組成。這種鏈型懸掛的彈性，決定于跨距、接觸線和承力索的力。采用一條接觸線和傳統(tǒng)拉應(yīng)力的鏈型懸掛，其跨中彈性圍為0.15至1.5，當(dāng)然其

22、跨中和懸掛點(diǎn)處的彈性差別很大，懸掛點(diǎn)處的彈性只能達(dá)到跨中彈性的30%至50%左右。彈性鏈型懸掛，如圖1.1 (b)所示，仍為單鏈型懸掛的一種，跨距以與承力索和接觸線的力也決定其彈性，跨中彈性值為0. 5至1.2，應(yīng)對(duì)輔助承力索的長度和力進(jìn)行優(yōu)選，致使懸掛點(diǎn)處的彈性達(dá)到跨中彈性的80%，這是高速行駛性能所要求的。圖1.1 (c) (d)所示為復(fù)式鏈型懸掛結(jié)構(gòu)形式，這種懸掛形式是在承力索和接觸線之間另加一條輔助承力索，它使彈性大大降低。在65跨距時(shí)，跨中彈性可在0.25至0. 4之間，日本在新干線上就經(jīng)常采用這類懸掛形式。(a)簡單鏈型懸掛 (b)彈性鏈型懸掛 (c)簡單雙鏈型懸掛 (d)彈性雙鏈

23、型懸掛 1-接觸線；2-承力索；3-簡單支柱吊弦；4-彈性吊弦；5-輔助承力索；圖1.1接觸懸掛示意圖Fig 1.1 Schematic diagram of overhead suspension1.3 受電弓種類介紹受電弓是一個(gè)彈性結(jié)構(gòu)裝置，它由升弓彈簧保持弓頭滑板與接觸導(dǎo)線的接觸。弓網(wǎng)系統(tǒng)中要保持良好的受流特性，除了接觸網(wǎng)的參數(shù)外，還必須有性能良好的受電弓來配合。各國在發(fā)展高速電氣化鐵路的過程中，相繼開展了對(duì)高速受電弓的研究。近20年來研制了不少類型的高性能受電弓，取得了很大的效益。以下將簡要介紹一下各國不同類型結(jié)構(gòu)的受電弓：1.3.1法國TGV型受電弓基于受電弓特性與受流的關(guān)系，法國T

24、GV15采用了輕型兩級(jí)式（雙層）的A型（單臂）受電弓，受電弓的整體質(zhì)量約300,上部的動(dòng)質(zhì)量約13（在260時(shí)），靜抬升力為70，動(dòng)抬升力為180（在260時(shí)）。交流區(qū)段用一臺(tái)受電弓，最大電流0.6 ,直流區(qū)段用雙弓，最大電流1。目前在巴黎里昂線使用的是鋼滑板受電弓；大西洋線采用單級(jí)受電弓，這是由于兩級(jí)式受電弓的揚(yáng)力特性不好，當(dāng)抬升力過大時(shí)，線路的磨損就增加了。下圖1.2為TGV型某受電弓：圖1.2 TGV受電弓Fig 1.2 Pantograph TGV1.3.2德國受電弓15德國ICE高速列車用DSA-350型受電弓，整體質(zhì)量140，接觸壓力為50130，驅(qū)動(dòng)方式是氣動(dòng)升弓，有阻尼的降弓。

25、滑板采用鐵制的弓頭焊碳滑板，形成一個(gè)整體，更換時(shí)一體更換，壽命很長，更換周期通常15，在條件惡劣情況下也可達(dá)65 ，不涂石蠟或黃油。最大允許電流0.8，瞬時(shí)為1.3，最高運(yùn)行速度280；DSA-350 S受電弓是在DSA-350受電弓的改進(jìn)型。DSA-350S型受電弓與ICE1型列車運(yùn)行，運(yùn)行速度250；DSA-350 SEK型又是DSA-350S的改進(jìn)型，僅106，裝有自動(dòng)降弓裝置，受電弓的滑板運(yùn)行效率較高，在ICE牽引中每塊滑板可以運(yùn)行1214萬公里。DSA-380D和DSA-380E與新一代高速列車ICE 3一起使用，運(yùn)行速度達(dá)330。SBS65型單臂受電弓在試驗(yàn)線上與Re250接觸網(wǎng)配

26、合使用，運(yùn)行速度為250，測得最大接觸壓力為165.225，平均值為82.89，在同樣區(qū)段和試驗(yàn)條件下速度為160時(shí),測得最大接觸壓力值125，平均值為46.50。對(duì)離線來說，SBS65型受電弓在200運(yùn)行速度下，離線為每公里2次，離線時(shí)間為9。該型號(hào)的受電弓體積小，重量輕，維護(hù)費(fèi)用低，并具有較好的空氣動(dòng)力學(xué)性能。1.3.3日本PS系列受電弓15日本對(duì)受電弓的研究主要是針對(duì)衡量受電弓好壞的主要指標(biāo)之一離線率進(jìn)行，受電弓的改進(jìn)始終都是為了降低離線率。使離線率減小的主要措施是減小受電弓頂部的歸算質(zhì)量。日本國鐵采用PS系列和AM18型受電弓。其中PS13和PS16受電弓為彈簧升弓，弓頭數(shù)量為2，歸算

