HXD3型電力機(jī)車弓網(wǎng)接觸力動態(tài)特性分析

鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院　張瓊潔　張鐵竹

在電力機(jī)車弓網(wǎng)系統(tǒng)中，高壓接觸網(wǎng)通過受電弓將電能傳遞給機(jī)車。隨著鐵路高速、重載化發(fā)展，列車行駛過程中受到接觸網(wǎng)線和軌道的激勵(lì)都會增大，從而引發(fā)受電弓振動增加導(dǎo)致弓網(wǎng)壓力變化，導(dǎo)致受流質(zhì)量降低，從而影響列車的運(yùn)行安全。因此，通過分析接觸網(wǎng)的動力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究監(jiān)測接觸網(wǎng)與受電弓之間接觸壓力的動態(tài)變化，可以對列車的弓網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行有效的準(zhǔn)確監(jiān)控，降低弓網(wǎng)故障的發(fā)生概率，從而保證列車的完全運(yùn)行。本文以鄭州機(jī)務(wù)段HXD3型電力機(jī)車弓網(wǎng)動態(tài)系統(tǒng)為研究對象，在實(shí)際運(yùn)行大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立弓網(wǎng)模型，最后通過仿真分析，得到弓網(wǎng)壓力的仿真數(shù)值與圖形，為維持正確的弓網(wǎng)關(guān)系，減少弓網(wǎng)接觸故障提供了理論依據(jù)。

表1　DSA200型受電弓主要技術(shù)參數(shù)

1.HXD3型電力機(jī)車DSA200型受電弓動力學(xué)分析

1.1　DSA200型受電弓介紹

HXD3型電力機(jī)車采用DSA200型單臂受電弓，該受電弓由大同電力機(jī)車有限公司引進(jìn)德國的生產(chǎn)技術(shù)并國產(chǎn)化的產(chǎn)品。其主要優(yōu)點(diǎn)跟隨性好，受流質(zhì)量穩(wěn)定，是目前國內(nèi)新造機(jī)車的首選型號，適用于設(shè)計(jì)速度200KM/h的各種電力機(jī)車及動車組。其主要技術(shù)參數(shù)如表1：

DSA200型受電弓具有在較小的氣動阻力且氣動特性在不同氣流條件下保持不變，在低觸電壓力情況下以少量的電弧進(jìn)行能量傳輸，因此在單牽引以及多牽引時(shí)滑板可以獲得較高的運(yùn)行效率。結(jié)構(gòu)主要由底架、阻尼器、升弓裝置、下臂、弓裝配、下導(dǎo)桿、上臂、上導(dǎo)桿、弓頭、滑板、及升弓氣源控制閥板等機(jī)構(gòu)組成，如圖1所示[1]：

圖1　DSA200型受電弓結(jié)構(gòu)

圖2　受電弓和接觸網(wǎng)垂向耦合動力學(xué)模型

1.2　弓網(wǎng)動態(tài)受力模型分析

接觸網(wǎng)和受電弓的弓網(wǎng)模型關(guān)系在機(jī)車動態(tài)運(yùn)行的受流過程中起到至關(guān)重要的作用，因此保證弓網(wǎng)之間持續(xù)性的可靠接觸是保證良好受流質(zhì)量的前提。在機(jī)車動態(tài)運(yùn)行過程中，受電弓和接觸網(wǎng)的關(guān)系可看做是兩個(gè)獨(dú)立接觸點(diǎn)上相互震動和耦合的系統(tǒng)。建立合理的弓網(wǎng)接觸動力學(xué)模型才能更好的分析弓網(wǎng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對弓網(wǎng)接觸力的實(shí)時(shí)監(jiān)測。該模型的建立是通過接觸壓力和接觸點(diǎn)的位置，建立受電弓和接觸網(wǎng)之間的動態(tài)耦合。通過進(jìn)一步動態(tài)模擬確定受電弓滑板作用在接觸網(wǎng)上的動態(tài)接觸力與時(shí)間的非線性特性，從而實(shí)現(xiàn)對弓網(wǎng)接觸力的實(shí)時(shí)監(jiān)測[2]。將接觸網(wǎng)和受電弓線性化建立的弓網(wǎng)垂向耦合動力學(xué)模型如圖2所示。

接觸懸掛是一個(gè)復(fù)雜的非線性受力系統(tǒng)，忽略接觸網(wǎng)的橫向振動對弓網(wǎng)接觸的影響，建立動力學(xué)平衡方程通式為[3]：分別為力矩陣、廣義位移矩陣、速度矩陣、加速度矩陣、質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣。

2.弓網(wǎng)接觸壓力檢測系統(tǒng)

