基于msc-mark的受電弓-接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)振動(dòng)仿真研究

基于msc-mark的受電弓-接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)振動(dòng)仿真研究

高速通信系統(tǒng)需要通過中斷電氣和機(jī)械接觸向商用車供電，以避免電壓和功率損失。射箭網(wǎng)絡(luò)的分布是限制高速行駛汽車的重要因素。弓網(wǎng)相互作用的評價(jià)基于受電弓和接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案及大量參數(shù),評價(jià)弓網(wǎng)振動(dòng)特性需要通過仿真計(jì)算和線路試驗(yàn)來確定其客觀標(biāo)準(zhǔn)。因受實(shí)物試驗(yàn)和試運(yùn)行的限制,計(jì)算機(jī)仿真方法是模擬兩者相互作用的一條捷徑,有助于開發(fā)新系統(tǒng)并提高性能指標(biāo)。在接觸網(wǎng)-受電弓接觸特性理論研究的基礎(chǔ)上,模擬方法和新的測量方法已經(jīng)有所進(jìn)展和發(fā)現(xiàn)。文獻(xiàn)分別建立了接觸網(wǎng)、受電弓的三維模型,采用MSC/DYTRAN軟件仿真弓網(wǎng)的動(dòng)態(tài)相互作用,并對弓網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行靈敏度分析,其仿真結(jié)果與線路試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果相吻合。文獻(xiàn)采用有限元方法建立了弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流仿真模型,采用紐馬克法對動(dòng)態(tài)受流進(jìn)行了數(shù)值仿真。文獻(xiàn)從提高接觸網(wǎng)彈性均勻分布入手,提出改善弓網(wǎng)系統(tǒng)受流的一些措施。文獻(xiàn)分別建立了受電弓-接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)相互作用模型,從機(jī)車-軌道系統(tǒng)、弓網(wǎng)垂向耦合振動(dòng)等方面對弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)建立了從軌道、機(jī)車、受電弓到接觸網(wǎng)的三維仿真模型,應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)研究弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)受流特性。文獻(xiàn)研究了高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)的懸掛型式及相關(guān)參數(shù),對影響動(dòng)態(tài)受流特性進(jìn)行了理論探討及分析。以上對受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)的研究都是將其分成獨(dú)立的子系統(tǒng)進(jìn)行仿真,利用MSC-Marc軟件將弓網(wǎng)視為耦合系統(tǒng),兩者通過接觸耦合,建立弓網(wǎng)耦合有限元模型來進(jìn)行研究。本文對我國京津城際鐵路進(jìn)行弓網(wǎng)系統(tǒng)的仿真,從而對我國高速鐵路的受電弓-接觸網(wǎng)振動(dòng)特性進(jìn)行分析。本研究可為弓網(wǎng)受流性能的評價(jià)和受電弓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供參考。1受電弓與接觸網(wǎng)的振動(dòng)特性良好的弓網(wǎng)受流要求電網(wǎng)向動(dòng)車提供不間斷的電流。但由于弓網(wǎng)的劇烈震動(dòng),兩者之間不能保證穩(wěn)定的接觸,甚至?xí)撾x。為獲得受電弓與接觸網(wǎng)之間的匹配,就要對其振動(dòng)特性進(jìn)行研究。本文中弓網(wǎng)作用屬于考慮接觸的非線性動(dòng)力學(xué)問題。圖1為采用Marc軟件建立的受電弓-接觸網(wǎng)耦合模型。為更好地研究弓網(wǎng)相互作用關(guān)系,要求弓網(wǎng)模型中的參數(shù)可任意改變,以達(dá)到參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)。另外兩個(gè)模型的參數(shù)需要密切配合,否則會(huì)產(chǎn)生不正確的結(jié)果。