27、質(zhì)量分別為320和174；PS17和PS100受電弓為空氣升弓，弓頭數(shù)量分別為2和1，歸算質(zhì)量分別為200和140；PS200型受電弓在日本新干線應(yīng)用，為彈簧升弓，歸算質(zhì)量分別為108；AM18型受電弓為Z型框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于法國國鐵。綜合國外幾種受電弓的參數(shù)性能比較見下表1-1。表1-1 國外受電弓性能比較Tab. 1-1 Performance comparison of foreign pantograph1.3.4國電力機(jī)車受電弓介紹15,25我國自行研制的受電弓主要有TSG 400/250和630/25型。TSG 400/250型號(hào)受電弓額定電壓25，最高運(yùn)行速度100,額定電流400

28、，額定工作氣壓500，最小工作氣壓450，最大升弓高度大于2.6，工作高度0.52.5，在工作高度圍，滑板對(duì)接觸導(dǎo)線的靜壓力70士10，上升和下降到同一高度的壓力差小于10，升弓時(shí)間小于8，降弓時(shí)間小于7,重量248 ，主要應(yīng)用在SS7型電力機(jī)車。而 630/25型是以法國Faiveley公司的AMS lUF型受電弓為基礎(chǔ)的國產(chǎn)化產(chǎn)品，為滿足160的運(yùn)行速度要求，該受電弓底座上安裝有2組升弓彈簧和1付受電弓阻尼器，升弓彈簧和阻尼器的另一端均安裝在鉸鏈機(jī)構(gòu)的下臂桿上。緩沖閥通過控制進(jìn)、出傳動(dòng)風(fēng)缸的壓縮空氣流量來控制受電弓升、降弓動(dòng)作的快慢。下圖1.3為我國自行研制的一正在試驗(yàn)中的受電弓：圖1.3

29、 試驗(yàn)中的受電弓Fig 1.3 The pantograph in testing1.4弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流的研究現(xiàn)狀弓網(wǎng)受流過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，包括了多種機(jī)械運(yùn)動(dòng)型式和電氣狀態(tài)變化，接觸網(wǎng)受電弓系統(tǒng)的理想運(yùn)行是弓網(wǎng)可靠接觸、無離線、無火花，機(jī)車不間斷從接觸網(wǎng)上獲得電能的重要保證。通常改善弓網(wǎng)受流的性能主要從兩方面展開，一是提高受電弓自身動(dòng)態(tài)特性，二是改善接觸網(wǎng)特性。事實(shí)上，受電弓和接觸網(wǎng)相互耦合，相互作用，只有很好的處理二者關(guān)系，研究其相互作用機(jī)理，才有可能從根本上提高機(jī)車受流質(zhì)量。自從上個(gè)世紀(jì)50年代以來，國外專家就開始了弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流的研究工作并取得了一定成果。文獻(xiàn)16,17從弓網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性、

30、接觸線波動(dòng)速度、離線率等方面研究了受流理論。于正平18等分析了高速電氣化鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定受流的發(fā)展，并對(duì)高速列車的空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)19從提高接觸網(wǎng)彈性均勻分布方面入手，提出改善弓網(wǎng)系統(tǒng)受流的一些措施。文獻(xiàn)20-23研究了高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)的懸掛型式與相關(guān)參數(shù)，對(duì)影響動(dòng)態(tài)受流特性進(jìn)行了理論探討與分析。研究表明，接觸線的波動(dòng)速度對(duì)實(shí)際列車的運(yùn)行速度有制約關(guān)系；從接觸懸掛的結(jié)構(gòu)與工藝精度上，解釋了接觸線反射因數(shù)與增強(qiáng)因數(shù)的機(jī)理。文獻(xiàn)24研究了列車流線外形與氣動(dòng)性能的關(guān)系、隧道-列車耦合空氣動(dòng)力特性，介紹了研制流線形列車車體的成套技術(shù)與全面推廣應(yīng)用情況。文獻(xiàn)27利用仿真工具建立了高速受電弓框

