基于msc-mark的受電弓-接觸網(wǎng)動態(tài)振動仿真研究

基于msc-mark的受電弓-接觸網(wǎng)動態(tài)振動仿真研究

高速通信系統(tǒng)需要通過中斷電氣和機械接觸向商用車供電，以避免電壓和功率損失。射箭網(wǎng)絡(luò)的分布是限制高速行駛汽車的重要因素。弓網(wǎng)相互作用的評價基于受電弓和接觸網(wǎng)的設(shè)計方案及大量參數(shù),評價弓網(wǎng)振動特性需要通過仿真計算和線路試驗來確定其客觀標(biāo)準(zhǔn)。因受實物試驗和試運行的限制,計算機仿真方法是模擬兩者相互作用的一條捷徑,有助于開發(fā)新系統(tǒng)并提高性能指標(biāo)。在接觸網(wǎng)-受電弓接觸特性理論研究的基礎(chǔ)上,模擬方法和新的測量方法已經(jīng)有所進展和發(fā)現(xiàn)。文獻分別建立了接觸網(wǎng)、受電弓的三維模型,采用MSC/DYTRAN軟件仿真弓網(wǎng)的動態(tài)相互作用,并對弓網(wǎng)系統(tǒng)進行靈敏度分析,其仿真結(jié)果與線路試驗實測結(jié)果相吻合。文獻采用有限元方法建立了弓網(wǎng)動態(tài)受流仿真模型,采用紐馬克法對動態(tài)受流進行了數(shù)值仿真。文獻從提高接觸網(wǎng)彈性均勻分布入手,提出改善弓網(wǎng)系統(tǒng)受流的一些措施。文獻分別建立了受電弓-接觸網(wǎng)動態(tài)相互作用模型,從機車-軌道系統(tǒng)、弓網(wǎng)垂向耦合振動等方面對弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)進行研究。文獻建立了從軌道、機車、受電弓到接觸網(wǎng)的三維仿真模型,應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)研究弓網(wǎng)動態(tài)受流特性。文獻研究了高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)的懸掛型式及相關(guān)參數(shù),對影響動態(tài)受流特性進行了理論探討及分析。以上對受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)的研究都是將其分成獨立的子系統(tǒng)進行仿真,利用MSC-Marc軟件將弓網(wǎng)視為耦合系統(tǒng),兩者通過接觸耦合,建立弓網(wǎng)耦合有限元模型來進行研究。本文對我國京津城際鐵路進行弓網(wǎng)系統(tǒng)的仿真,從而對我國高速鐵路的受電弓-接觸網(wǎng)振動特性進行分析。本研究可為弓網(wǎng)受流性能的評價和受電弓試驗標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供參考。1受電弓與接觸網(wǎng)的振動特性良好的弓網(wǎng)受流要求電網(wǎng)向動車提供不間斷的電流。但由于弓網(wǎng)的劇烈震動,兩者之間不能保證穩(wěn)定的接觸,甚至?xí)撾x。為獲得受電弓與接觸網(wǎng)之間的匹配,就要對其振動特性進行研究。本文中弓網(wǎng)作用屬于考慮接觸的非線性動力學(xué)問題。圖1為采用Marc軟件建立的受電弓-接觸網(wǎng)耦合模型。為更好地研究弓網(wǎng)相互作用關(guān)系,要求弓網(wǎng)模型中的參數(shù)可任意改變,以達到參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)。另外兩個模型的參數(shù)需要密切配合,否則會產(chǎn)生不正確的結(jié)果。1.1錨段接觸網(wǎng)建模接觸網(wǎng)系統(tǒng)是由承力索懸掛起、通過吊弦將接觸線連接成一個網(wǎng)絡(luò)。