受電弓主要參數(shù)的模擬計(jì)算

受電弓主要參數(shù)的模擬計(jì)算

受電子弓是電子機(jī)車從接觸網(wǎng)中吸收能量的重要部件之一。對(duì)受電弓的基本要求是在動(dòng)態(tài)條件下與接觸網(wǎng)的接觸平穩(wěn),弓網(wǎng)事故少。弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸問題實(shí)際上是一個(gè)力學(xué)問題。本文以TSG3受電弓為例說明對(duì)受電弓的力學(xué)分析方法,并對(duì)TSG3受電弓的幾個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行了力學(xué)分析。TSG3受電弓是我國(guó)80年代引進(jìn)法國(guó)Faiveley公司的8K電力機(jī)車的受電弓圖紙進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)的受電弓。它是我國(guó)目前國(guó)產(chǎn)受電弓中性能最好的受電弓。對(duì)它進(jìn)行力學(xué)分析,對(duì)于消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù),提高產(chǎn)品質(zhì)量,進(jìn)一步研制國(guó)產(chǎn)高速受電弓具有重要意義。1受電弓接觸網(wǎng)仿真模擬受電弓、機(jī)車和接觸網(wǎng)是一個(gè)不可分割的系統(tǒng)。必須從建立機(jī)車、受電弓和接觸網(wǎng)這個(gè)大系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程出發(fā),才能準(zhǔn)確地分析受電弓的行為。機(jī)車比受電弓的質(zhì)量大得多,可以認(rèn)為受電弓的運(yùn)動(dòng)不會(huì)影響到機(jī)車,但機(jī)車的運(yùn)動(dòng)必然要影響到受電弓。因此,可以把機(jī)車的運(yùn)動(dòng)作為激勵(lì)輸入弓網(wǎng)系統(tǒng)。受電弓和接觸網(wǎng)互相耦合、互相影響,必須分別建立它們的運(yùn)動(dòng)微分方程,最后得到弓網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程組。解這個(gè)運(yùn)動(dòng)微分方程組,即可對(duì)弓網(wǎng)的力學(xué)行為進(jìn)行模擬。文獻(xiàn)采用模態(tài)分解法建立了接觸網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)微分方程。利用弓網(wǎng)之間的接觸壓力,將文獻(xiàn)采用模態(tài)分解法建立的接觸網(wǎng)運(yùn)動(dòng)微分方程和由文獻(xiàn)得到的TSG3受電弓的運(yùn)動(dòng)微分方程耦合在一起,得到弓網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)微分方程如式(1)所示[M]{x¨}+[C][x˙]+[K][x]={f}(1)[Μ]{x¨}+[C][x˙]+[Κ][x]={f}(1)解這個(gè)微分方程組即可對(duì)弓網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬。在這一組方程中,接觸網(wǎng)使用的是國(guó)內(nèi)最常使用的單鏈形懸掛結(jié)構(gòu)。雖然受電弓的微分方程是采用TSG3受電弓為藍(lán)本進(jìn)行編寫的,但TSG3受電弓與國(guó)際上使用的高速受電弓統(tǒng)屬單臂受電弓。只要將本文的方程稍做修改,并將高速受電弓的空氣動(dòng)力學(xué)特性寫進(jìn)方程即可運(yùn)用于高速受電弓的分析。因此也可以說,本文實(shí)際上建立了一套對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)的分析方法。在這一組方程的基礎(chǔ)上,筆者利用C語言編制了圖形界面,利用NDPFORTRAN編制了計(jì)算模塊。制作了一套“受電弓接觸網(wǎng)計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)”軟件。利用這一軟件,既可討論受電弓的行為,也可對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行討論。限于篇幅,本文僅討論TSG3受電弓的幾個(gè)主要參數(shù)。評(píng)價(jià)弓網(wǎng)質(zhì)量的重要參數(shù)是受電弓離線率、接觸網(wǎng)的振動(dòng)位移、平均接觸壓力、最大壓力峰值等。離線率、接觸網(wǎng)的振動(dòng)位移雙峰值越小越好。