基于有限元的高速弓网系统动态性能仿真研究

第３４卷第８期２　０　１　２年８月铁 道 学 报ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＴＨＥ　ＣＨＩＮＡ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＳＯＣＩＥＴＹＶｏｌ．３４　Ｎｏ．８Ａｕｇｕｓｔ　２０１２收稿日期：２０１１－０５－０６；修回日期：２０１１－１２－２２基金项目：国家自然科学基金（Ｕ１１３４２０５，５１００７０７４）；教育部新世纪优秀人才支持计划项目（ＮＥＣＴ－０８－０８２５）；铁道部科技研究开发计划（２０１１Ｊ０１６－Ｂ）；中央高校基本科研业务专项基金资助项目（ＳＷＪＴＵ１１ＣＸ１４１）第一作者：赵　飞（１９８６—），男，四川资阳人，硕士研究生。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｍｙｅｎｇｅｌ＿６５＠１６３．ｃｏｍ通讯作者：刘志刚（１９７５—），男，河南巩义人，教授、博士。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｚｇ＿ｃｄ＠１２６．ｃｏｍ文章编号：１００１－８３６０（２０１２）０８－００３３－０６基于有限元的高速弓网系统动态性能仿真研究赵　飞，刘志刚，张晓晓（西南交通大学电气工程学院，四川成都　６１００３１）摘　要：针对简单链形悬挂接触网与ＤＳＡ３８０型受电弓的仿真问题，基于ＭＳＣ－ＭＡＲＣ有限元软件，采用京津城际铁路实际参数建立接触网和考虑弹性变形的受电弓模型，对受电弓－接触网动态性能进行仿真分析。

在建模过程中采用欧拉－伯努利梁模型来模拟接触线和承力索；考虑弓头和上框架的弹性变形及其侧滚运动、垂向运动等，并通过非线性弹簧进行链接；受电弓和接触网模型之间通过接触实现耦合，将弓网作为一个整体进行研究。

仿真结果表明：ＤＳＡ３８０型受电弓以３５０ｋｍ／ｈ速度通过简单链形悬挂时，其平均接触力为１９０．３５Ｎ，接触线的动态抬升量在１８．１～７３．７ｍｍ之间。

通过与西门子公司提供的结果及实测结果比较，可以看出本文建立的弓网系统有限元模型是正确和有效的。

关键词：接触网；受电弓；动态接触；有限元中图分类号：Ｕ２６４．３４ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８３６０．２０１２．０８．００６Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　Ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ－ｃａｔｅｎａｒｙ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＤｙｎａｍｉｃＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　ＭｏｄｅｌＺＨＡＯ　Ｆｅｉ，ＬＩＵ　Ｚｈｉ－ｇａｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｘｉａｏ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｉｔｃｈｅｄ　ｃａｔｅｎａｒｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＤＳＡ３８０ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎＭＳＣ－ＭＡＲＣ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｔｅｎａｒｙ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｂｅｉｊｉｎｇ－Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｉｎ－ｔｅｒｃｉｔｙ　Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　Ｒａｉｌｗａｙ，ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ　ａｎｄ　ｃａｔｅｎａｒｙ　ｗｅｒｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｅｍｏｄｅｌｓ，ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｍｅｓｓｅｎｇｅｒ　ｗｉｒｅｓ　ａｎｄ　ｏｖｅｒｈｅａｄ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｗｉｒｅｓ　ｗｅｒｅ　ｍｏｄｅｌｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｅｕｌｅｒ－Ｂｅｒ－ｎｏｕｌｌｉ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｂｅａｍ；ｔｈｅ　ｐａｎ－ｈｅａｄ　ａｎｄ　ｔｏｐ　ｆｒａｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ　ｗｅｒｅ　ｒｅｇａｒｄｅｄ　ａｓ　ａｎ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｂｏｄｙ　ｗｈｉｃｈ　ｉｎ－ｃｌｕｄｅｄ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｐｉｔｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ　ｗａｓ　ｍｏｄｅｌｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｓｐｒｉｎｇｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ　ａｎｄ　ｃａｔｅｎａｒｙｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｓ　ａ　ｗｈｏｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ａｓ　ｆｏｌｌｏｗｓ：Ｔｈｅ　ａｖｅｒａｇｅ　ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ－ｃａｔｅｎａｒｙｃｏｎｔａｃｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｓ　１９０．３５Ｎａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｕｐｌｉｆｔ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｉｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　１８．１ｍｍ　ａｎｄ　７３．７ｍｍ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ｂｙ　Ｓｉｅｍｅｎｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｐｒｏｖｅｓ　ｃｏｒｒｅｃｔ　ａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔａｃｔ　ｓｙｓｔｅｍ；ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ；ｄｙｎａｍｉｃ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；ＦＥＭ 在高速受电弓－接触网的研究中，弓网系统的动态性能决定着高速受流的质量。

