一種城軌列車降弓緩沖裝置的設計與仿真分析

季俊辰，丁偉華，梁瑞汀，孫發(fā)煒，王秋懿

(廣州城市理工學院，廣東 廣州 510800)

0 引言

當前多數(shù)城軌地鐵車輛上采用的是氣動驅動受電弓，采用一個含有壓縮降弓彈簧的氣缸和一組升弓拉伸彈簧來控制受電弓的升降[1]。氣囊式受電弓氣囊充氣時升弓，無氣時靠自重降弓。在降弓過程中，由于速度過快，在落座時會存在較大的沖擊和噪音，引起相關部件疲勞失效、壽命下降等問題。研制一種城軌列車降弓緩沖裝置可解決此類問題。

1 單臂受電弓結構與工作原理

1.1 受電弓結構組成

受電弓可分單臂弓和雙臂弓2種，均由滑板、上框架、下臂桿(雙臂弓用下框架)、底架、升弓彈簧、傳動氣缸、支持絕緣子等部件組成。近年來，單臂受電弓應用廣泛，其結構示意圖如圖1所示。

1—接觸網(wǎng)；2—滑板；3—支架；4—上臂桿；5—導桿；6—下臂桿；7—連桿；8—推桿；9—傳動氣缸；10—活塞；11—電磁閥。

1.2 受電弓升降弓工作原理

受電弓的升弓是由氣動力驅動的，壓縮空氣通過電控閥均勻進入傳動氣缸，氣缸活塞壓縮氣缸內的降弓彈簧，此時升弓彈簧使下臂桿轉動，抬起上框架和滑板，受電弓勻速上升，在接近接觸線時緩慢停滯，然后迅速接觸接觸線。在接觸導線高度允許變化范圍內升弓時滑板離開底架要快且接觸導線要慢以防發(fā)生彈跳。

當受電弓接收到司機室傳來的降弓信號時，快速降弓閥開始迅速向外排氣，受電弓氣囊中的氣體通過快速降弓閥排向大氣，受電弓氣囊的氣壓下降，受電弓靠自身重力向下運動開始完成自動降弓的過程。由此可以看出，受電弓的降弓速度主要取決于受電弓氣囊中的壓力和受電弓本身的質量。

1.3 受電弓降弓性能要求

為防止受電弓在降弓的過程中速度快，對車體底架造成很大的機械沖擊，因此受電弓在降弓時滑板脫離導線要快，落在底架上要慢即速度要先快后慢，以緩和降低它對底架的機械沖擊以及噪音。

2 降弓緩沖裝置的設計與原理

為降低受電弓降弓過程中底架和碳滑板的沖擊，設計了降弓緩沖裝置，其外觀與結構示意圖如圖2所示。

圖2 電磁緩沖器結構示意圖

該裝置利用永磁材料或電磁鐵的磁力作用實現(xiàn)力的非接觸傳遞。利用磁場同性相斥、異性相吸的原理，產(chǎn)生與氣缸活塞運動方向相反的力來實現(xiàn)緩沖，工作原理如圖3所示。其電磁力的大小通過改變電磁螺管線圈的電流大小來進行改變，通過改變電磁螺管線圈中電流的方向改變電磁力方向[1]。

圖3 電磁緩沖原理示意圖

其中磁感應強度(真實磁場的強弱)大小為：

(1)

則電磁力大小為：

(2)

式中，?為通過線圈的磁通量，s為電磁緩沖機構活塞的面積，I(t)為電磁緩沖器的控制電流。在具體仿真實驗時，可通過調節(jié)電流讓電磁力保持常數(shù)或者按一定規(guī)律穩(wěn)定變化。

假設在活塞上加裝的永磁體磁場極性確定為靠近氣缸底部一端為N極，當受電弓降下時，活塞向氣缸底部移動，在氣缸底部的電磁螺旋管線圈中通入電流，使其產(chǎn)生的磁場極性靠近活塞一端為N極，根據(jù)磁性同性相斥的原理，此時活塞會受到與其運動方向相反的電磁力作用而平穩(wěn)停止運動，以達到降低活塞與氣缸相對運動加速度，緩和受電弓落座沖擊的目的。

3 受電弓降弓過程建模

3.1 建立氣囊的壓力模型

通過相關資料可以得知，在剛開始1～2 s的時間里氣囊壓力并沒有明顯下降。當快速降弓閥的ADD膜板開始動作時，受電弓的弓頭會立刻彈出接觸網(wǎng)的受流范圍，在1 s時間內氣囊的壓力就會從335 kMa降到110 kMa。后續(xù)的氣囊會以一種比較均勻的速度向外排出氣囊中的氣體以完成降弓的過程[2]。建立受電弓的氣囊壓力模型p(t)表達式為：

