基于SIMPACK的受電弓結(jié)構(gòu)參數(shù)研究*

馬果壘，高秀軍，宋 瑤

（北京賽德高科鐵道電氣科技有限責(zé)任公司，北京100176）

基于SIMPACK的受電弓結(jié)構(gòu)參數(shù)研究*

馬果壘，高秀軍，宋 瑤

（北京賽德高科鐵道電氣科技有限責(zé)任公司，北京100176）

利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)技術(shù)，借助多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立受電弓—接觸網(wǎng)耦合仿真試驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)仿真試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)受電弓模態(tài)進(jìn)行了分析，同時(shí)研究了受電弓參數(shù)對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性的影響。系統(tǒng)研究受電弓—接觸網(wǎng)系統(tǒng)的目的在于優(yōu)化其結(jié)構(gòu)及懸掛參數(shù)，以改善弓網(wǎng)受流特性，設(shè)計(jì)最佳性能的受電弓。

受電弓；接觸網(wǎng)；SIMPACK；機(jī)車車輛振動(dòng)

受電弓是電力牽引機(jī)車車輛的關(guān)鍵設(shè)備，主要由底架、升降系統(tǒng)、上框架、上導(dǎo)桿、下臂、下導(dǎo)桿和弓頭等組成，受電弓的功能是保證電流能夠從架空線傳送到機(jī)車車輛的電氣系統(tǒng)。

受電弓的組成結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

隨著機(jī)車車輛運(yùn)行速度的不斷提高，對(duì)受電弓性能要求越來(lái)越高。優(yōu)化受電弓的動(dòng)力學(xué)性能是弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)研究中非常重要的研究?jī)?nèi)容。

通常，受電弓多采用三元或二元［1-3］等效質(zhì)量模型進(jìn)行弓網(wǎng)仿真研究。通過(guò)等效質(zhì)量模型雖可以簡(jiǎn)化模型參數(shù)，提高仿真效率，但當(dāng)需要對(duì)受電弓組成部件進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化研究時(shí)，等效質(zhì)量模型顯得過(guò)于簡(jiǎn)化。

本文利用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件建立受電弓真實(shí)的桿件模型，可以對(duì)受電弓組成部件參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)研究。而且隨著速度的提高，受電弓上框架表現(xiàn)出彈性［4］，見(jiàn)圖2。

圖2 受電弓上框架彈性示意圖

建模時(shí)，對(duì)比研究受電弓上框架剛體和彈性模型。

1 模型建立

本文利用DSA380受電弓進(jìn)行建模研究。DSA380高速受電弓由弓頭、框架、底架和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)4部分組成，而框架又由上臂、下臂、下導(dǎo)桿和上導(dǎo)桿等桿件組成，各桿件通過(guò)鉸接連接在一起。底架支持框架，通過(guò)絕緣子固定在車頂上，框架通過(guò)升弓裝置支持弓頭，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作用于下臂桿來(lái)實(shí)現(xiàn)升弓動(dòng)作。氣動(dòng)升弓裝置安裝在底座上，通過(guò)鋼絲繩作用位于下臂桿下部的扇形板，從而實(shí)現(xiàn)升弓過(guò)程。滑板安裝在弓頭支架上，弓頭支架垂懸在4個(gè)拉簧下方。

通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析可知，受電弓框架僅有一個(gè)自由度，即升弓角α，而弓頭作為一個(gè)懸掛的空間剛體，完整的自由度是6個(gè)。垂向耦合特性是受電弓與接觸網(wǎng)的主要耦合特性，即弓網(wǎng)之間的垂向接觸力。因此凡是影響這個(gè)力變化的因素都要考慮進(jìn)去。因此，受電弓的弓頭僅考慮3個(gè)自由度：垂向運(yùn)動(dòng)、側(cè)滾運(yùn)動(dòng)和點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)。上框架考慮剛性和彈性兩種模型。

