計(jì)及空氣阻尼的西蘭高鐵弓網(wǎng)動態(tài)耦合受電弓振動影響研究

邵寧寧

摘? ?要：西蘭高鐵運(yùn)行環(huán)境惡劣，受大風(fēng)影響嚴(yán)重，為保證弓網(wǎng)受流質(zhì)量，高速運(yùn)行下的受電弓和接觸網(wǎng)必須滿足動態(tài)耦合和動態(tài)穩(wěn)定性要求，才能防止在極端情況下出現(xiàn)弓網(wǎng)事故。本文基于空氣動力學(xué)，分析了計(jì)及空氣阻尼下西蘭高鐵DSA250受電弓的振動特性。首先，將受電弓歸算為三質(zhì)量塊模型，然后從數(shù)值計(jì)算理論出發(fā)，建立受電弓的空氣動力學(xué)模型，分析了不同橫風(fēng)作用下受電弓的弓頭和上下框架的受力情況，最后通過MATLAB軟件仿真，仿真分析計(jì)及空氣阻尼下，不同橫風(fēng)作用下受電弓的振動特性。

關(guān)鍵詞：空氣動力學(xué)? 接觸壓力? 三質(zhì)量塊模型? 空氣阻尼? 弓網(wǎng)耦合

中圖分類號：TP3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）12（a）-0121-03

弓網(wǎng)的動態(tài)受流質(zhì)量作為評估高速鐵路的關(guān)鍵指標(biāo)之一。本文以西蘭高鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，研究計(jì)及空氣阻尼的西蘭高鐵弓網(wǎng)動態(tài)耦合受電弓的振動特性。

1? 西蘭高鐵弓網(wǎng)耦合建模

1.1 受電弓建模

西蘭高鐵動車組所使用的受電弓是DSA250單臂受電弓，簡化受電弓結(jié)構(gòu)，對受電弓結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性化處理。本文采用由剛性彈簧連接的阻尼三質(zhì)量塊模型。圖1所示的是受電弓等效原理圖，通過歸算質(zhì)量法將弓頭、框架、各個(gè)構(gòu)件的轉(zhuǎn)動慣量和質(zhì)量等效為三質(zhì)量塊模型[1]。

1.2 弓網(wǎng)耦合建模

根據(jù)前面西蘭高鐵DSA250三質(zhì)量塊受電弓模型，受電弓通過剛度為KS的彈簧耦合在一起，最終建立弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)模型，如圖2所示。承力索和接觸線的垂向位移分別為

2? 計(jì)及空氣阻尼的弓網(wǎng)耦合受電弓振動分析

2.1 計(jì)及空氣阻尼的接觸網(wǎng)動力學(xué)方程修正

在風(fēng)載荷作用下，接觸網(wǎng)受到恒定氣動力，接觸線微幅振動將引起攻角改變，從而在接觸網(wǎng)產(chǎn)生阻尼效應(yīng)。在空氣阻尼下，接觸網(wǎng)微分方程建立需考慮攻的影響，圖4為接觸線受力示意圖[2]。

2.2 計(jì)及空氣阻尼的受電弓動力學(xué)模型

高速運(yùn)行的受電弓會對相對靜止的空氣產(chǎn)生沖擊，向四周流動的氣流在受電弓部分部件會產(chǎn)生氣動升力并伴隨部分氣動阻力，圖5是受電弓在運(yùn)行過程中氣動升力和氣動阻力的示意圖。通過線路試驗(yàn)證明，受電弓弓頭上受到的氣動阻力約為75%～80%，框架上受到的氣動阻力約為20%～25%，兩個(gè)運(yùn)行方向的氣動阻力基本一致[3]。

本文引入空氣動力學(xué)理論，將流體視為連續(xù)介質(zhì)，受電弓空氣動力學(xué)的問題可以通過建立連續(xù)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型來幫助求解，引入速度勢與流函數(shù)，受電弓處于不可壓縮流場中的歐拉方程為

3? 橫風(fēng)作用下的弓網(wǎng)動態(tài)耦合分析

3.1 受電弓氣動力的數(shù)值計(jì)算

研究橫風(fēng)作用下西蘭高鐵的弓網(wǎng)垂向振動特性，主要包括風(fēng)載荷對接觸網(wǎng)的影響和對受電弓的影響，本文通過改變受電弓三質(zhì)量塊所受抬升力和接觸網(wǎng)的阻尼矩陣來研究弓網(wǎng)系統(tǒng)垂向振動特性。機(jī)車運(yùn)行速度為250km/h時(shí)，橫風(fēng)速度為5m/s、15m/s和25m/s時(shí)受電弓的氣動升力如表2所示。

由表2可以看出，機(jī)車運(yùn)行速度為250km/h時(shí)，隨著橫風(fēng)速度的增大，受電弓的氣動升力顯著變大，與無風(fēng)相相比，橫風(fēng)使受電弓的受力更加復(fù)雜。

接觸網(wǎng)在橫風(fēng)作用下的空氣阻尼如表3所示。

由表3可以看出，在橫風(fēng)作用下承力索和接觸線的空氣阻尼很小，當(dāng)橫風(fēng)風(fēng)速為25m/s時(shí)，承力索空氣阻尼為0.1825，而接觸線空氣阻尼為0.0816。

3.2 計(jì)及空氣阻尼的弓網(wǎng)動態(tài)耦合仿真分析

機(jī)車運(yùn)行速度為250km/h時(shí)，將不同風(fēng)速下的空氣阻尼和受電弓的升力代入所建立的動力學(xué)方程，通過仿真得到不同風(fēng)速下弓網(wǎng)接觸壓力的仿真圖。

4? 結(jié)語

本文分析了計(jì)及空氣阻尼下西蘭高鐵DSA250受電弓的振動特性。首先建立弓網(wǎng)動態(tài)耦合模型，然后從數(shù)值計(jì)算理論出發(fā)，建立受電弓的空氣動力學(xué)模型，最后通過MATLAB軟件仿真，分析計(jì)及空氣阻尼下，不同橫風(fēng)作用下受電弓的振動特性。具體結(jié)論如下。

（1）在空氣阻尼作用下，分析不同風(fēng)載荷在接觸網(wǎng)上的阻尼，并對接觸網(wǎng)動力學(xué)方程重新修正。通過流體力學(xué)和空氣動力學(xué)的知識，采用數(shù)值計(jì)算法得到受電弓在不同風(fēng)速下受電弓的弓頭和上下框架的氣動抬升力，從而進(jìn)一步修正弓網(wǎng)耦合模型。

（2）在空氣阻尼作用下，不同橫風(fēng)U作用于弓網(wǎng)系統(tǒng)， 弓網(wǎng)的接觸壓力和受電弓抬升量以跨距為單位周期性的變化。隨著橫風(fēng)U的增大，受電弓抬升量的最大值和平均值增加，說明弓網(wǎng)之間的磨損加劇。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓南南.基于接觸網(wǎng)動力學(xué)參數(shù)變化的弓網(wǎng)系統(tǒng)振動特性研究[D].上海工程技術(shù)大學(xué)，2016.

[2] 劉志剛，韓志偉，侯運(yùn)昌，等.計(jì)及空氣阻尼影響的接觸線波動速度修正研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2013，35（1）： 41-45.

[3] 吳積欽.受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.