頻繁的離線會(huì)使機(jī)車供電時(shí)斷時(shí)續(xù),也會(huì)使弓網(wǎng)之間產(chǎn)生劇烈的電弧從而加速弓網(wǎng)損耗;接觸網(wǎng)的振幅過大會(huì)增大受電弓撞擊接觸網(wǎng)的定位器、線夾等器件的概率,引發(fā)弓網(wǎng)事故。平均壓力的大小,最大壓力峰值是反映弓網(wǎng)振動(dòng)內(nèi)在原因的重要參數(shù)。平均接觸壓力應(yīng)盡可能地靠近靜態(tài)接觸網(wǎng)壓力70N;最大壓力峰值越小越好。要得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果,除了需要合理的力學(xué)模型、正確的運(yùn)動(dòng)微分方程和良好的計(jì)算方法外,還需要準(zhǔn)確的弓網(wǎng)參數(shù)。為了得到受電弓的參數(shù),筆者將TSG3受電弓進(jìn)行了解體測(cè)試,得到了各主要部件的質(zhì)量、阻尼、彈簧剛度等參數(shù)。不同的路段,接觸網(wǎng)的參數(shù)也不相同,而且有些參數(shù)無法得到,需要使用假設(shè)參數(shù)。例如接觸網(wǎng)的阻尼參數(shù)、接觸網(wǎng)立柱的力學(xué)參數(shù)等都使用了假設(shè)參數(shù)。為了消除使用假設(shè)參數(shù)帶來的影響,筆者選取了幾組不同的接觸網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)使用不同參數(shù)所得到的曲線形狀是基本相同的。這就是說,對(duì)于任選的機(jī)車和接觸網(wǎng),好的受電弓總能表現(xiàn)出好的受流特性。這與實(shí)際使用情況是一致的。本文的計(jì)算是以北京環(huán)線的接觸網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的。如果選定某一組特定的弓網(wǎng)參數(shù),改變其中的某一個(gè)參數(shù)。計(jì)算關(guān)于這一參數(shù)的離線率等數(shù)值,就可以評(píng)價(jià)這一參數(shù)對(duì)受流質(zhì)量的影響。當(dāng)然,由于計(jì)算中使用了部分假設(shè)參數(shù),所得結(jié)果不是絕對(duì)值,而是一組相對(duì)值。盡管所算出的某一數(shù)值可能與實(shí)際情況有較大差距,但由這一組值描繪出的曲線形狀須與實(shí)際情況相符。這樣,就可以利用這一曲線找到合理的參數(shù)。下面的計(jì)算都使用這一方法。2tsg3受電弓錨點(diǎn)參數(shù)的影響弓頭彈簧雖小,卻是受電弓上連接弓頭與框架的關(guān)鍵部件。理論和實(shí)踐都證明:接觸網(wǎng)的重量越輕越好,拉力越大越好;受電弓的重量越輕越好。惟獨(dú)對(duì)弓頭彈簧剛度的大小說法不一。實(shí)際上在現(xiàn)行的受電弓中,不同的受電弓,弓頭彈簧剛度也不一樣。TSG1受電弓為2330N/m。TSG3受電弓為3860N/m,SIEMENS的8WLO126-6YH69型受電弓的弓頭彈簧動(dòng)剛度超過了8000N/m,TSG3受電弓的3860N/m是不是它的最佳值呢?筆者在TSG3受電弓的參數(shù)基礎(chǔ)上,選定一組接觸網(wǎng)參數(shù),并選定機(jī)車運(yùn)行速度為180km/h,僅改變TSG3受電弓的弓頭彈簧剛度,從3000N/m至8000N/m進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果如表1所示。從計(jì)算情況來看,TSG3受電弓的弓頭剛度在3800kN/m～4000kN/m之間有一個(gè)在離線率、弓網(wǎng)接觸點(diǎn)的位移雙峰值、平均接觸壓力和最大接觸壓力等幾個(gè)方面的低谷。根據(jù)本文的計(jì)算,TSG3受電弓的弓頭彈簧剛度確實(shí)應(yīng)該選在這一范圍之內(nèi)。需要說明的是:本文的計(jì)算長(zhǎng)度是24跨,每跨65m。計(jì)算中接觸壓力出現(xiàn)250N以上的點(diǎn)只是極少數(shù)點(diǎn)。后面的計(jì)算也是這樣。法國(guó)Faiveley公司對(duì)這一受電弓是經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)后確定的各部分參數(shù)。3不同歸算框架的下,tsg3受電弓的離線率當(dāng)前的弓網(wǎng)分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果無一例外地表明:受電弓的質(zhì)量越輕越好。那么減輕TSG3受電弓的質(zhì)量,能否使它滿足180km/h以上的高速受流呢?若能做到這一點(diǎn),就可以保證準(zhǔn)高速鐵路的受流需要。三大干線提速就可以省去需要從國(guó)外購買高速受電弓的錢,經(jīng)濟(jì)效益不言而喻。