31、架結(jié)構(gòu)的幾個(gè)關(guān)系模型，從列車平穩(wěn)受流對(duì)受電弓的要求與弓頭平衡桿平動(dòng)入手，對(duì)使受電弓性能達(dá)到最優(yōu)的幾何參數(shù)進(jìn)行了分析研究并明確優(yōu)化方法在受電弓設(shè)計(jì)中的作用。1.5 MARC軟件介紹1.5.1 MARC簡介MARC是美國MSC.Software公司的非線性有限元分析求解器，它的圖形界面為MENTAT,共有5部分組成：動(dòng)態(tài)菜單、靜態(tài)菜單、對(duì)話框、狀態(tài)顯示和繪圖區(qū)，如圖1.4：圖1.4 MARC軟件顯示界面Fig 1.4 Display window of software MARC各部分主要功能如下：動(dòng)態(tài)菜單：也稱主菜單，共有四部分組成：生成有限元網(wǎng)格，交互式輸入邊界條件、材料參數(shù)、幾何參數(shù)、初始條

32、件、接觸條件、定義載荷工況等，進(jìn)行有限元數(shù)值分析和計(jì)算，顯示計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行后處理。靜態(tài)菜單：主要是一些常用的快捷選項(xiàng)，用的最多的是DYN.MODEL、FILES、UNDO、VIEW、PLOT、SHORTCUTS等。對(duì)話框： 對(duì)話框支持鍵盤輸入，約5行可見的滾動(dòng)區(qū)，在這個(gè)區(qū)里，將顯示所有的程序提示、警告和應(yīng)答，用戶可以輸入數(shù)據(jù)和命令。這個(gè)部分的顯示信息十分有用，不論哪個(gè)部分出現(xiàn)了MENTAT可識(shí)別的命令，這里都會(huì)有顯示，甚至可以直接復(fù)制進(jìn)行修改。狀態(tài)區(qū)： 這里留作向用戶傳遞程序的狀態(tài)，在狀態(tài)區(qū)里會(huì)出現(xiàn)Working、Ready和Drawing三個(gè)狀態(tài)。 繪圖區(qū)： 模型操作與顯示區(qū)。MARC軟件是

33、處理高度組合非線性結(jié)構(gòu)、熱與其他物理場和耦合場問題的高級(jí)有限元軟件，其突出特點(diǎn)是它的非線性分析能力。MARC軟件可以處理來自材料、幾何和邊界條件這三類來源的非線性問題。實(shí)際的非線性問題往往不只簡單的出現(xiàn)一種非線性，而是同時(shí)出現(xiàn)材料、幾何和邊界非線性的組合，對(duì)于這種情況，MARC采用非線性方程組，數(shù)值解法、接觸迭代以與自適應(yīng)時(shí)間載荷步長選擇，來確保快速求解非線性問題。1.5.2 MARC在接觸分析中的應(yīng)用接觸是一種普遍存在的自然現(xiàn)象，屬于非線性約束問題。工程實(shí)踐中，大多數(shù)物體之間的 相互作用通過接觸實(shí)現(xiàn)，在金屬與塑料的加工、密封圈的密封、軸承分析、鐵軌分析中分析接觸問題更是關(guān)鍵所在。如果MARC

34、能夠很好地、高精度地求解接觸問題，就會(huì)使這些問題的分析變得非常方便、靈活。用戶不需要具備非常專業(yè)的理論知識(shí),自己建立和推導(dǎo)問題的數(shù)學(xué)模型，編制和調(diào)試相應(yīng)的有限元程序，只需在MARC軟件中建模、劃分網(wǎng)格、加載邊界條件等就可方便的得到所需結(jié)果。數(shù)學(xué)上描述接觸問題的方法有拉格朗日乘子法、罰函數(shù)法、直接約束法。與這三種方法相對(duì)應(yīng)，MARC軟件提供了處理接觸問題的三種算法：基于拉格朗日乘子法或罰函數(shù)法的接觸界面單元、基于罰函數(shù)方法通過用戶子程序施加非線性彈簧、基于直接約束的接觸算法。 直接約束法追蹤物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，一旦探測出發(fā)生接觸，便將接觸所需的運(yùn)動(dòng)約束(法向無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切向可滑動(dòng))和節(jié)點(diǎn)力(法向壓力

35、和切向摩擦力)作為邊界條件直接施加在產(chǎn)生接觸的節(jié)點(diǎn)上。這種方法對(duì)接觸的描述精度高，具有普遍適應(yīng)性，不需要增加特殊的界面單元，也不涉與復(fù)雜的接觸條件變化，但由于接觸關(guān)系的變化會(huì)增加系統(tǒng)矩陣帶寬?；谥苯蛹s束的接觸算法是解決所有接觸問題的通用算法，特別是對(duì)大面積接觸，以與事先無法預(yù)知接觸發(fā)生區(qū)域的接觸問題，程序能根據(jù)物體的運(yùn)動(dòng)約束和相互作用自動(dòng)探測接觸區(qū)域，施加接觸約束。其獨(dú)特之一是接觸體的定義十分簡潔，完全拋開了目前其它軟件采用的定義接觸單元或接觸點(diǎn)對(duì)的繁雜過程，這是MARC在處理接觸問題時(shí)最常用的方法。MARC在接觸分析中提供了四類接觸體：可變形接觸體、剛性接觸體、允許傳熱的剛性接觸體、對(duì)稱面

