高速受电弓-接触网系统动态受流性能的仿真分析

高速受电弓一接触网系统动态受流性能的仿真分析 吴 燕，吴俊勇，郑积浩

（北京交通大学电气工程学院，北京１０００４４）

摘要：采用了ＭＳＣ－ＭＡＲＣ软件对受电弓．接触网系统的动态受流性能进行了仿真，分别建立了接触网和受电弓两个子系统的有限元模型，通过接触实现了两个子系统的耦合，进行弓网的动态分析．通过仿真，将低速下得到的结果与国外的结果相比较，验证了软件分析结果的正确性，针对高速铁路一种受电弓．接触网的设计参数，对弓网之间的相互作用进行了分析，得到了高速下接触网的动态抬升量，接触压力和离线率，通过参数的调整保证弓网可靠作用达到良好的受流，对高速受电弓与接触网的相互作用进行了大量的仿真并对结果进行分析，为进一步研究高速下受电弓与接触网不同参数的配合奠定了基础．

关键词：受电弓；接触网；动态接触；弓网受流；有限元

中图分类号：Ｕ２２５．１；Ｕ２６４．３４ 文献标志码：Ａ

Ａ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ

ｏｆ　Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ　Ｐａｎｔｏｇｒａｐｈ－Ｃａｔｅｎａｒｙ

ＷＵ　Ｙａｎ，ＷＵ　Ｊｕｎｙｏｎｇ，ＺＨＥＮＧ　Ｊｉｈａｏ

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４，Ｃｈｉｎａ）

随着高速铁路的大力发展，电力牵引以其速度高和牵引力大的优点已越来越被世界各国公认．高速列车牵引供电的新型接触网系统不同于传统的接触网系统，当列车由普通速度提高到高速运行时，受电弓与接触网的相互作用显得极为重要，接触线与受电弓的相互作用决定了供电的可靠性及供电质量，弓网受流成为限制最高速度的一个重要因

素［１］．弓网相互作用依赖于受电弓和接触网的设计方案及大量参数，评价接触特性需要通过仿真计算和线路试验来确定其客观标准，因为受到实物试验和试运行范围的限制，计算机仿真的方法是模拟两者相互作用一条捷径，模拟方法的采用有助于开发

新系统并提高性能指标．

文献［２］分别建立了接触网、受电弓的三维模型，采用ＭＳＣ／ＤＹＴＲＡＮ仿真弓网的动态相互作用，得到的仿真结果与线路试验实测结果相吻合，文献［３］采用有限元方法建立了弓网动态受流的仿真模型，采用纽马克法作为仿真的算法，对动态受流进行了数值仿真，文献［４－６］分别建立了受电弓．接触网动态相互作用模型，从机车一轨道系统、弓网垂向耦合振动等方面对弓网系统动态进行了研究．文献［７］建立了从轨道、机车、受电弓到接触网三维仿真模型，应用了虚拟样机技术研究了弓网动态受流特性，文献［８］从提高接触网弹性均匀分布人手提出了改善弓网系统受流的一些措施，文献［　８－１０］研究了高速电气化铁路接触网的悬挂形式及相关参数，对

影响动态受流特性进行了理论探讨及分析．文献［　１１－１２］从接触网的预弛度等方面分析了对高速弓网受流的影响．

以往弓网关系的研究都是将其分成两个独立的子系统来进行仿真分析，随着系统研究思路的开拓，需要将受电弓．接触网系统视为一个耦合的系统，建立弓网耦合有限元模型来进行研究．本文作者对一种高速铁路的一种接触网－受电弓的设计进行了仿真，对弓网受流性能的参数进行了分析，为进一步研究高速下受电弓与接触网不同参数的配合奠定了基础．

１ 弓网仿真模型的建立

当受电弓沿着接触导线运动时，在接触线方向产生波动影响，波的传播比列车运行要快，并且在导线的两个方向上传播，它们或在锚段的两侧反射，或者传播到受电弓上，这些都对接触压力产生影响．如果接触压力降低到零，会造成离线和火花，如果接触压力太高，接触线的抬升量会超过范围，甚至会引起断线等事故．接触网和滑板的磨损也是与接触力有关系的，为了避免抬升量过高及过度磨损，要求接触力不能太大，但是为了避免离线和火花，要求接触力又不能太小．两者之间是矛盾的，为了获得受电弓与接触网之间的相互配合，就需要对它们之间的相互作用进行研究．

图１是用ＭＡＲＣ建立的受电弓．接触网模型， 弓网相互关系属于带接触的结构非线性动力学问题，为了更好地研究弓网的相互作用关系，需要建立受电弓．接触网的耦合仿真模型，并且接触网和受电弓两个子系统中的参数都是可以任意改变的，以达到参数优化的目标，另外，两个模型的参数需要密切的配合，否则会产生不正确的结果．１．１ 接触网系统模型的建立

