城市軌道交通車輛受電弓等效質量分析研究*

于淑君 楊 儉 方 宇 陳曉麗

(上海工程技術大學城市軌道交通學院,201620,上海∥第一作者,碩士研究生)

城市軌道交通車輛通過受電弓從接觸網上取得電能。受電弓工作的特點是靠滑動接觸而受流。對其性能的基本要求是滑板與接觸導線接觸可靠、磨耗小,升、降弓時不產生過分沖擊,在運行中要求受電弓動作輕巧、平穩、動態穩定性好。受流質量是指受電弓集電頭和接觸網間流通負荷電流的流暢程度,其取決于受電弓和接觸網之間的相互作用。受電弓與接觸網的穩定接觸是城市軌道交通車輛獲得良好受流的重要條件[1]。良好的動態受流是保證電動列車實現正常供電的關鍵問題之一。由于受電弓和接觸導線相互作用的結果,接觸系統產生周期性的振動,特別是在高速運行時可能出現共振。這些由于列車運行而引發的現象都與受電弓的等效質量有關。受電弓的等效質量即是受電弓的運動部分等效到弓頭上的質量[2]。因此,有必要研究受電弓的各個部分對受電弓等效質量的影響,以保證受電弓在各部件剛度足夠的條件下得到最小的等效質量。

1 受電弓結構分析

受電弓是電動車從接觸網取得電能的電氣設備,安裝在軌道交通車輛動車的車頂上。以上海軌道交通1號線SBE 920型受電弓為例,其結構簡圖如圖1。

圖1 受電弓結構簡圖

受電弓升弓系統施力于弓頭,使之向上的垂直力為靜態接觸壓力。接觸網沿線各點的剛度不同,使接觸導線在受到受電弓接觸壓力作用時產生不同程度的上升,從而使受電弓在列車運行中產生上下振動[3]。因此,受電弓附加承受一個受其本身等效質量和接觸網剛度所影響的上下交變的動態接觸壓力。上述作用力的合力,如果太小則受流質量不佳,如果太大則會增加接觸導線和弓頭接觸板的磨損[4]。為保證受電弓具有可靠的受流質量,應盡量減小受電弓的等效質量和弓頭的質量,增加接觸懸掛的彈性均勻性。

2 受電弓等效質量計算模型

受電弓等效質量的計算依據是動能相等原理[5]。首先將受電弓底座固定,并假定整個受電弓只有一個自由度,取推桿升角α為廣義坐標,計算出受電弓的動能;然后將整個受電弓的動能變換為受電弓支架上的集中質量豎向運動時所具有的動能,根據動能相等原理計算出受電弓的等效質量。受電弓弓頭在整個受電弓的等效質量中的貢獻值就等于弓頭的質量。圖2是受電弓計算簡圖。

圖2 受電弓計算簡圖

2.1 升弓高度與升角之間的關系

利用圖2,可得 3個升弓角 α,β,γ與升弓高 L的關系式：

編寫程序可得受電弓的3個升弓角和升弓高之間的關系曲線(如圖3所示)。

圖3 受電弓下臂桿、推桿和上框架的升弓角(β、α、γ)與升弓高 L 之間的關系圖

由圖3可見,在 L=0.5～2.0 m時,有著很好的線性關系。根據圖3曲線可得如下的線性關系：

2.2 受電弓的動能計算

受電弓各組成部分的動能分別為：

式中：

x——上框架質心沿車輛縱向的位移;

y——上框架質心沿車輛橫向的位移;

m——上框架的質量;

h——B點到上框架質心的距離。

則有：

將式(8)代入式(6)可得：

因此,整個受電弓框架的動能T為：

式中：

2.3 受電弓等效質量計算

將由式(12)得到的角速度α?代入式(10),得受電弓框架的動能：

因此可得等效質量me為：

式(14)僅適用于升弓高度為0.5～2.0 m之間的等效質量計算。上海城市軌道交通受電弓的升弓高度在0.305～1.740 m之間。將式(14)應用于上海城市軌道交通受電弓求得的計算結果如表1所示。

表1 上海城市軌道交通車輛受電弓各部件在框架等效質量中的比值

3 結論

城市軌道交通車輛受電弓下臂桿和推桿在整個受電弓框架等效質量中的等效值隨高度略有變化,但變化不大,并且隨著升弓高度的增加(即上框架仰角的增大),受電弓等效質量逐漸減小。影響受電弓框架等效質量的主要結構部件是上框架。它在整個受電弓等效質量中所占的份額接近70%,若要降低受電弓的等效質量,應首先降低上框架的質量。例如,可將上框架用高強度、輕質材料代替。所以,只要設法降低受電弓弓頭的質量和受電弓上框架的質量,就可以降低受電弓的質量,以增加接觸懸掛的彈性均勻性,從而提高受流質量。

[1]郭京波,楊紹普,高國生.高速鐵路接觸網—受電弓系統受流穩定性[J].動力學與控制學報,2004,2(3)：60.

[2]邢海軍,麻士琦,楊紹普.受電弓動態參數研究[J].振動、測試與診斷,2002,22(3)：206.

[3]Jerrelind J,Stensson A.Nonlineardynamicbehaviourof coupled suspension sy stems meccanica[J].Meccanica,2003,38(1)：43.

[4]Li F L,Li M,T ang J X.Establishment of the pantog raphs mechanical models and measurement of their parameters[J].Journal of Central South University：Science and Technology,2006,37(1)：194.

[5]李豐良,孫焰,粟謙.TSG受電弓的歸算質量[J].鐵道學報,1998,20(2)：55.

[6]O'Connor D N,Eppinger S D,Seering W P,et al.Active Control of a High-Speed Pantog raph[J].Journal of Dynamic Systems,Measurement and Control,1997,119(1)：1.