剛性懸掛接觸網(wǎng)弓網(wǎng)耦合模型

剛性懸掛接觸網(wǎng)弓網(wǎng)耦合模型

0弓網(wǎng)耦合控制剛性懸索網(wǎng)的結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、施工條件好等特點(diǎn)，已成為中國(guó)隧道特別是低暴露隧道的首選形式。迄今國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)剛性懸掛接觸網(wǎng)弓網(wǎng)耦合的模擬方法主要有兩種:一種是通過(guò)弓、網(wǎng)在接觸點(diǎn)處位移相等來(lái)實(shí)現(xiàn)的,另一種是通過(guò)彈簧實(shí)現(xiàn)耦合。前者不必選擇接觸剛度,但無(wú)法考慮離線;對(duì)于后者,由于實(shí)際中弓網(wǎng)間接觸力和滑板位移的關(guān)系是:相接觸時(shí),兩者是接觸剛度的關(guān)系;一旦離線,接觸力將始終為零,滑板位移為負(fù),兩者間不再存在任何聯(lián)系。因此用彈簧實(shí)現(xiàn)耦合不能反映離線以后弓、網(wǎng)的振動(dòng)。1受電弓網(wǎng)模型的建立在剛性懸掛接觸網(wǎng)中,匯流排既是導(dǎo)電面的一部分,又是接觸線的固定體。文獻(xiàn)給出了剛性懸掛接觸網(wǎng)的簡(jiǎn)化計(jì)算模型?？紤]到剛性匯流排和接觸線軸向無(wú)張力無(wú)水平位移的特點(diǎn),本文又在接觸線其他節(jié)點(diǎn)處加水平約束。整個(gè)接觸網(wǎng)可視為上部有彈簧支座的多跨連續(xù)梁。受電弓簡(jiǎn)化模型主要有歸算質(zhì)量模型和框架模型。前者根據(jù)歸算質(zhì)量的數(shù)目可分為一、二和三元模型;后者雖比較形象直觀,但計(jì)算繁瑣。本文采用線性化三元?dú)w算質(zhì)量模型。與二元模型相比,三元模型更適合于高速受流時(shí)弓網(wǎng)耦合振動(dòng)的模擬。實(shí)際運(yùn)行中,接觸導(dǎo)線在受電弓頂升作用下有一定的變形,弓頭本身相對(duì)接觸線來(lái)說(shuō)變形很小,故可設(shè)接觸線為柔性為目標(biāo)面,弓頭為剛性為接觸面,分別用target169和contact175單元。2接觸問(wèn)題的單元描述用ANSYS模擬弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)耦合有三大難點(diǎn):一、弓網(wǎng)接觸屬于動(dòng)態(tài)接觸,時(shí)而接觸,時(shí)而分開(kāi),且接觸或分開(kāi)是突然變化的;二、弓網(wǎng)間有很大的相對(duì)滑動(dòng),即弓網(wǎng)接觸點(diǎn)不固定,隨列車的移動(dòng)而變化;三、受電弓框架鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)引起干摩擦,使得抬升力為變值。ANSYS允許接觸非線性分析過(guò)程中接觸狀態(tài)的變化,且程序能自動(dòng)檢測(cè)到某時(shí)刻接觸與否?？赏ㄟ^(guò)單元關(guān)鍵字KEYOPT來(lái)選擇接觸模型(法向單邊接觸、粗糙接觸、不分開(kāi)的接觸和綁定接觸)。選擇法向單邊接觸可解決第一個(gè)難點(diǎn)。對(duì)于第二個(gè)難點(diǎn),文獻(xiàn)用生死單元技術(shù)來(lái)解決。具體做法是在接觸線每個(gè)節(jié)點(diǎn)處都建立一個(gè)受電弓,該方法最大缺陷是無(wú)法考慮受電弓速度和位移的連續(xù)性及傳遞性,因此與實(shí)際相差很大,很不準(zhǔn)確。本文通過(guò)對(duì)受電弓各節(jié)點(diǎn)施加水平向位移可以實(shí)現(xiàn)對(duì)弓沿線移動(dòng)這一過(guò)程的描述。