筆者仍采用選定其它參數(shù)不變,僅改變它的框架質(zhì)量的方法進(jìn)行了模擬計(jì)算。為了消除計(jì)算中使用接觸網(wǎng)假設(shè)參數(shù)的影響,首先在選定一組接觸網(wǎng)參數(shù)的情況下,計(jì)算了車速在120km/h時(shí)受電弓的離線率,結(jié)果為0.7%。這就是說,如果通過降低TSG3受電弓的框架質(zhì)量能夠使它滿足180km/h的受流需要,則當(dāng)車速在180km/h時(shí)的離線率也應(yīng)該是0.7%左右。因?yàn)?在不加任何改進(jìn)的情況下,TSG3受電弓最多只能滿足120km/h的電力機(jī)車受流。表2是在180km/h情況下計(jì)算的結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明:隨著受電弓框架歸算質(zhì)量的降低,弓網(wǎng)之間的離線率也在大幅度下降。然而即使將TSG3受電弓的歸算質(zhì)量降到SIEMENS受電弓的12kg的水平,也不可能使它達(dá)到滿足180km/h的受流速度的能力,因?yàn)?%的離線率還是太高了點(diǎn)。要能夠正常受流,離線率必須小于1%。即TSG3受電弓的歸算質(zhì)量即使降低到12kg,也不可能滿足180km/h的受流需要。雖然TSG3受電弓和SIEMENS受電弓同屬單臂受電弓,但它們的受力方式還是有很大不同。TSG3受電弓的歸算質(zhì)量不可能降低到12kg的水平。單靠降低它的歸算質(zhì)量不可能滿足180km/h的受流需要。4tsg3受電弓阻尼器法國(guó)Faiveley公司的8K受電弓在法國(guó)的線路上可以達(dá)到180km/h以上的運(yùn)營(yíng)速度。90年代前,我國(guó)生產(chǎn)的受電弓在最好的線路上也只能跑到120km/h。主要原因是我們國(guó)產(chǎn)化以后的受電弓沒有安裝阻尼器。進(jìn)口圖紙上沒有給出阻尼器的參數(shù)。80年代,我國(guó)的鐵路時(shí)速不超過100km。這一問題在當(dāng)時(shí)未引起重視。進(jìn)入90年代,發(fā)展高速鐵路在我國(guó)形成共識(shí)。1997年,我國(guó)決定在3大干線提速,最高運(yùn)營(yíng)速度要達(dá)到140km/h以上。然而原來的TSG3受電弓不能滿足列車的提速要求,若購買國(guó)外的高速受電弓,每臺(tái)售價(jià)約20萬人民幣,是國(guó)產(chǎn)TSG3受電弓的6倍。僅購買受電弓一項(xiàng),每年要多花費(fèi)人民幣上千萬元。若能找到TSG3受電弓的阻尼器參數(shù),在TSG3受電弓上安裝適當(dāng)?shù)淖枘崞?即可解決我國(guó)列車提速的燃眉之急。筆者與株洲電力機(jī)車廠有關(guān)工程技術(shù)人員承擔(dān)了研制TSG3受電弓阻尼器的任務(wù)。我們?cè)趯?duì)TSG3受電弓解體測(cè)試的基礎(chǔ)上,建立了受電弓和接觸網(wǎng)的力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)微分方程,并編制了弓網(wǎng)模擬計(jì)算機(jī)程序,對(duì)接觸網(wǎng)和受電弓進(jìn)行了認(rèn)真的分析研究。1997年元月,我們研制的受電弓阻尼器在北京環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地試驗(yàn)成功,使TSG3受電弓的受流速度由120km/h提高到了170km/h。后來又對(duì)阻尼器進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn),使TSG3受電弓達(dá)到了可以滿足180km/h的受流要求。阻尼參數(shù)的計(jì)算方法是保持前面選定的弓網(wǎng)參數(shù)不變,設(shè)機(jī)車速度為180km/h,不斷改變阻尼器的阻尼參數(shù),由此可得到一條離線率隨阻尼參數(shù)變化的曲線。如圖1所示。由圖中曲線可見,當(dāng)機(jī)車的運(yùn)行速度為180km/h時(shí),受電弓未加阻尼器時(shí)離線率12.7%,隨著阻尼的增大,離線率不斷降低,而且是一條單調(diào)減少的曲線。這說明,實(shí)際阻尼器參數(shù)略有偏差時(shí),不會(huì)對(duì)受流帶來多大影響。反過來也可以說,TSG3受電弓對(duì)阻尼器的參數(shù)要求不是很精確,這就給阻尼器的研制帶來了極大的方便。1997年元月,北京環(huán)線的試驗(yàn)完全證實(shí)了作者的計(jì)算結(jié)果。以后進(jìn)行的多次試驗(yàn)也都證實(shí)了上面的計(jì)算結(jié)果?，F(xiàn)在,這一研究成果已在全路推廣,經(jīng)濟(jì)效益顯著。受電弓的力學(xué)分析是一個(gè)復(fù)雜