36、。MARC可以分析各種接觸體之間的接觸，而且不限接觸體個(gè)數(shù)，對(duì)多接觸體之間的可能接觸關(guān)系用接觸表定義。對(duì)接觸分析中的摩擦問題，MARC提供了兩種模型：庫侖摩擦、剪切摩擦。接觸問題的算法流程包括：(1)定義接觸體；(2)探測接觸；(3)施加接觸約束；(4)模擬摩擦；(5)修改接觸約束；(6)檢查約束的變化； (7)判斷分離和穿透；(8)熱-機(jī)耦合分析。接觸分析結(jié)果可以顯示接觸壓力、接觸摩擦力以與接觸面積，對(duì)剛性接觸體，還能提供剛性接觸體上的接觸合力、合力矩與其變化歷程曲線。1.6 論文主要容與章節(jié)安排本文通過仿真分析了一些主要弓網(wǎng)參數(shù)對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流的影響，并以實(shí)際京津城際高速弓網(wǎng)為實(shí)例建立相應(yīng)有

37、限元耦合模型并仿真分析得出相應(yīng)結(jié)論。第1章主要介紹本文的研究背景與意義、接觸網(wǎng)與受電弓種類、弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流的研究現(xiàn)狀和軟件MARC。第2章介紹了接觸網(wǎng)模型分析的發(fā)展歷程、幾種典型的接觸網(wǎng)分析模型以與具體的軟件 MARC建立接觸網(wǎng)的有限元模型工程，。第3章介紹了受電弓幾種典型的分析模型與優(yōu)劣性比較并在最后說明用軟件 MARC建立受電弓的有限元模型的過程。第4章主要容是從軟件MARC的仿真入手分析了接觸導(dǎo)線截面尺寸、接觸線和承力索的力、接觸懸掛的結(jié)構(gòu)高度和受電弓弓頭彈簧剛度等參數(shù)對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，并得到一些結(jié)論。第5章綜合本文和西門子公司的仿真結(jié)果對(duì)實(shí)際運(yùn)營的京津城際高速弓網(wǎng)的動(dòng)態(tài)受流狀況進(jìn)

38、行一個(gè)比較全面的評(píng)估。第6章對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，概括本文的不同弓網(wǎng)參數(shù)對(duì)受流的影響與所得到的結(jié)論和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并對(duì)今后弓網(wǎng)受流的研究提出展望。2 接觸網(wǎng)的有限元建模2.1接觸網(wǎng)的有限元分析2.1.1有限元理論簡介有限元法是一種求解連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問題的數(shù)值方法，對(duì)于解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)靜力、動(dòng)力問題也是一種非常有效的分析方法，其求解精度可滿足工程上的需要。有限元的實(shí)施可分為三步：(1)將整體結(jié)構(gòu)或其中一部分簡化成為理想的數(shù)學(xué)模型。用離散化的網(wǎng)格代替連續(xù)實(shí)體結(jié)構(gòu)；(2)分析計(jì)算結(jié)構(gòu)的受力、變形與特性；(3)將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理歸納。一般說來第一步和第三步的工作量最大。一個(gè)有限元程序的好壞，在很大程度上取決于前后處理

39、功能是否強(qiáng)大。 對(duì)于前處理而言，要根據(jù)計(jì)算目的和所關(guān)心的區(qū)域。將結(jié)構(gòu)模型化、離散化。這樣就必須給出以下信息：(1)節(jié)點(diǎn)空間位置（坐標(biāo)值)；(2)單元與節(jié)點(diǎn)的連接信息；(3)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)特性和材料參數(shù)；(4)邊界條件或約束。對(duì)每分析一個(gè)問題都要準(zhǔn)備上述數(shù)據(jù)，而對(duì)于較大的結(jié)構(gòu)則要準(zhǔn)備成千上萬的數(shù)據(jù)。用人工完成這項(xiàng)工作是非常繁瑣的，而且錯(cuò)誤在所難免。近年來由于高速度、大容量計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，為有限元技術(shù)廣泛應(yīng)用于大型工程結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了良好條件，而有限元理論的不斷完善又開拓了有限元分析方法的應(yīng)用領(lǐng)域。有限元法的基本指導(dǎo)是：以實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其邊界條件和約束處理不僅方便，而且越來越逼近于工程實(shí)際。2.1.2 接