1.1錨段接觸網(wǎng)建模接觸網(wǎng)系統(tǒng)是由承力索懸掛起、通過吊弦將接觸線連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。列車高速運(yùn)行時(shí),線路或接觸網(wǎng)系統(tǒng)的不平順會(huì)引起弓網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)振動(dòng)性能的劇烈變化,直接影響弓網(wǎng)受流性能。接觸網(wǎng)有限元模型采用歐拉-伯努利梁來模擬,其中接觸線方程為mc?2uc?t2+?2?x2(EIc?2uc?x2)???x(Tc?um?x)+kd(um?uc)δ(x?xn)=Pδ(x?Vt)(1)mc?2uc?t2+?2?x2(EΙc?2uc?x2)-??x(Τc?um?x)+kd(um-uc)δ(x-xn)=Ρδ(x-Vt)(1)式中,mc代表接觸線單位質(zhì)量;EIc代表接觸線抗彎剛度;Tc代表接觸線張力;kd是吊弦剛度,表示接觸線與吊弦連接處的力;δ是沖擊函數(shù);P是受電弓對接觸網(wǎng)的接觸壓力;uc表示接觸線位移;um為承力索位移;xn為吊弦離運(yùn)動(dòng)點(diǎn)處距離;x為運(yùn)動(dòng)點(diǎn)處位置;t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間;V為列車運(yùn)行速度。承力索方程為mm?2um?t2+?2?x2(EIm?2um?x2)???x(Tm?um?x)+kd(um?uc)δ(x?xn)+ksum(x?xs)=0(2)mm?2um?t2+?2?x2(EΙm?2um?x2)-??x(Τm?um?x)+kd(um-uc)δ(x-xn)+ksum(x-xs)=0(2)式中,mm代表承力索單位質(zhì)量;EIm代表承力索抗彎剛度;Tm分別代表承力索張力;ks表示支持裝置等效剛度;x為支柱處位移;xs為支柱點(diǎn)處到運(yùn)動(dòng)點(diǎn)處距離。利用Marc軟件建立一個(gè)錨段接觸網(wǎng)模型,如圖2所示。接觸網(wǎng)模型中,將接觸線、承力索以及吊弦的重量施加在已劃分的有限單元上。利用邊界條件將承力索及接觸線的張力也分別施加在有限單元上。模型中用支柱的位移代替腕臂的移動(dòng),可通過邊界條件實(shí)現(xiàn)。1.2受電弓質(zhì)量的加載受電弓安裝在動(dòng)車頂部,由下框架、上框架、弓頭、滑板、上升或下降彈簧及阻尼器組成。圖3為利用Marc軟件建立的受電弓有限元模型。本文將受電弓質(zhì)量加載在劃分的有限單元上。弓頭和滑板處及上下框架連接處通過鉸鏈和非線性彈簧連接。非線性彈簧約束了相對旋轉(zhuǎn),但未約束垂直、水平方向的運(yùn)動(dòng)。模型考慮了滑板和弓頭處的高頻振動(dòng)以及上框架與下框架有角度的運(yùn)動(dòng)。在升弓彈簧處施加了靜態(tài)抬升力的邊界條件,對弓頭滑板處的運(yùn)動(dòng)位移也通過邊界條件進(jìn)行限制。因此受電弓模型是非線性的。模型建立后,給定了受電弓初始運(yùn)行速度。1.3受電弓接觸檢測接觸網(wǎng)和受電弓兩個(gè)模型之間通過接觸耦合為整體模型,摩擦力也是造成弓網(wǎng)相互作用的非線性因素。接觸線和受電弓滑板分別是彈性接觸體和剛性接觸體。邊界條件選擇為梁-梁接觸,接觸半徑依靠接觸檢測得到。仿真過程分為3種載荷工況:(1)施加接觸線和承力索張力后線索伸長,19個(gè)支柱中的18個(gè)可以在受電弓運(yùn)行方向自由移動(dòng),重力加到所有的接觸網(wǎng)-受電弓單元上,各單元受力平衡后,接觸線導(dǎo)線不平順達(dá)10mm左右。(2)受電弓在恒定抬升力的作用下上升與接觸網(wǎng)接觸。弓頭的旋轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)方向和位移都通過邊界條件進(jìn)行約束,支柱在這個(gè)工況下固定。(3)受電弓運(yùn)動(dòng)了一個(gè)錨段的距離,弓頭的旋轉(zhuǎn)不再受到約束。2計(jì)算表1為弓網(wǎng)仿真模型中接觸網(wǎng)的計(jì)算條件,表2為受電弓的計(jì)算參數(shù)。2.1受電弓經(jīng)過下的動(dòng)態(tài)升降量接觸線因架設(shè)及跨距影響,靜止時(shí)并不在同一水平位置。在第一種工況條件下,給接觸網(wǎng)和受電弓施加重力,造成接觸線高度的變化。圖4為第一種工況條件下2根吊弦間接觸線平衡后各單元位置的變化。圖4為相鄰2根吊弦間8個(gè)單元的靜態(tài)位置。2吊弦間存在一定弛度,點(diǎn)409.2m處與417.6m處相比,接觸線高度相差13.48mm。