不同受電弓對剛性接觸網錨段關節的適應性研究

皋金龍

0 引言

隧道內剛性接觸網相比柔性接觸網具有一定優勢，其接觸線無張力，具有零部件少、載流量大、安全可靠、維修量小等優點，廣泛應用于地鐵隧道內[1]。在國內，廣州地鐵2號線首次采用剛性接觸網技術，經過多年技術積累，目前在北京地鐵大興機場線實現時速160 km的突破。隨著國內城軌交通線路運營速度的不斷提升，對剛性接觸網弓網動態性能要求越來越高，錨段關節是影響和制約弓網系統良好受流的關鍵區段，有必要對不同受電弓在高速通過錨段關節時的弓網動態性能進行研究。

目前，相關的文獻僅研究了某種受電弓在160 km/h及以下速度通過錨段關節時的弓網動態性能，尚未對不同型號受電弓高速通過錨段關節時的弓網動態性能進行研究[2～6]。本文利用有限元法建立3種型號受電弓與剛性接觸網的動力學模型，分析比較3種型號受電弓以160～220 km/h速度通過錨段關節時的弓網動態性能參數，為研發更高速度等級的受電弓與剛性接觸網系統提供技術參考。

1 模型建立

1.1 剛性接觸網仿真模型

剛性接觸網由匯流排、接觸線、懸掛與定位結構等組成，將接觸線夾持在匯流排中。在建模時將匯流排與接觸線作為一個整體考慮，采用歐拉梁等效。因匯流排與接觸線的密度相差較大，需要采用集中質量點在歐拉梁單元兩端補充密度差。懸掛與定位結構分為門式懸掛結構與懸臂式懸掛結構，兩種結構可等效為帶集中質量的彈簧[7，8]，但考慮到速度等級較高時該等效方式會存在較大誤差，故將實際模型簡化處理后進行建模。

本文以北京地鐵大興機場線為例，其機械分段采用平行交錯式錨段關節，相鄰剛性接觸網錨段幾何重疊構成錨段關節，重疊區域在空間上存在等高點，使受電弓平滑地從一個錨段過渡到另一個錨段。大興機場線錨段關節長度為6 m，匯流排終端懸臂長度1.5 m，翹起段長度1.0 m，匯流排端部翹起70 mm，平面布置如圖1所示。利用有限元法將剛性接觸網離散成若干個梁單元，建立2個錨段的剛性接觸網錨段關節仿真模型，如圖2所示。

圖1 平行交錯式錨段關節平面布置

圖2 平行交錯式錨段關節仿真模型

1.2 受電弓仿真模型

受電弓為雙四連桿機構，由弓頭、上框架、下臂桿、傳動系統與底架等組成。目前使用較多的受電弓模型是質量塊模型，三質量塊模型的仿真結果比二質量塊模型更準確[9]，故本文選取受電弓三質量塊模型進行弓網動態仿真，選取3種型號受電弓（DSA200、DSA250及DSA380）進行研究。

2 仿真結果分析

3種型號受電弓分別以速度160、180、200、220 km/h通過2個錨段，進行弓網仿真得到弓網接觸力。分別繪制3種型號受電弓在不同速度等級下的弓網接觸力曲線，如圖3所示（圖中橫坐標為里程/m，縱坐標為接觸力/N）。

圖3 3種型號受電弓以不同速度通過錨段關節時的弓網接觸力曲線

對比各速度等級的弓網接觸力曲線可以發現：3種型號受電弓的弓網接觸力隨著速度的增加波動劇烈，弓網接觸力在錨段關節處均波動很大且出現峰值；在220 km/h速度等級下，DSA250受電弓的弓網接觸力在全錨段整體波動劇烈，已不能體現錨段關節處的弓網接觸力波動特征值，表明受電弓與剛性接觸網之間受流質量較差，DSA250受電弓不適合在該速度等級下運行。

為分析比較3種型號受電弓與錨段關節的最佳適應性，對3種型號受電弓通過錨段關節區域的接觸力特征值進行統計，如表1—表4所示。

表1 160 km/h時錨段關節區域弓網接觸力特征值 N

表2 180 km/h時錨段關節區域弓網接觸力特征值 N

表3 200 km/h時錨段關節區域弓網接觸力特征值 N

表4 220 km/h時錨段關節區域弓網接觸力特征值 N

根據TB/T 3271對接觸力范圍的規定，接觸力值應在0～300 N范圍內。對比不同速度等級下的弓網接觸力特征值可知，各型號受電弓在錨段關節處的弓網接觸力最大值隨速度增大而增大，弓網接觸力最小值隨速度增大而減小，弓網接觸力最大值與最小值均處于TB/T 3271規定的接觸力范圍內。

根據標準EN 50367弓網動力相互作用參數的規定，0.3倍接觸力平均值減接觸力標準差的值應大于0，且該值越大，表明弓網接觸質量越好。故在200與220 km/h速度等級下，DSA200與DSA250受電弓都不能適應該錨段關節，雖然DSA380受電弓能夠適應該錨段關節，但弓網接觸質量較差。

接觸力標準差越小，表明接觸力集中程度越高，弓網系統接觸越良好，受流質量越高。將不同速度等級下3種型號受電弓在錨段關節的弓網接觸力標準差進行比較，如圖4所示。

由圖4可知：在160 km/h速度等級下，DSA250受電弓在錨段關節處的弓網接觸力標準差最小；在180 km/h速度等級下，DSA380受電弓在錨段關節處的弓網接觸力標準差最小；在200 km/h與220 km/h的速度等級下，DSA380受電弓在錨段關節處的弓網接觸力標準差最小。因此在速度等級為160 km/h時，DSA250受電弓與該錨段關節的適應性更好，在速度等級為180 km/h及以上時，DSA380受電弓與該錨段關節的適應性更好。

圖4 不同型號受電弓的錨段關節弓網接觸力標準差

3 結語

本文通過建立受電弓與剛性接觸網仿真模型，研究不同型號受電弓高速通過錨段關節的弓網動態性能，得到以下結論：

（1）受電弓通過錨段關節時，弓網接觸力出現劇烈波動，并出現峰值。受電弓通過錨段關節時的弓網接觸力最大值隨速度增大而增大，弓網接觸力最小值隨速度增大而減小。

（2）不同型號受電弓以不同速度等級通過錨段關節時會呈現出不同弓網接觸力特征。在速度等級為160與180 km/h時，DSA200、DSA250及DSA380 3種受電弓均能與錨段關節相匹配。通過分析比較接觸力標準差，在速度等級為160 km/h時，DSA250受電弓與錨段關節的適應性更好，在速度等級為180 km/h及以上時，DSA380受電弓與錨段關節的適應性更好。

（3）通過比較0.3倍接觸力平均值減接觸力標準差的值，得出在速度等級為200與220 km/h時，DSA200、DSA250兩種受電弓均不能與錨段關節相匹配，DSA380受電弓可與錨段關節相匹配，但弓網接觸質量不佳。