根據(jù)DSA200型受電弓的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在受電弓支持裝置上加裝傳感器檢測裝置。本文研究主要檢測弓網(wǎng)接觸壓力，采用加速度傳感器和壓力傳感器相結(jié)合的方法來檢測弓網(wǎng)接觸壓力。并通過受電弓振動特性抬升量得出傳感器輸出信號同弓網(wǎng)接觸力之間的關(guān)系。由于弓網(wǎng)動接觸動態(tài)變化，不同時(shí)刻弓網(wǎng)接觸位置不同，因此不能只對單一位置進(jìn)行測量。在機(jī)車運(yùn)行時(shí)受電弓的弓頭做三維運(yùn)動，即橫向擺動、機(jī)車運(yùn)行方向、垂直方向。弓網(wǎng)沖擊力隨機(jī)車速度的增大而增大。為準(zhǔn)確檢測弓網(wǎng)接觸壓力，傳感器安裝位置如圖3所示，當(dāng)接觸網(wǎng)同受電弓滑板接觸，兩個(gè)傳感器同時(shí)動作，感應(yīng)相應(yīng)的量值。

圖3　弓網(wǎng)壓力檢測系統(tǒng)示意圖

接觸線的高度變化、懸掛特性、線路狀態(tài)、機(jī)車運(yùn)行速度等因素直接影響著受電弓與接觸線之間的動態(tài)接觸壓力。在電力機(jī)車運(yùn)行速度較高時(shí)，受電弓的高度不斷發(fā)生變化，將產(chǎn)生很大的慣性力Fa、加于受電弓上的空氣動力Fk以及受電弓自身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦力Fm。在各種不同力的作用下受電弓的動態(tài)受力與靜態(tài)受力有較大差異。根據(jù)受力分析，不論是受電弓壓力作用位置不斷變化，還是力的方向不斷變化，根據(jù)力的正交解法，任何方向的接觸壓力都可以分解為兩個(gè)互相垂直的力。一個(gè)力與滑板面垂直，是衡量受流質(zhì)量和檢測的重要指標(biāo)；另一個(gè)力與機(jī)車的運(yùn)行方向一致，由電力機(jī)車的牽引動力克服。因此弓網(wǎng)動態(tài)接觸壓力F可表示為：

式中：

Fo——受電弓的靜抬升力（N）

Fm——受電弓鉸接處的摩擦力（N）

Fa——受電弓壓力的動力分量，由其歸算質(zhì)量及垂直加速度決定（N）

Fk——受電弓壓力的空氣動力分量（N）

3.仿真分析

根據(jù)弓網(wǎng)動態(tài)耦合模型，通過數(shù)值積分法得出弓網(wǎng)系統(tǒng)的耦合運(yùn)動微分方程，對弓網(wǎng)動態(tài)接觸力進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4[4]：

圖4　機(jī)車速度在120km/h與200km/h下的接觸壓力

通過對弓網(wǎng)壓力的計(jì)算仿真得到弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)，為確保弓網(wǎng)安全提供理論依據(jù)。同傳感器檢測的實(shí)時(shí)弓網(wǎng)壓力數(shù)據(jù)想對比，能夠快速、準(zhǔn)確地反映弓網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)故障隱患，指導(dǎo)機(jī)車乘務(wù)員實(shí)時(shí)進(jìn)行弓網(wǎng)維護(hù)和調(diào)整，確保安全運(yùn)行。

4.結(jié)束語

本文建立鐵路接觸網(wǎng)和DSA200受電弓動態(tài)系統(tǒng)的非線性耦合模型，并根據(jù)該模型對弓網(wǎng)接觸壓力進(jìn)行動態(tài)仿真。同時(shí)對機(jī)車實(shí)時(shí)運(yùn)行過程中的弓網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動受力分析，闡述了采用力傳感器進(jìn)行弓網(wǎng)動態(tài)壓力檢測的方法。通過仿真分析得出機(jī)車速度與弓網(wǎng)接觸力變化規(guī)律，從而驗(yàn)證了弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

[1]義民,高越.DSA200受電弓可靠性及可靠性靈敏度分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2016(9).

[2]李福亮,白彥峰.電力機(jī)車受電弓監(jiān)控系統(tǒng)中可靠性的設(shè)計(jì)[J].河北經(jīng)貿(mào)大學(xué)學(xué)報(bào),2004(4).

[3]汪媛.基于有限元的弓網(wǎng)動態(tài)性能分析[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2014(4).

[4]張健,陳維榮.受電弓接觸網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[J].鐵道運(yùn)營技術(shù),2008(1).