受電弓仿真模型見(jiàn)圖3。

圖3 受電弓SIPMPACK仿真模型

受電弓各個(gè)部件的材料分別為：

底架：不銹鋼；

下導(dǎo)桿：不銹鋼；

下臂：鋁合金；

上臂：鋁合金；

弓頭支架：鈦合金；

滑板托架：鋁合金。

2 受電弓模態(tài)分析

固有振動(dòng)反映振動(dòng)系統(tǒng)的固有特性，是研究一切振動(dòng)問(wèn)題的基礎(chǔ)。

當(dāng)上框架考慮為剛體時(shí)，受電弓有4個(gè)獨(dú)立的自由度，1個(gè)是下臂桿的轉(zhuǎn)角，其他3個(gè)是弓頭的垂向運(yùn)動(dòng)、側(cè)滾運(yùn)動(dòng)和點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)。因此，受電弓有4個(gè)自振頻率，頻率較低的是下臂桿的自振頻率，頻率較高的是弓頭的自振頻率，由高到低依次是點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)、垂向運(yùn)動(dòng)和側(cè)滾運(yùn)動(dòng)，該頻率主要與弓頭彈簧的剛度有關(guān)。

當(dāng)上框架考慮為彈性時(shí)，由于將上框架考慮為彈性體，其自由度將增多，模態(tài)分布也更豐富。兩種模型模態(tài)對(duì)比見(jiàn)表1。

從表1中，可以看出考慮上框架彈性模型模態(tài)成分要比上框架為剛體模型模態(tài)豐富得多。上框架的一階垂向彎曲模態(tài)出現(xiàn)在6～7 Hz之間，頻率較低。根據(jù)研究可知接觸網(wǎng)是一個(gè)低頻系統(tǒng)，當(dāng)弓網(wǎng)耦合時(shí)很容易激發(fā)出上框架的這一彈性模態(tài)。

3 弓網(wǎng)動(dòng)力學(xué)仿真分析

選取武廣線接觸網(wǎng)參數(shù)，建立弓網(wǎng)耦合模型［5-7］，結(jié)果見(jiàn)圖4。

表1 不同模型受電弓模態(tài)對(duì)比

圖4 兩種模型不同速度接觸力比較

從圖4中，可以看出當(dāng)速度較低時(shí)，兩種模型的接觸力變化不大；當(dāng)速度增大后，上框架考慮為彈性模型接觸力明顯要優(yōu)于上框架為剛體模型。

因此，在高速時(shí)，將上框架考慮為彈性更能體現(xiàn)受電弓的真實(shí)狀態(tài)。

4 受電弓參數(shù)影響

4.1 框架阻尼器

受電弓中，在下臂和底座間安裝有阻尼器。為了了解它的作用，對(duì)有（無(wú)）阻尼器兩種工況進(jìn)行仿真。圖5為300 km/h速度下有（無(wú)）阻尼器接觸壓力的比較。從圖5中可知，不裝阻尼器隨著速度的提高在所謂接觸網(wǎng)硬點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊，裝有阻尼器的受電弓對(duì)于接觸力的沖擊具有很好的吸收作用，可見(jiàn)框架阻尼對(duì)提高受流質(zhì)量是十分有效的。

圖5 速度300 km/h有（無(wú)）阻尼器條件下接觸力比較

4.2 弓頭質(zhì)量

圖6是300 km/h速度下弓頭質(zhì)量為15 kg和8.722 kg時(shí)弓網(wǎng)接觸力的比較。

圖6 速度300 km/h不同弓頭質(zhì)量的影響

弓頭質(zhì)量的減小，可提高弓頭運(yùn)動(dòng)的加速度，也就是提高了弓頭的跟隨能力。可以看到，當(dāng)弓頭質(zhì)量減小時(shí)，接觸線硬點(diǎn)對(duì)接觸壓力的影響就減小。所以在可能的條件下應(yīng)降低弓頭的質(zhì)量。