列車高速運行時,線路或接觸網(wǎng)系統(tǒng)的不平順會引起弓網(wǎng)系統(tǒng)動態(tài)振動性能的劇烈變化,直接影響弓網(wǎng)受流性能。接觸網(wǎng)有限元模型采用歐拉-伯努利梁來模擬,其中接觸線方程為mc?2uc?t2+?2?x2(EIc?2uc?x2)???x(Tc?um?x)+kd(um?uc)δ(x?xn)=Pδ(x?Vt)(1)mc?2uc?t2+?2?x2(EΙc?2uc?x2)-??x(Τc?um?x)+kd(um-uc)δ(x-xn)=Ρδ(x-Vt)(1)式中,mc代表接觸線單位質(zhì)量;EIc代表接觸線抗彎剛度;Tc代表接觸線張力;kd是吊弦剛度,表示接觸線與吊弦連接處的力;δ是沖擊函數(shù);P是受電弓對接觸網(wǎng)的接觸壓力;uc表示接觸線位移;um為承力索位移;xn為吊弦離運動點處距離;x為運動點處位置;t為運動時間;V為列車運行速度。承力索方程為mm?2um?t2+?2?x2(EIm?2um?x2)???x(Tm?um?x)+kd(um?uc)δ(x?xn)+ksum(x?xs)=0(2)mm?2um?t2+?2?x2(EΙm?2um?x2)-??x(Τm?um?x)+kd(um-uc)δ(x-xn)+ksum(x-xs)=0(2)式中,mm代表承力索單位質(zhì)量;EIm代表承力索抗彎剛度;Tm分別代表承力索張力;ks表示支持裝置等效剛度;x為支柱處位移;xs為支柱點處到運動點處距離。利用Marc軟件建立一個錨段接觸網(wǎng)模型,如圖2所示。接觸網(wǎng)模型中,將接觸線、承力索以及吊弦的重量施加在已劃分的有限單元上。利用邊界條件將承力索及接觸線的張力也分別施加在有限單元上。模型中用支柱的位移代替腕臂的移動,可通過邊界條件實現(xiàn)。1.2受電弓質(zhì)量的加載受電弓安裝在動車頂部,由下框架、上框架、弓頭、滑板、上升或下降彈簧及阻尼器組成。圖3為利用Marc軟件建立的受電弓有限元模型。本文將受電弓質(zhì)量加載在劃分的有限單元上。弓頭和滑板處及上下框架連接處通過鉸鏈和非線性彈簧連接。非線性彈簧約束了相對旋轉(zhuǎn),但未約束垂直、水平方向的運動。模型考慮了滑板和弓頭處的高頻振動以及上框架與下框架有角度的運動。在升弓彈簧處施加了靜態(tài)抬升力的邊界條件,對弓頭滑板處的運動位移也通過邊界條件進行限制。因此受電弓模型是非線性的。模型建立后,給定了受電弓初始運行速度。1.3受電弓接觸檢測接觸網(wǎng)和受電弓兩個模型之間通過接觸耦合為整體模型,摩擦力也是造成弓網(wǎng)相互作用的非線性因素。接觸線和受電弓滑板分別是彈性接觸體和剛性接觸體。邊界條件選擇為梁-梁接觸,接觸半徑依靠接觸檢測得到。仿真過程分為3種載荷工況:(1)施加接觸線和承力索張力后線索伸長,19個支柱中的18個可以在受電弓運行方向自由移動,重力加到所有的接觸網(wǎng)-受電弓單元上,各單元受力平衡后,接觸線導(dǎo)線不平順達10mm左右。(2)受電弓在恒定抬升力的作用下上升與接觸網(wǎng)接觸。弓頭的旋轉(zhuǎn)、運動方向和位移都通過邊界條件進行約束,支柱在這個工況下固定。(3)受電弓運動了一個錨段的距離,弓頭的旋轉(zhuǎn)不再受到約束。2計算表1為弓網(wǎng)仿真模型中接觸網(wǎng)的計算條件,表2為受電弓的計算參數(shù)。2.1受電弓經(jīng)過下的動態(tài)升降量接觸線因架設(shè)及跨距影響,靜止時并不在同一水平位置。在第一種工況條件下,給接觸網(wǎng)和受電弓施加重力,造成接觸線高度的變化。圖4為第一種工況條件下2根吊弦間接觸線平衡后各單元位置的變化。圖4為相鄰2根吊弦間8個單元的靜態(tài)位置。2吊弦間存在一定弛度,點409.2m處與417.6m處相比,接觸線高度相差13.48mm。高速時2根吊弦之間接觸線的弛度會對弓網(wǎng)作用有一定影響。受電弓運行過程中,弓網(wǎng)相互振動引起接觸線垂直方向的位移。