40、觸網(wǎng)的有限元分析說明接觸網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)十分復(fù)雜的空間桿件系統(tǒng)，有限元法能針對(duì)接觸網(wǎng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)邊界條件與約束特性進(jìn)行定量的分析計(jì)算，為設(shè)計(jì)提供豐富的、反映實(shí)際工況的計(jì)算結(jié)果，并可配有豐富的動(dòng)態(tài)圖形顯示功能。因此在對(duì)接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與應(yīng)力分析中，為了充分利用到有限元法的優(yōu)越性，可以利用一些優(yōu)秀的非線性有限元分析軟件對(duì)接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)先進(jìn)行計(jì)算機(jī)三維建模，并在此基礎(chǔ)上對(duì)零部件與接觸網(wǎng)支持結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，直觀、量化清晰地看到接觸網(wǎng)零件與接觸網(wǎng)支持結(jié)構(gòu)在外力分布作用下的應(yīng)力分布，避免以往對(duì)接觸網(wǎng)各部件與接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)在外力作用下的應(yīng)力分布一直做經(jīng)驗(yàn)性分析，而定量分析很少的缺陷。2.2國外接觸懸掛的幾

41、類典型模型接觸網(wǎng)是由接觸線、承力索等組成的以跨距為周期重復(fù)出現(xiàn)的連續(xù)系統(tǒng)，受流過程就是指受電弓以一定的抬升力與接觸線進(jìn)行滑動(dòng)接觸，從接觸線上取得電流并傳送給電力機(jī)車的過程，在此過程中由于受電弓的抬升作用會(huì)使接觸懸掛發(fā)生振動(dòng)。在高速弓網(wǎng)受流的仿真研究方面，世界各國雖然在研究對(duì)象與研究目標(biāo)上都是一致的，但構(gòu)造物理模型的思路和研究方法卻不盡一樣，其中具有代表性的也是應(yīng)用最多的是日本Manabe的集中質(zhì)量模型和美國Vinayagalingam的歐拉粱模型30-32。下面將分別進(jìn)行簡要概述：（1）集中質(zhì)量模型該模型是采用軟索且把接觸線和承力索分成連續(xù)的質(zhì)點(diǎn)，把接觸點(diǎn)的移動(dòng)當(dāng)成是質(zhì)點(diǎn)的移動(dòng)，把接觸線和承力

42、索的連續(xù)質(zhì)量轉(zhuǎn)換為性質(zhì)一樣且具有一定距離的質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，把懸掛點(diǎn)看成是一個(gè)有一定彈性性能的固定點(diǎn)，其接觸懸掛的物理模型如圖2.1：（a）簡單鏈形懸掛（b）彈性鏈形懸掛（c）復(fù)式鏈形懸掛圖2.1 接觸懸掛的集中質(zhì)量模型Fig 2.1 Concentrated mass model of overhead suspension構(gòu)造模型的思路體現(xiàn)了下述一些基本觀點(diǎn)：1）全部分布質(zhì)量設(shè)為集中質(zhì)點(diǎn)，對(duì)于接觸線，將吊弦點(diǎn)和吊弦中間點(diǎn)設(shè)為集中質(zhì)點(diǎn)，對(duì)于承力索，僅考慮設(shè)吊弦中間點(diǎn)為質(zhì)點(diǎn)；2）吊弦將承力索和接觸線連接在一起，吊弦本身沒有質(zhì)量和變形；3）承力索、接觸線在吊弦點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)位置是鉸接狀態(tài)，其余各處看成沒有質(zhì)量

43、的棒條；4)整個(gè)系統(tǒng)的變形發(fā)生僅發(fā)生在上下方向，而其他方向沒有位移。（2）歐拉梁模型該類模型是由承力索、接觸線和分布于任意位置的彈性吊弦與支柱吊弦組成，把接觸懸掛當(dāng)成一根兩端加有力的梁來研究，模型中考慮了每條線的力、質(zhì)量、馳度、阻尼等因素，因此必須涉與到抗彎剛度。雖然這種抗彎狀態(tài)被限制在弓網(wǎng)接觸點(diǎn)附近的小區(qū)域，但仍然使數(shù)值分析變得十分復(fù)雜。盡管如此，采用兩端受有力的梁的模型，與集中質(zhì)量模型中采用的軟索相比具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)列車速度接近波動(dòng)傳播速度時(shí)，軟索模型和梁模型的求解結(jié)果有很大差異。因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)點(diǎn)的接觸壓力影響下，軟索模型在接觸線出現(xiàn)坡度時(shí)表現(xiàn)出不連續(xù)性，這與實(shí)際接觸懸掛的物理特性不符；