由于用实物或者物理样机需要耗费大量的人力、精力，而计算机仿真方法直观易行，成为目前研究高速弓网系统动态性能的主要途径。

近年来，国内外的诸多学者在大量研究的基础上提出了一些弓网系统的数学模型，并建立了相关的模型。

文献［１］建立从轨道、机车、受电弓到接触网的三维仿真模型，把虚拟样机技术运用到受电弓－接触网系统的研究中。

文献［２］对弓网系统各种模型的建立进铁 道 学 报第３４卷行详细阐述，建立了各类接触网和受电弓系统的动力学分析模型，在模型的建立过程中考虑到弓头弹簧的垂直运动和中底部连接的扭转运动，计算精度较高。

文献［３］分别建立了接触网、受电弓的三维模型，采用ＭＳＣ／ＤＹＴＲＡＮ软件仿真弓网的动态相互作用，并对弓网系统进行灵敏度分析，其仿真结果与线路试验实测结果相吻合。

文献［４－５］分别建立了受电弓－接触网动态相互作用模型，从弓网垂向耦合振动等方面对弓网系统动态进行研究。

文献［６］在试验的基础上测得高于常规频率段的中高频接触力。

文献［７－１０］建立了各类接触网的有限元模型，计算主要结构参数对静态刚度等的影响。

文献［１１－１２］基于ＭＳＣ－ＭＡＲＣ有限元软件建立了弓网系统模型，对受电弓接触网动态振动性能进行仿真分析。

文献［１３］建立接触网模型和考虑受电弓弓头弹性变形的模型，并对弓网系统的动力学性能进行分析。

以上文献虽然对弓网系统建立了有限元模型，但是通过相关文献的比较分析，对于复杂的受电弓－接触网系统来说，模型中施加的各种边界条件及约束条件不能更好地逼近工程实际［１４］。

本文基于ＭＳＣ－ＭＡＲＣ有限元软件，根据京津城际铁路的实际参数建立通过正反定位器来定位的接触网系统模型，对于分析运动载荷等各种复杂边界条件，准确性得到显著提高。

本文在建立ＤＳＡ３８０型受电弓模型的过程中，考虑了滑板和弓头处的高频振动及上框架和下框架有角度的运动，还考虑了弓头和上框架的弹性变形及侧滚运动、垂向运动等，这种方式可以减少仿真中受电弓各主要部件在运动中造成的分析误差。