高速時(shí)2根吊弦之間接觸線的弛度會(huì)對弓網(wǎng)作用有一定影響。受電弓運(yùn)行過程中,弓網(wǎng)相互振動(dòng)引起接觸線垂直方向的位移。圖5為不同速度下定位點(diǎn)及跨中點(diǎn)處接觸線動(dòng)態(tài)抬升量的仿真。隨著速度的提高,在120km/h～200km/h范圍內(nèi)接觸線抬升量逐漸增大,但在200km/h時(shí)弓網(wǎng)作用達(dá)到一個(gè)共振點(diǎn),使得接觸線的抬升量達(dá)到最大值93.7mm。此時(shí)受流情況惡劣,需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整弓網(wǎng)參數(shù),才能保證可靠受流。在力-位移控制程序中,通過將力控制參數(shù)由0.032減小到0.021,使抬升力減小,可有效改變受流性能。接觸線上各處的剛度不同,因而存在彈性不均勻系數(shù)。圖6以模型中1136號定位點(diǎn)和跨中584號定位點(diǎn)為例,分析受電弓經(jīng)過時(shí)動(dòng)態(tài)抬升量的變化情況。由圖6可知,靜態(tài)平衡位置時(shí)跨中與定位點(diǎn)接觸線的高度相差9.67mm;當(dāng)受電弓經(jīng)過這兩點(diǎn)時(shí),由于跨中彈性較大,接觸線跨中的動(dòng)態(tài)抬升量也比定位點(diǎn)處要大,跨中接觸線的抬升量為80.2mm,定位點(diǎn)的抬升量為62.7mm,小于100mm限界值。這與受電弓對接觸網(wǎng)施加48kN張力(接觸線27kN+承力索21kN)有很大關(guān)系。圖7為受電弓以不同速度通過1136號定位點(diǎn)時(shí)接觸線動(dòng)態(tài)抬升量的變化情況,其中最大抬升量發(fā)生在1136號定位點(diǎn)處。在受電弓運(yùn)行速度分別為360km/h、250km/h、120km/h時(shí),這一定位點(diǎn)的最大抬升量分別為:86.5mm、75.6mm、60.8mm。可見,接觸線動(dòng)態(tài)抬升量隨著速度的提高而逐漸增大,這與南非Fro¨o¨hling的結(jié)論是一致的。并可得到如下結(jié)論:接觸線動(dòng)態(tài)變化與速度有關(guān),隨著速度增大,定位器振動(dòng)的時(shí)間增長,振動(dòng)周期不明顯,這也與接觸線的波動(dòng)有關(guān)。2.2速度和壓力幅值分布使弓網(wǎng)平均接觸壓力處于良好的穩(wěn)定狀態(tài)是解決弓網(wǎng)問題的關(guān)鍵之一。圖8為不同速度下弓網(wǎng)接觸壓力的變化情況。由圖8可見:低速下弓網(wǎng)之間的接觸壓力以跨距為周期變化,在速度為250km/h時(shí)仍有隨跨距變化的趨勢,但壓力幅值要比120km/h時(shí)大;當(dāng)速度達(dá)到350km/h時(shí),接觸壓力明顯變大,且不再有周期變化的規(guī)律,頻率變化較快,平均接觸壓力降低;在120km/h和250km/h時(shí),定位點(diǎn)處的接觸壓力要比其他各處的接觸壓力都大。定位點(diǎn)處的接觸壓力大與此處的剛度大有關(guān);從圖8可看出,當(dāng)運(yùn)行速度為350km/h時(shí),43m處弓網(wǎng)的接觸壓力變?yōu)?,此時(shí)弓網(wǎng)發(fā)生離線現(xiàn)象。41m處為定位點(diǎn),說明弓網(wǎng)離線易發(fā)生在定位點(diǎn)后。2.3弓網(wǎng)離線現(xiàn)象仿真由2.2節(jié)仿真結(jié)果可知,小的接觸壓力會(huì)引起離線火花,說明接觸壓力的變化與受流質(zhì)量有直接關(guān)系。圖9為速度為350km/h時(shí)弓網(wǎng)發(fā)生離線現(xiàn)象的仿真。結(jié)果表明,離線發(fā)生在定位點(diǎn)后,而不是以往文獻(xiàn)所認(rèn)為的發(fā)生在定位點(diǎn)處的可能性較大。與接觸壓力的分析相對應(yīng),當(dāng)發(fā)生如圖9所示的離線現(xiàn)象時(shí),受電弓上的接觸壓力為0N,受電弓與接觸網(wǎng)未發(fā)生接觸的位置,如圖中的箭頭所示。在京津城際鐵路的實(shí)際運(yùn)行中,第一吊弦出現(xiàn)問題較多,如出現(xiàn)卸載情況,與仿真結(jié)論一致。3速度對接觸線升降量的影響(1)通過與國外實(shí)測及仿真結(jié)果對比,證明本文建立的弓網(wǎng)耦合有限元模型是正確的,能夠較好地對接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)振動(dòng)作用進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。(2