HXD3型電力機車弓網接觸力動態特性分析

鄭州鐵路職業技術學院　張瓊潔　張鐵竹

在電力機車弓網系統中，高壓接觸網通過受電弓將電能傳遞給機車。隨著鐵路高速、重載化發展，列車行駛過程中受到接觸網線和軌道的激勵都會增大，從而引發受電弓振動增加導致弓網壓力變化，導致受流質量降低，從而影響列車的運行安全。因此，通過分析接觸網的動力學性能和結構參數，研究監測接觸網與受電弓之間接觸壓力的動態變化，可以對列車的弓網狀態進行有效的準確監控，降低弓網故障的發生概率，從而保證列車的完全運行。本文以鄭州機務段HXD3型電力機車弓網動態系統為研究對象，在實際運行大數據基礎上建立弓網模型，最后通過仿真分析，得到弓網壓力的仿真數值與圖形，為維持正確的弓網關系，減少弓網接觸故障提供了理論依據。

表1　DSA200型受電弓主要技術參數

1.HXD3型電力機車DSA200型受電弓動力學分析

1.1　DSA200型受電弓介紹

HXD3型電力機車采用DSA200型單臂受電弓，該受電弓由大同電力機車有限公司引進德國的生產技術并國產化的產品。其主要優點跟隨性好，受流質量穩定，是目前國內新造機車的首選型號，適用于設計速度200KM/h的各種電力機車及動車組。其主要技術參數如表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行能量傳輸，因此在單牽引以及多牽引時滑板可以獲得較高的運行效率。結構主要由底架、阻尼器、升弓裝置、下臂、弓裝配、下導桿、上臂、上導桿、弓頭、滑板、及升弓氣源控制閥板等機構組成，如圖1所示[1]：

圖1　DSA200型受電弓結構

圖2　受電弓和接觸網垂向耦合動力學模型

1.2　弓網動態受力模型分析

接觸網和受電弓的弓網模型關系在機車動態運行的受流過程中起到至關重要的作用，因此保證弓網之間持續性的可靠接觸是保證良好受流質量的前提。在機車動態運行過程中，受電弓和接觸網的關系可看做是兩個獨立接觸點上相互震動和耦合的系統。建立合理的弓網接觸動力學模型才能更好的分析弓網關系，實現對弓網接觸力的實時監測。該模型的建立是通過接觸壓力和接觸點的位置，建立受電弓和接觸網之間的動態耦合。通過進一步動態模擬確定受電弓滑板作用在接觸網上的動態接觸力與時間的非線性特性，從而實現對弓網接觸力的實時監測[2]。將接觸網和受電弓線性化建立的弓網垂向耦合動力學模型如圖2所示。

接觸懸掛是一個復雜的非線性受力系統，忽略接觸網的橫向振動對弓網接觸的影響，建立動力學平衡方程通式為[3]：分別為力矩陣、廣義位移矩陣、速度矩陣、加速度矩陣、質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣。

2.弓網接觸壓力檢測系統

根據DSA200型受電弓的結構特點，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接觸壓力，采用加速度傳感器和壓力傳感器相結合的方法來檢測弓網接觸壓力。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接觸力之間的關系。由于弓網動接觸動態變化，不同時刻弓網接觸位置不同，因此不能只對單一位置進行測量。在機車運行時受電弓的弓頭做三維運動，即橫向擺動、機車運行方向、垂直方向。弓網沖擊力隨機車速度的增大而增大。為準確檢測弓網接觸壓力，傳感器安裝位置如圖3所示，當接觸網同受電弓滑板接觸，兩個傳感器同時動作，感應相應的量值。

圖3　弓網壓力檢測系統示意圖

接觸線的高度變化、懸掛特性、線路狀態、機車運行速度等因素直接影響著受電弓與接觸線之間的動態接觸壓力。在電力機車運行速度較高時，受電弓的高度不斷發生變化，將產生很大的慣性力Fa、加于受電弓上的空氣動力Fk以及受電弓自身結構產生的摩擦力Fm。在各種不同力的作用下受電弓的動態受力與靜態受力有較大差異。根據受力分析，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，根據力的正交解法，任何方向的接觸壓力都可以分解為兩個互相垂直的力。一個力與滑板面垂直，是衡量受流質量和檢測的重要指標；另一個力與機車的運行方向一致，由電力機車的牽引動力克服。因此弓網動態接觸壓力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

根據弓網動態耦合模型，通過數值積分法得出弓網系統的耦合運動微分方程，對弓網動態接觸力進行仿真，結果如圖4[4]：

圖4　機車速度在120km/h與200km/h下的接觸壓力

通過對弓網壓力的計算仿真得到弓網系統運行數據參數，為確保弓網安全提供理論依據。同傳感器檢測的實時弓網壓力數據想對比，能夠快速、準確地反映弓網運行狀態，及時發現弓網故障隱患，指導機車乘務員實時進行弓網維護和調整，確保安全運行。

4.結束語

本文建立鐵路接觸網和DSA200受電弓動態系統的非線性耦合模型，并根據該模型對弓網接觸壓力進行動態仿真。同時對機車實時運行過程中的弓網狀態進行運動受力分析，闡述了采用力傳感器進行弓網動態壓力檢測的方法。通過仿真分析得出機車速度與弓網接觸力變化規律，從而驗證了弓網檢測系統設計的實用性。

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

[2]李福亮,白彥峰.電力機車受電弓監控系統中可靠性的設計[J].河北經貿大學學報,2004(4).

[3]汪媛.基于有限元的弓網動態性能分析[J].工業控制計算機,2014(4).

[4]張健,陳維榮.受電弓接觸網動態監測系統[J].鐵道運營技術,2008(1).