仿真过程中弓网系统通过接触实现耦合，并作为一个整体进行分析。

本文通过对弓网系统的动态仿真，利用软件的后处理器显示弓网系统运行过程，并计算影响弓网系统动态性能的接触力、接触网的抬升量及弓头的加速度等重要指标。

最后将仿真结果与西门子计算的结果进行比较，并研究了受电弓以不同的速度通过接触网时接触力的变化规律，验证了本文建立的高速弓网系统模型的准确性和有效性。

１　弓网系统的仿真模型高速弓网系统通过不间断的电气和机械接触给机车供电，而要向机车提供不间断的电流就需要良好的弓网动态性能。

但由于机车在高速运行过程中，弓网耦合系统的相互作用不能保证接触的稳定，有的时候甚至会脱离。

为了使高速弓网系统更好地匹配，就要对其动态性能进行研究。

本文研究将受电弓－接触网通过接触来实现耦合的动力学问题。

相对以前的弓网模型，在根据京津城际铁路实际参数建立接触网模型时，通过欧拉－伯努利梁来模拟接触线和承力索单元，并通过正反定位器将接触线的拉出值定位为３００ｍｍ；在建立受电弓模型时，考虑受电弓的侧滚运动、垂向运动［１５］等因素，建立用非线性弹簧和梁单元耦合的受电弓的多体模型。

图１为采用ＭＳＣ－ＭＡＲＣ软件建立的受电弓－接触网系统的耦合模型。

第８期基于有限元的高速弓网系统动态性能仿真研究料特性见表１。

表１　弓网仿真模型中接触网的主要参数部件杨氏模量／ＧＰａ泊松比质量密度／（ｋｇ·ｍ－３）截面面积／ｍｍ２材料接触线１２０　０．３３　８　９００　１２０银铜承力索１２０　０．３３　８　９００　１２０青铜吊弦１２０　０．３３　８　９００　１０青铜定位器２１０　０．３０　２　７００　２　７００铝定位管２１０　０．３０　２　７００　２　７００铝斜腕臂２１０　０．３０　７　８５０　５　０６２钢１．２　受电弓模型受电弓是安装在车辆的顶部，由上、下框架、弓头、弓头弹簧、滑板、上升或下降弹簧及阻尼器、推杆和平衡杆组成的空间结构。

以往的研究中，通常是将受电弓简化为质量块的线性模型，但是这种模型往往不能更好地逼近工程实际。

本文根据ＤＳＡ３８０型受电弓本身结构的实际尺寸、几何形状以及材质等建立了受电弓的多体模型。

在模型的建立过程中，对实际模型进行了一些简化，简化后的有限元模型主要由上下框架、推杆、弓头及弓头弹簧、滑板和升弓弹簧组成。

在建模中由于受电弓的下臂杆刚度很大，把它当作刚体可以保证足够的精度；受电弓的拉杆仅承受拉力，也可以看作刚体；可以直接测定它们的质量、质心和转动惯量。

上框架和弓头考虑为弹性体，其中弓头宽度为０．６ｍ［１５］。

受电弓质量加载在划分的有限单元上；为保证俯仰及侧滚运动，将弓头和上框架通过弓头弹簧相连；上下框架连接处通过铰链连接，下部是通过升弓弹簧来进行控制的。

通过边界条件对弓头进行了约束，但未约束弓头弹簧的垂直、水平及俯仰运动，这保证了受电弓的侧滚运动、垂向运动等。

受电弓的弓头上滑板通过移动ｚ轴负方向上推杆的末端进行推动，并在升弓弹簧处施加了静态抬升力的边界条件。

因此，受电弓模型是非线性的，这种模型也比较直观，并且相对以往分析时采用的归算质量模型更加精确。

模型建立后，给定受电弓初始运行速度为３５０ｋｍ／ｈ。

图３为用ＭＳＣ－ＭＡＲＣ软件建立的ＤＳＡ３８０型受电弓有限元模型。

铁 道 学 报第３４卷标本文结果西门子结果实测结果平均接触力／Ｎ　１９０．３５　１８９．１９　１８７最大抬升量／ｍｍ　７３．７约８７—最小抬升量／ｍｍ　１８．１约１５— 由表２可以看出：本文仿真过程中，ＤＳＡ３８０型受电弓在运行速度达到３５０ｋｍ／ｈ时，弓网系统的平均接触力为１９０．３５Ｎ，动态抬升量在１８．１～７３．７ｍｍ之间波动。