用多點(diǎn)重啟動(dòng)方法來(lái)考慮干摩擦可解決第三個(gè)難點(diǎn)。(1)彈性吊懸的集中質(zhì)量用beam3模擬接觸線,用mass21模擬吊懸的集中質(zhì)量和受電弓各集中質(zhì)量,用combin14模擬彈性吊懸支座和受電弓框架桿,用target169和contact175建立接觸對(duì)。(2)受電弓各節(jié)點(diǎn)升降力從機(jī)車啟動(dòng)的瞬間開(kāi)始模擬。假定系統(tǒng)的初始速度和初始位移均為零;設(shè)弓頭和接觸線是初始接觸的。對(duì)受電弓各節(jié)點(diǎn)施加水平速度,在車頂結(jié)點(diǎn)處施加豎向鉸支座,在受電弓下端集中質(zhì)量處施加抬升力。由于抬升力為變值,故需要做重啟動(dòng)。忽略結(jié)構(gòu)阻尼。(3)處理好從POST26中,可提取出接觸力和滑板豎向位移的時(shí)程曲線。3保證接觸力最小本文以接觸力和滑板豎向位移的最值、幅值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差,離線率及一次最長(zhǎng)離線時(shí)間作為受流評(píng)價(jià)指標(biāo)。接觸力為零表示離線。保證正常受流的條件為接觸力最小值不低于30N且標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)均值的1/3;保證基本受流的條件是單弓受流時(shí)離線率不超過(guò)5%,一次最長(zhǎng)離線時(shí)間小于0.05s。采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),0.1s以上稱為大離線,0.01～0.1s為中離線,0.01s以下稱為小離線。改變受電弓、接觸網(wǎng)及機(jī)車參數(shù),可得到各參數(shù)對(duì)受流質(zhì)量的影響。3.1m跨距接觸力圖1反映了車速140km/h時(shí),接觸力最值、幅值和標(biāo)準(zhǔn)差隨跨距的變化情況。由圖可見(jiàn),6m跨距時(shí)接觸力最大值、幅值和標(biāo)準(zhǔn)差最小,受流質(zhì)量最好;12m跨距時(shí)受電弓已經(jīng)離線。圖2是車速140km/h跨距為6m時(shí),接觸力隨距離的變化情況?？梢钥闯?接觸力最值都出現(xiàn)在懸掛結(jié)構(gòu)與接觸線連接處附近。這是上部懸掛結(jié)構(gòu)的集中質(zhì)量及上部彈簧支座的約束作用造成的。3.2電子表格測(cè)試(1)最大風(fēng)壓機(jī)床弓網(wǎng)等效接觸剛度表征了弓頭為抵抗接觸線垂直移動(dòng)而產(chǎn)生的彈性變形的能力,它取決于接觸網(wǎng)和弓頭本身的彈性性能。在弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算中共有3種接觸剛度,分別為8230、32300和82000N/m。表1、2分別表示了跨距為8m,車速為200km/h時(shí),接觸力和滑板位移隨接觸剛度的變化。可以看出,接觸力最大值、幅值和標(biāo)準(zhǔn)差隨等效接觸剛度的增大而增大;滑板位移的最大值、最小值、幅值、均值及標(biāo)準(zhǔn)差隨接觸剛度值的增大而減小。接觸剛度為32300N/m時(shí)接觸力最小值已低于30N,標(biāo)準(zhǔn)差恰能滿足要求。當(dāng)接觸剛度增大到82000N/m時(shí),受流質(zhì)量明顯惡化。對(duì)于剛性懸掛,接觸線抬升和滑板最大振幅一般都能滿足要求,接觸力是制約車速提高的主要因素。因此高速行駛時(shí),應(yīng)盡量選用等效接觸剛度較小的接觸網(wǎng)和受電弓。(2)弓頭質(zhì)量、弓頭質(zhì)量對(duì)受流的影響表3反映跨距為6m,車速為140km/h時(shí),基本弓、減小弓頭質(zhì)量20%和增大弓頭質(zhì)量20%對(duì)受流的影響?？梢钥闯?