4.3 弓頭懸掛阻尼

弓頭阻尼能有效地抑制受電弓振動(dòng)，但阻尼只對(duì)共振頻率附近領(lǐng)域內(nèi)有利，過(guò)大的阻尼反而阻礙弓頭的運(yùn)動(dòng)，影響其跟隨性。圖7為300 km/h速度不同弓頭阻尼下的接觸壓力計(jì)算結(jié)果比較。當(dāng)沒(méi)有弓頭懸掛阻尼時(shí)，在受到不平順擾動(dòng)后，接觸壓力會(huì)持續(xù)較大振幅的振動(dòng)，對(duì)受流極為不利。因此，在接觸線平順性好的接觸網(wǎng)下運(yùn)行的受電弓，其阻尼可小些，當(dāng)接觸線平順性不好時(shí)，應(yīng)加大弓頭懸掛阻尼。

圖7 速度300 km/h不同懸掛阻尼的影響

4.4 框架桿件質(zhì)量影響

圖8是300 km/h速度下框架質(zhì)量對(duì)弓網(wǎng)接觸力的影響比較。

圖8 速度300 km/h框架桿件質(zhì)量的影響

從圖8中可以看出當(dāng)增大上框架和平衡桿的質(zhì)量時(shí)會(huì)使受流質(zhì)量變差。另外，對(duì)拉桿和下臂桿進(jìn)行分析，可以得到同樣的結(jié)論。在滿足強(qiáng)度與剛度的前提下，最大限度減小受電弓框架各桿件的質(zhì)量，以改善弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)性能是受電弓設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用多體動(dòng)力學(xué)技術(shù)，借助多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK，以DSA380受電弓為例，對(duì)受電弓結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，得出如下結(jié)論：

（1）高速時(shí)，應(yīng)將上框架考慮為彈性體；

（2）受電弓結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性具有重要影響：增大弓頭和框架質(zhì)量會(huì)使弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性變差；阻尼器會(huì)改善弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性。

［1］ 馬果壘.委內(nèi)瑞拉鐵路DSA250弓網(wǎng)受流特性分析［J］.鐵道機(jī)車車輛，2012，32（2）：104-108.

［2］ Weihua Zhang，Yi Liu，Guiming Mei.Evaluation of the coupled dynamical response of a pantograph-catenary system：contact force and stresses［J］.Vehicle System Dynamics，2006，44（8）：645-658.

［3］ 張衛(wèi)華.機(jī)車車輛車輛動(dòng)態(tài)模擬［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.

［4］ 馬果壘.受電弓系統(tǒng)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2009.

［5］ 馬果壘，馬 君，等.基于多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的受電弓參數(shù)優(yōu)化［J］.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31（4）：15-21.

［6］ 張衛(wèi)華，黃 標(biāo)，梅桂明.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的高速弓網(wǎng)系統(tǒng)研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2005，27（4）：30-35.

［7］ 黃 標(biāo).基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2004.

［8］ 翟婉明，蔡成標(biāo).機(jī)車—軌道耦合振動(dòng)對(duì)受電弓—接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響［J］.鐵道學(xué)報(bào)，1998，20（1）：32-38.

Research on Structure Parameters of Pantograph Based on SIMPACK

MA Guolei，GAO Xiujun，SONG Yao
（CNR beijing CED Railway Electric Tech.Co.，Ltd.，Beijing 100176，China）

By using the multibody system dynamics technology and SIMPACK software，the simulation platform of the pantographcatenary coupling system was established in the design procedure of high-speed pantograph.Modal analysis of pantograph was researched，and the response of contact force and vibration of the pantograph-catenary system under different running speed was calculated.Research on pantograph-catenary system was to reach optimum design purpose of pantograph structure and suspension parameters，thus improve the current collecting quality，so it has a guidance meaning for the design of pantograph.Application of virtual prototyping in research on pantograph-catenary system accelerates the design speed，and reduces the design cost and shortens developing time of product.

pantograph；catenary；SIMPACK；locomotive vibration

U225.4

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.28

1008－7842（2014）01－0126－03

*國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2009BAG12A05）。

4—）男，工程師（

2013－08－18）