44、采用軟索模型在運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，其振動(dòng)波在傳播中遇到吊弦與定位器等集中質(zhì)量的點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射，對(duì)受流產(chǎn)生不利的影響。因而采用梁模型的接觸懸掛在進(jìn)行弓網(wǎng)系統(tǒng)相互作用的高頻分析中，對(duì)于分析諸如運(yùn)動(dòng)載荷、大位移和復(fù)雜邊界條件的大型接觸網(wǎng)來說，分析精度得到顯著提高，結(jié)果更加接近實(shí)際。本文下面所建的接觸網(wǎng)模型也是基于這種理論，詳細(xì)容后面論述。另外還有英國的Scott和Rothman研究的類集中質(zhì)量模型，這種接觸網(wǎng)模型中的每個(gè)吊弦點(diǎn)和懸掛點(diǎn)有一個(gè)集中質(zhì)點(diǎn)，在每對(duì)相鄰吊弦之間（或吊弦與懸點(diǎn)之間）的集中質(zhì)點(diǎn)盡可能均勻分布；德國Link的“與頻率相關(guān)的有限元”模型，該模型基于受電弓與接觸懸掛共同作用的力為研究對(duì)象

45、，用與頻率有關(guān)的有限元發(fā)建立方程和運(yùn)算，同時(shí)接觸懸掛可作為平面等效系統(tǒng)。2.3接觸網(wǎng)的MARC有限元建模2.3.1高速接觸網(wǎng)建模時(shí)的仿真假設(shè)實(shí)際的接觸網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，要從理論上完全真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際懸掛系統(tǒng)的振動(dòng)特性是十分困難的，因此在進(jìn)行理論分析時(shí)，為抓住問題實(shí)質(zhì)，必須對(duì)整個(gè)接觸懸掛系統(tǒng)進(jìn)行簡化，本文應(yīng)用MARC建立了簡單鏈形懸掛型式接觸網(wǎng)的有限元模型，在建立模型分析時(shí)做了以下一些近似假設(shè)：(1)由于橫向振動(dòng)對(duì)弓網(wǎng)的接觸影響很小，本文只討論接觸網(wǎng)的垂向振動(dòng)；(2)承力索、接觸線、吊弦等均簡化為具有抗彎剛度、力以與線密度的歐拉梁。(3)承力索、接觸線、吊弦等質(zhì)量視為均勻分布，分布與

46、接觸懸掛上；(4)接觸網(wǎng)錨段之間相互獨(dú)立，對(duì)于錨段連接部分，它們的端點(diǎn)可簡化為固定鉸鏈連接。(5)不考慮風(fēng)速等瞬時(shí)負(fù)載，同時(shí)暫不考慮空氣動(dòng)力的影響。2.3.2 簡單鏈形接觸懸掛的有限元建模說明本文建立的簡單鏈形懸掛的模型是依據(jù)京津城際的實(shí)際接觸網(wǎng)參數(shù)建立，總共建立了6個(gè)跨距、7個(gè)支柱的有限元模型，每個(gè)跨距的距離均是48米。接觸線距地面高度是5.35米，“之”字值為0.3米。在建立有限元模型過程中為了加快效率，對(duì)一樣的懸掛部分采取了取集合名的方法，以便于對(duì)同類幾何實(shí)體進(jìn)行快速網(wǎng)格劃分與后面的邊界條件、材料特性和幾何特性等的添加。具體的對(duì)模型中接觸網(wǎng)部分的取名過程如下：（1）支柱部分：該部分共有3

47、個(gè)幾何實(shí)體，分別命名為mast_pole1_curves，mast_pole2_curves ，mast_pole3_curves；（2）定位裝置：stabilizer_curves（3）腕臂部分：平腕臂命名為top_bar_curves，斜腕臂分為兩部分，分別命名arm1_curves，arm2_curves（4）接觸線：各跨接觸線都是一樣的，但是為了在建立模型時(shí)應(yīng)用復(fù)制功能提高建模效率，將接觸線分別命名overhead_wire1_curves，overhead_wire2_curves；（5）承力索：為了建模方便也是將其命為兩個(gè)名字catinery1_curves，catinery2_c

48、urves（6）吊弦：dropper_curves為了進(jìn)一步簡化建模過程，忽略接觸懸掛中的接觸線的預(yù)馳度，但是考慮承力索的馳度問題?？紤]到定位裝置要求靈活，在沿線路方向既能發(fā)生移動(dòng)又能在受電弓通過定位點(diǎn)時(shí)能上下動(dòng)作自如，因此定位部分與斜腕臂部分的一律施加為鉸鏈連接（tying type 52），以滿足這種特殊需求。為了將主要精力放在弓網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵接觸問題上，在對(duì)所生成的接觸網(wǎng)幾何實(shí)體的網(wǎng)格劃分時(shí)進(jìn)行了不同程度的粗細(xì)劃分，具體如下：（1）支柱：每根幾何實(shí)體支柱劃分為四個(gè)網(wǎng)格單元體；（2）定位部分：定位裝置是在定位點(diǎn)處對(duì)接觸線實(shí)現(xiàn)相對(duì)于線路中心進(jìn)行橫向定位與固定接觸線高度的裝置，為了建模的方便本模