(3)

式中：p(t)為氣囊壓力kPa，t為時間，s。

3.2 受電弓降弓過程

受電弓在降弓過程中主要受到了自身重力、氣囊內氣體壓力、電磁緩沖器的電磁阻力和氣缸內壁與活塞的摩擦力(較小，忽略不計)的共同作用完成降弓的過程。

利用牛頓第二定律，建立氣缸活塞加速度，速度表達式為：

a(t)m=F′-p(t)×s-F

(4)

v(t)m=t(F′-p(t)s-F)

(5)

式中：F′為連桿作用力，N，F(xiàn)是指施加在受電弓活塞上的電磁阻力，N；m為受電弓活塞上的質量，mg，g是指重力常數(shù)，p(t)為氣囊壓力，kPa，s為受電弓的活塞面積m2。

根據(jù)文獻[3]研究結論，受電弓降弓運動過程運動分析簡圖如圖4所示，在L為0.5～2.0 m，有如下關系：

圖4 受電弓計算簡圖

α=20L+0.58

(6)

β=17.80L-3.183

(7)

γ=14L+0.275

(8)

受電弓各組成部分的動能分別為：

(9)

(10)

(11)

x=L2cosβ-hcosγ

(12)

y=L2sinβ+hsinγ

(13)

(14)

在整個受電弓降弓運行過程整個，遵循能量守恒定律，則有：

T1+T2+T3=me·g·Z-WF′

(15)

其中，Z為框架移動豎直位移，為：

(16)

其中，L0為推桿下絞與下臂桿下絞的垂直距離。則：

(17)

4 仿真分析

以某型號單臂受電弓為例，受電弓總質量為120 kg，除去支架后的質量為50 kg，重力參數(shù)為9.8 N/kg，受電弓活塞直徑為12 cm。

常規(guī)受電弓降弓過程中，由于開頭的2 s氣囊壓力沒有明顯變化，活塞(受電弓)速度、加速度為0。當氣囊壓力產(chǎn)生明顯變化后，活塞(受電弓)速度逐漸加大，其變化規(guī)律通過加速度曲線呈現(xiàn)，可以看出是先快速增大，達到最大值后逐漸迅速降低，在8 s時加速度降為0，速度值達到最大。很顯然，受電弓加速沖向弓座，會產(chǎn)生很大的沖擊作用力，引起弓座振動和撞擊噪音。

引入電磁緩沖器后，針對電磁緩沖器的緩沖力，輸入3種不同的控制電流，控制緩沖器產(chǎn)生3種不同規(guī)律的作用力。第一種是勻速增大到600 N的方式；第二種保持600 N恒力作用；第三種是從600 N勻速減小。得到的3種不同控制規(guī)律下的受電弓降弓角速度、角加速度曲線圖，如圖5、圖6所示。

圖5 采用緩沖器后不同控制規(guī)律下的降弓速度圖

圖6 采用緩沖器后不同控制規(guī)律下的降弓加速度圖

3種控制規(guī)律下均在降弓5 s開始施加電磁緩沖作用力。圖中實線代表緩沖作用力為恒力，點劃線代表線性遞減緩沖力，長虛線代表電磁緩沖作用力線性增大。從圖中可以看出，當施加電磁緩沖力以后，無論采用哪種控制策略，受電弓降弓速度最后都能快速衰減到零，說明緩沖裝置起到減少剛性沖擊的目的。從不同控制規(guī)律加速度圖看，沒有施加緩沖力前，這個降速程度保持一致，但施加緩沖力后，由于緩沖力的大小變化規(guī)律不同，逐漸遞減的緩沖力對降速產(chǎn)生明顯的影響，在接近落弓時間極限(8 s)時，其加速度亦接近0，此時速度、加速度均為0，意味著受電弓落弓既沒有剛性沖擊，也沒有柔性沖擊，當然也不會產(chǎn)生噪音，是一種理想的減震降噪控制策略。

5 結語

本文在研究了受電弓的結構和運動原理的基礎上，設置了一個利用電磁作用力產(chǎn)生落弓緩沖作用力的裝置。通過數(shù)學建模和實驗仿真分析驗證表明，引入該裝置后，通過合理控制緩沖力作用規(guī)律，可以使受電弓落座時既沒有剛性沖擊，也沒有柔性沖擊，從而降低受電弓落座時對弓座造成的沖擊和振動，有效降低噪音，延長受電弓零部件的有效壽命。