受流質(zhì)量隨弓頭質(zhì)量的增大而變差。與基本弓時(shí)的接觸力相比,增大弓頭質(zhì)量20%對(duì)接觸力的影響比減少弓頭質(zhì)量20%時(shí)的影響略微顯著。3.3車速提高至200km/h對(duì)接觸力的影響圖3為6m跨距時(shí)接觸力隨車速的變化曲線?？梢钥闯?隨著速度的提高,接觸力的最大值、變化幅值和標(biāo)準(zhǔn)差越來(lái)越大,且呈非線性增長(zhǎng)。車速提高到200km/h時(shí),接觸力最小值即將低于30N,標(biāo)準(zhǔn)差已經(jīng)大于允許值,無(wú)法正常受流;當(dāng)提高到240km/h時(shí)最小接觸力為零,受電弓離線。3.4由軌道引起的車輛振動(dòng)(1)坡度坡度對(duì)接觸力的影響穿山隧道和山區(qū)鐵路的軌道常存在一定的坡度。表4為跨距6m,運(yùn)行速度160km/h時(shí),正(爬坡)、負(fù)(下坡)坡度對(duì)接觸力的影響?？梢钥吹?正坡時(shí)接觸力的最值、幅值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差隨坡度值的增大而增大,負(fù)坡時(shí)隨坡度值的增大而減小。對(duì)于負(fù)坡,當(dāng)坡度值增大到3‰時(shí),即將出現(xiàn)小于30N的最小接觸力;當(dāng)增大到6‰時(shí),受電弓離線且為大離線,接觸力標(biāo)準(zhǔn)差已大于均值的1/3。(2)陣風(fēng)下的垂直沉降地基不均勻沉降、鐵軌制造或安裝誤差可能會(huì)引起軌道的垂直沉降?？缇酁?m,車速為160km/h時(shí),機(jī)車在100m處有一垂直沉降時(shí)的影響如表5所示。可以明顯看到:最敏感的垂直沉降在5～10mm。受電弓一旦離線,滑板位移將呈非線性猛增。當(dāng)垂直沉降達(dá)到12mm時(shí),受電弓即將離線;15mm時(shí)已經(jīng)離線,但一次最長(zhǎng)離線時(shí)間尚低于0.05s;20mm時(shí)離線時(shí)間超過(guò)0.05s。(3)幅值和波長(zhǎng)對(duì)接觸力和滑移力的影響本文只對(duì)簡(jiǎn)諧波形式的不平順進(jìn)行研究。忽略機(jī)車振動(dòng)引起車頂位移波形的改變,選(1)式的正弦波為車頂振動(dòng)方程。y(x)=y0sin2πxλ(1)y(x)=y0sin2πxλ(1)式中,y0、λ分別為機(jī)車振動(dòng)的幅值和波長(zhǎng);x機(jī)車位置。以下討論的均是跨距為6m,車速為120km/h。表6是波長(zhǎng)為30m,接觸力和滑板最大振幅隨幅值的變化情況;表7是幅值為20mm,接觸力和滑板最大振幅隨波長(zhǎng)的變化情況。由表6,隨著幅值的增大,受流越來(lái)越差。當(dāng)幅值增大到20mm時(shí),接觸力標(biāo)準(zhǔn)差開(kāi)始超過(guò)均值的1/3;當(dāng)幅值增大到25mm時(shí),產(chǎn)生了低于30N的難以接受的最小接觸力。波長(zhǎng)對(duì)接觸力和滑板最大振幅影響隨波長(zhǎng)增大而減小。波長(zhǎng)為25m時(shí),接觸力最小值和標(biāo)準(zhǔn)差均超出限值。實(shí)際上軌道一般不會(huì)整個(gè)出現(xiàn)規(guī)律性的不平順,而只在個(gè)別位置出現(xiàn)凹凸不平。本文設(shè)機(jī)車在80m處分別產(chǎn)生(2)式單個(gè)余弦波的凹、凸振動(dòng)。y(x)={12y0[1?cos2π(x?xm)λ](xm≤x≤xm+λ)0(2)y(x)={12y0[1-cos2π(x-xm)λ](xm≤x≤xm+λ)0(2)式中,xm為單個(gè)余弦波的起點(diǎn)位置。4付款時(shí)(1)對(duì)于一定的行駛距離，有一個(gè)最優(yōu)的距離車速為140km/h時(shí),6m跨距為最優(yōu)跨距。