圖5為不同速度下定位點及跨中點處接觸線動態(tài)抬升量的仿真。隨著速度的提高,在120km/h～200km/h范圍內(nèi)接觸線抬升量逐漸增大,但在200km/h時弓網(wǎng)作用達到一個共振點,使得接觸線的抬升量達到最大值93.7mm。此時受流情況惡劣,需要進行適當(dāng)調(diào)整弓網(wǎng)參數(shù),才能保證可靠受流。在力-位移控制程序中,通過將力控制參數(shù)由0.032減小到0.021,使抬升力減小,可有效改變受流性能。接觸線上各處的剛度不同,因而存在彈性不均勻系數(shù)。圖6以模型中1136號定位點和跨中584號定位點為例,分析受電弓經(jīng)過時動態(tài)抬升量的變化情況。由圖6可知,靜態(tài)平衡位置時跨中與定位點接觸線的高度相差9.67mm;當(dāng)受電弓經(jīng)過這兩點時,由于跨中彈性較大,接觸線跨中的動態(tài)抬升量也比定位點處要大,跨中接觸線的抬升量為80.2mm,定位點的抬升量為62.7mm,小于100mm限界值。這與受電弓對接觸網(wǎng)施加48kN張力(接觸線27kN+承力索21kN)有很大關(guān)系。圖7為受電弓以不同速度通過1136號定位點時接觸線動態(tài)抬升量的變化情況,其中最大抬升量發(fā)生在1136號定位點處。在受電弓運行速度分別為360km/h、250km/h、120km/h時,這一定位點的最大抬升量分別為:86.5mm、75.6mm、60.8mm?？梢?接觸線動態(tài)抬升量隨著速度的提高而逐漸增大,這與南非Fro¨o¨hling的結(jié)論是一致的。并可得到如下結(jié)論:接觸線動態(tài)變化與速度有關(guān),隨著速度增大,定位器振動的時間增長,振動周期不明顯,這也與接觸線的波動有關(guān)。2.2速度和壓力幅值分布使弓網(wǎng)平均接觸壓力處于良好的穩(wěn)定狀態(tài)是解決弓網(wǎng)問題的關(guān)鍵之一。圖8為不同速度下弓網(wǎng)接觸壓力的變化情況。由圖8可見:低速下弓網(wǎng)之間的接觸壓力以跨距為周期變化,在速度為250km/h時仍有隨跨距變化的趨勢,但壓力幅值要比120km/h時大;當(dāng)速度達到350km/h時,接觸壓力明顯變大,且不再有周期變化的規(guī)律,頻率變化較快,平均接觸壓力降低;在120km/h和250km/h時,定位點處的接觸壓力要比其他各處的接觸壓力都大。定位點處的接觸壓力大與此處的剛度大有關(guān);從圖8可看出,當(dāng)運行速度為350km/h時,43m處弓網(wǎng)的接觸壓力變?yōu)?,此時弓網(wǎng)發(fā)生離線現(xiàn)象。41m處為定位點,說明弓網(wǎng)離線易發(fā)生在定位點后。2.3弓網(wǎng)離線現(xiàn)象仿真由2.2節(jié)仿真結(jié)果可知,小的接觸壓力會引起離線火花,說明接觸壓力的變化與受流質(zhì)量有直接關(guān)系。圖9為速度為350km/h時弓網(wǎng)發(fā)生離線現(xiàn)象的仿真。結(jié)果表明,離線發(fā)生在定位點后,而不是以往文獻所認(rèn)為的發(fā)生在定位點處的可能性較大。與接觸壓力的分析相對應(yīng),當(dāng)發(fā)生如圖9所示的離線現(xiàn)象時,受電弓上的接觸壓力為0N,受電弓與接觸網(wǎng)未發(fā)生接觸的位置,如圖中的箭頭所示。在京津城際鐵路的實際運行中,第一吊弦出現(xiàn)問題較多,如出現(xiàn)卸載情況,與仿真結(jié)論一致。3速度對接觸線升降量的影響(1)通過與國外實測及仿真結(jié)果對比,證明本文建立的弓網(wǎng)耦合有限元模型是正確的,能夠較好地對接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)振動作用進行動態(tài)仿真。(2