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1、第29卷,第6期中国铁道科学Vol129No162008年11月CHINARAILWAYSCIENCENovember,2008文章编号:100124632(2008)0620071206基于直接积分法的弓网耦合系统动态性能仿真分析周宁,张卫华(西南交通大学牵引动力国家重点实验室,四川成都610031)摘要:针对提速铁路采用的弹性链型悬挂接触网及受电弓结构,建立包含承力索、辅助线、接触线和吊弦4个部件的接触网模型、以及简化为弹簧阻尼机构的受电弓模型。通过接触单元将接触网和受电弓直接耦合起来得到弓网系统的整体模型,进而构建弓网耦合系统的动力学平衡方程。采用直接积分法对建立
2、的平衡方程进行求解,得到反映弓网系统动态性能的抬升位移、接触压力以及应力等数据。与先前研究的参考数据比对结果表明,采用接触单元和直接积分法分析弓网耦合系统的动态性能,切实可行。关键词:接触网;受电弓;弓网耦合;动态性能分析;接触单元;直接积分法中图分类号:U22513文献标识码:A在弓网系统方面国内外的诸多学者进行了大量[9],取CH1602Y型接触网的5跨结构为1个整体[128]的研究。随着电力机车速度的不断提高,将接进行研究。接触网参数见表1—表3。触网和受电弓作为一个耦合系统,研究其在机车运行时接触压力、抬升位移以及动态应力的变化,以得到比较合适的设计参数,保证机
3、车的安全运行。因此,本文针对弹性链型悬挂接触网,首先建立包含承力索、辅助线、接触线和吊弦4个部件的接触网模型,再将受电弓等效为弹簧阻尼机构并建立其模型;然后,通过接触单元将接触网和受电弓直接耦合起来得到弓网系统的模型,由此建立耦合系统的动力学平衡方程图1接触网单跨结构示意图;最后,为避免模态叠加法带来的截断误差,通过直接积分法,计算弓网系统的抬表1接触网结构参数升位移、接触压力以及动态应力等参数,并就受电部件弹性模量密度张力截面面材料弓通过速度对各性能参数的影响进行讨论。名称/Pa/(kg·m-1)/kN积/mm2承力索GLJC120/358117×1010016021
4、710153接触线RiS12013100×10101107013101201接触网模型辅助线Bz3513100×10100131021835建立包括承力索、辅助线、接触线和吊弦4个由此,建立的接触网动力学平衡方程为部件的接触网模型,如图1所示,采用有限单元法[Mc]{¨uc}+[Cc]{Ûuc}+[Kc]{uc}={P(t)}对结构进行离散。其中,承力索、辅助线和接触线(1)采用梁单元进行模拟,而吊弦相对前三者来说,式中:[Mc]为接触网质量矩阵;[Cc]为接触网阻尼线密度较小,采用弹簧质量单元来模拟。依据文献矩阵;[Kc]为接触网刚度矩阵;{¨uc}为接触网节点收稿日
5、期:2007212220;修订日期:2008207213基金项目:国家“九七三”计划项目(2007CB714700);国家自然科学杰出青年基金资助项目(50525518);高等学校科技创新工程重大培养资金项目(705044)作者简介:周宁(1977—),男,四川宜宾人,博士研究生。72中国铁道科学第29卷加速度向量;{Ûuc}为接触网节点速度向量;{uc}为由此,建立的受电弓动力学平衡方程如下:接触网节点位移向量;{P(t)}为接触网节点载荷m2¨y2+c2Ûy2+k2y2-c2Ûy1-向量。k2y1=-P(t)(2)表2接触网参数m1¨y1+(c1+c2)Ûy1+(k
6、1+k2)y1-跨数/个5c2Ûy2-k2y2=F0(3)接触网总长/m325式中:m1,c1,k1分别为弓头部分的等效质量、等接触网高度/m115锚段处等效质量/kg11873效阻尼、等效刚度;m2,c2,k2分别为框架部分的支撑弹簧刚度/N·m-1215×107等效质量、等效阻尼、等效刚度;P(t)为接触网与定位杆等效质量/kg0153受电弓的动态接触力;F0为受电弓的静态抬升力。单跨吊弦数目73弓网系统耦合模型表3单跨吊弦参数吊弦间距/m吊弦刚度/(N·m-1)吊弦质量/kg4101121×10501151从式(1)—式(3)可以看出,正是由于接触9151137×
7、10501093网与受电弓之间存在动态接触力P(t),表明上述方9151152×10501084程是相互耦合的方程组,由此也可实现对弓网耦合9151157×105010819151152×10501084关系的等效描述,弓网耦合模型如图3所示。9151137×105010939151121×105011512受电弓模型根据文献[2]和文献[9]的研究,将SS7型受电弓结构简化为如图2所示的物理模型,采用2个弹簧阻尼机构对结构进行模拟,使用的相关参数图3弓网系统耦合模型示意图见表4。上述讨论说明,确定耦合项P(t)对求解弓网系统动力学方程组