49、型中僅建立了定位管的幾何實(shí)體，并將每根定位管劃分為2個(gè)單元體；（3）腕臂部分：其中平腕臂一個(gè)幾何實(shí)體劃分為三個(gè)單元體，斜腕臂為2個(gè)單元體；（4）接觸線：本模型中每個(gè)跨之間共有5根吊弦，由于接觸線是直接與受電弓進(jìn)行接觸的關(guān)鍵部分，這里對(duì)它進(jìn)行了較細(xì)致的單元?jiǎng)澐郑績筛跸抑g的一段接觸線共分成8個(gè)單元體；（5）承力索：承力索的作用是通過吊弦將接觸線懸掛起來，并不直接參與接觸，因此對(duì)其劃分相對(duì)粗略，每根吊弦之間的承力索只分成了2個(gè)單元體；（6）吊弦：連接承力索和接觸線的吊弦也是接觸懸掛中十分重要的一個(gè)部件，本模型中將吊弦分成2個(gè)單元體；通過軟件中的boundary condition type菜單

50、項(xiàng)將七根支柱下端的六個(gè)自由度全部限制，也即使支柱在x，y，z軸三位移方向上既不能運(yùn)動(dòng)也不能旋轉(zhuǎn)，以模擬實(shí)際接觸網(wǎng)系統(tǒng)中支柱在地基中的固定作用。在所建立的6跨的接觸網(wǎng)有限元模型中，在第一個(gè)支柱連接線上，限制住接觸線與承力索與支柱部分連接點(diǎn)在z軸方向上的移動(dòng)，也就是約束了模型中節(jié)點(diǎn)編號(hào)12，15，165在線路方向z方向的運(yùn)動(dòng)；在第七根支柱與承力索和接觸線連接點(diǎn)上分別加上21KN和27KN的力，這兩個(gè)點(diǎn)在模型中的編號(hào)分別是228，434，需要說明的是這兩個(gè)力對(duì)接觸懸掛部分的施加過程并不是恒定不變的，它遵循一個(gè)函數(shù)關(guān)系。3 受電弓的有限元建模3.1受電弓模型3.1.1 受電弓模型主要建模方法受電弓是一

51、個(gè)復(fù)雜的機(jī)械裝置,種類很多，不同的受電弓因其適用的速度和場合不問，其結(jié)構(gòu)也不盡一樣，我國的電力機(jī)車上使用的多為單臂受電弓。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.1所示，由于實(shí)際的受電弓桿件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中包括許多間隙、鉸接點(diǎn)和摩擦副，因此很難建立完全反映實(shí)際情況的模型。圖3.1受電弓結(jié)構(gòu)簡圖Fig 3.1 Structure sketch of pantograph由于受電弓系統(tǒng)復(fù)雜，長期以來研究者們對(duì)其的仿真求解困難很大，一般來說須進(jìn)行線性化處理，處理后變?yōu)橐辉⒍蛉€性集中質(zhì)量模型。所謂集中質(zhì)量模型就是利用動(dòng)能等效原理將原結(jié)構(gòu)簡化為幾個(gè)具有集總質(zhì)量的模型, 即分別采用帶有質(zhì)量的集總質(zhì)量單元來模擬弓頭和

52、升弓框架的歸算質(zhì)量，并采用彈簧單元來模擬弓頭彈簧，模型考慮了弓頭彈簧剛度與阻尼、升弓框架剛度與阻尼等參數(shù)對(duì)受流性能的影響。由于一元質(zhì)量模型是最初采用的也是最簡單的線形受電弓模型，且它只能反映受電弓的低頻特性, 因此在高速弓網(wǎng)系統(tǒng)中須選用二元或三元受電弓的模型。(1) 受電弓二元集中質(zhì)量模型圖3.2二自由度模型Fig 3.2 2-Freedom degree model圖3.2是一個(gè)較完整的受電弓模型，它上面的質(zhì)量、彈簧和阻尼可以直接由弓頭參數(shù)轉(zhuǎn)換而來，下面的質(zhì)量、彈簧和阻尼則由框架部分的質(zhì)量、各個(gè)構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、升弓力、重力、摩擦與阻尼等參數(shù)依據(jù)動(dòng)能等效原理轉(zhuǎn)換而來,如果把受電弓的各個(gè)構(gòu)件看成

53、剛體的話，受電弓有2個(gè)自由度,因此成為2自由度模型。模型中各參數(shù)意思如下：升弓力；：接觸線等效剛度()；:受電弓弓頭剛度系數(shù)；、：受電弓弓頭有效質(zhì)量、受電弓框架有效質(zhì)量；、：受電弓弓頭阻尼系數(shù)、受電弓框架阻尼系數(shù)；、：受電弓與接觸線的接觸點(diǎn)的變形、受電弓弓頭的垂直位移、框架的垂直位移。(2) 受電弓三元集中質(zhì)量模型受電弓的三自由度模型不同于二自由度模型之處在于將受電弓看成三個(gè)剛體部分，即將框架部分分為上框架和下框架分別等效，具體模型如圖3.3：圖3.3 三自由度模型 Fig 3.3 3-Freedom degree model模型中各參數(shù)意思如下：升弓力；：接觸線等效剛度()；、: 受電弓弓頭

54、剛度系數(shù)和上下框架間的剛度系數(shù)；、：受電弓弓頭有效質(zhì)量、上框架質(zhì)量和下框架質(zhì)量；、：受電弓弓頭阻尼系數(shù)、上下框架間阻尼系數(shù)和下框架與機(jī)車車體間的阻尼系數(shù)；、：受電弓與接觸線的接觸點(diǎn)的變形、受電弓弓頭的垂直位移、上框架的垂直位移、下框架的垂直位移。上面兩種受電弓的歸算質(zhì)量模型是一直以來應(yīng)用比較廣泛的，除此之外還有考慮弓頭側(cè)滾的Martin Lesser Lennart Karlsson等建立的“準(zhǔn)空間模型”21；豐良研究過的非線性模型22；另外還有本文下面應(yīng)用的有限元受電弓模型，關(guān)于這個(gè)模型的詳細(xì)說明與優(yōu)勢將在本章后面部分論述。3.1.2 各類受電弓模型的優(yōu)劣性比較以往國外研究弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)時(shí)所

55、采用的受電弓模型多為上文提到的集中質(zhì)量模型30-32，由于這種模型難以反映接觸網(wǎng)較高頻率的振動(dòng)，所得結(jié)果并不十分精確；專著35-37都對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的各種模型建立進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并可以看出采用有限元法建立弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)的模型尤其是受電弓的有限元模型，是依據(jù)該型號(hào)受電弓本身結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸、幾何形狀以與材質(zhì)等建立有限元模型。這種模型比較形象、直觀不僅能考慮到弓頭彈簧的垂直運(yùn)動(dòng)和中、底部連接的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、重力作用、弓網(wǎng)間的摩擦等而且還考慮了上框架的彎曲，因此計(jì)算精確度較高。正是基于采用受電弓的有限元模型進(jìn)行弓網(wǎng)耦合分時(shí)所具有的以上這些優(yōu)點(diǎn)，本文應(yīng)用MARC軟件建立了京津城際高速受電弓-德國WLO185

56、型受電弓有限元模型，如圖3.4：圖3.4 受電弓的有限元網(wǎng)格模型Fig.3.4 The finite element model of overhead contact line3.2受電弓的MARC有限元建模說明在建立受電弓模型時(shí)，對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行了一些簡化，不計(jì)細(xì)微部件的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，而將其簡化為質(zhì)量、彈性等效的部件。簡化后的有限元模型主要由下框架和推桿、上框架和弓頭與滑板三部分組成，這三部分通過鉸鏈和非線性彈簧連接，目的是限制Y軸和Z軸的所有相對(duì)位移和相對(duì)旋轉(zhuǎn)，如圖3.5所示（圖中的五個(gè)小黑點(diǎn)表示模型中各部件間的鉸鏈和非線性彈簧連接）。圖3.5 受電弓模型的鉸鏈Fig.3.5 Hinge li

57、nkage of pantograph model鉸鏈僅允許連接部件在整體坐標(biāo)系x軸方向的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，這里非線性彈簧將約束它們的相對(duì)旋轉(zhuǎn)。弓頭上的滑板可以通過移動(dòng)z軸負(fù)方向的推桿的末端（朝向下框架末端點(diǎn)）進(jìn)行推動(dòng)，一旦滑板到了最終位置，鉸鏈即自鎖。自鎖功能是通過確定一個(gè)關(guān)于時(shí)間函數(shù)的彈簧剛度來模擬的，如圖3.6所示：當(dāng)弓頭上升時(shí)剛度為0，一旦弓頭到達(dá)最終位置則設(shè)置為一個(gè)很大的值，本文在計(jì)算時(shí)設(shè)定為106。結(jié)合下面圖標(biāo)解釋如下：由于本文在進(jìn)行分析時(shí)前2秒是弓網(wǎng)的預(yù)加載過程，在此過程中弓頭彈簧剛度設(shè)定為零，而在此后的分析時(shí)間里彈簧剛度設(shè)定為106，由圖可見前2秒時(shí)間彈簧剛度倍乘系數(shù)為0，而之后為1。在MARC軟件中將spring mechanical properties項(xiàng)目中的stiffness值定為106，將其關(guān)聯(lián)圖表table定為圖3.6所示函數(shù)spring_stiffness，即可實(shí)現(xiàn)上述要求。圖3.6 彈簧剛度的模擬函數(shù)圖Fig.3.6 Simulation function figure of spring stiffness由于實(shí)