接触网系统是由承力索悬挂挂起的，连接接触网与承力索的之间吊弦长度的调节可以保证接触网的平顺．然而由于吊弦间距离的存在使得接触线有一定的弛度，承力索和接触线通过线路旁的支柱架设产生拉出值２００　ｍｍ，这样避免了受电弓滑板中心部位的磨损．高速时从线路到接触网系统的改变都会引起接触线与受电弓之间动态性能的剧烈变化．振动使得弓网分离产生电弧，也可能引起电能传输的中断．如果接触线采用刚性悬挂的话就会减少弓网之间的振动，以保证受流的可靠性，

数值模拟仿真中的接触网有限元模型采用的是欧拉．伯努利梁来模拟，其中接触线的运动方程为

式中：ｍｃ代表接触线的单位质量；ＥＩｃ代表接触线的抗弯刚度；Ｔｃ代表接触线的张力；ｋｄ是吊弦的刚度，表示接触线与吊弦连接处的力；δ是冲击函数；Ｐ是受电弓对接触网的接触压力；ｕｃ表示接触线的位移；ｕｍ为承力索的位移；ｘｎ为吊弦离运动点处的距离；ｘ为运动点处的位置；ｔ是运动时间；Ｖ是列车的运行速度．

以往建立的接触线模型认为接触线的质量是集中加载在吊弦上，而本模型中接触线的质量认为是加在划分好的有限单元上的．定位器与支柱的连接认为是有弹簧的连接．接触网模型中考虑到了承力索与接触网的动态作用．吊弦划分为两个有限单元，在高频范围内这种划分方可得到较好的计算结果．承力索及接触线的张力通过边界条件进行施加，分别施加在划分好有限单元上．对支柱的位移也通过边界条件进行限制以代替旋转腕臂的移动．

接触网单元的选取比较重要，小单元可以充分研究体现出动态的过程，用于描述整个运动的矩阵是动态的，实时的，当接触发生变化时，矩阵就会重新计算，这个模型可以计算接触线的动态抬升量． 接触网建模过程中需要确定的参数有：①接触线的几何特性，材料特性，悬挂方式，安装高度及施加的张力；②承力索的几何特性，材料特性，悬挂方式，安装高度及施加的张力；③支持装置，如定位器，定位管，腕臂，吊弦和弹性吊索的几何特性和材料特性；④弹性吊索的弛度及施加的张力．

１．２ 受电弓模型的建立

受电弓是由下框架，上框架，弓头及滑板组成．滑板通过软弹簧安装在弓头上，弓头安装在与上框架的弹性安装座处．上下框架可在升弓弹簧的作用下在垂直方向上运动，不管车辆顶部接触线多高，受电弓都可以保证在接触线和滑板间有一个恒定的抬升力．本文建立的受电弓有限元模型如图３所示，

以往建立的受电弓数学模型为质量块模型，现在受电弓的有限元模型把质量加在受电弓划分好的有限单元上，弓头与滑板处及上下框架连接处通过铰链和非线性弹簧连接，铰链仅允许在整体坐标系ｘ方向相对旋转，非线性弹簧约束了相对旋转，考虑了垂直、水平方向的运动．考虑滑板和弓头处的高频振动，也考虑到上框架与下框架有角度的运动．

升弓弹簧处施加静态抬升力的边界条件，对于弓头滑板处运动位移也通过边界条件来进行限制，体现受电弓的非线性．并给定受电弓的初始运动条件，受电弓模型中，在运动的过程中，受电弓滑板与接触线相互作用可得到它们之间的接触压力．

受电弓建模过程中需要确定的参数有：①受电弓上框架，下框架，滑板和弓头的几何特性和材料特性；②受电弓在车顶的安装高度；③模型的自由度；

④受电弓模型的边界条件．

１．３ 接触网．受电弓有限元模型

模型中考虑到接触线位于轨道上方６．５　ｍ，由承力索吊起并由支柱固定，定位器约束接触线的左右移动，定位器支柱之间为梁销接的铰接．每两支柱间接触线成“之”字形布置．承力索，接触线的张力通过边界条件进行施加，分别施加在划分好有限单元上，对支柱的位移也通过边界条件进行限制，定义接触线，承力索和吊弦不同材料特性．

受电弓的弓头与滑板处及上下框架连接处通过铰链和非线性弹簧连接，升弓弹簧处施加了静态抬升力的边界条件，对于弓头滑板处运动位移也通过边界条件来进行限制，分析有３个载荷工况：

１）第１个工况，施加到接触线和承力索的张力，线索伸长，７个支柱中的６个可以在受电弓运行方向自由移动，其他方向自由度固定，与此同时，重力加到所有的接触网．受电弓单元上，平衡后接触线导线与初始位置的距离为１０　ｍｍ左右．

２）第２个工况，弓头上升并与接触网接触，通过在受电弓运动负方向移动推杆的下端点实现，弓头的旋转和运动方向位移都通过边界条件进行约束，支柱在这个工况下不可在运动的方向上自由移动． ３）第３个工况，受电弓运动了半个锚段的距离，弓头的旋转不再受到约束．

２ 算例

模型中分为接触网与受电弓两个子系统，两个系统中的各种参数可以修正，以允许运行参数的优化设计，受电弓与接触网模型的质量必须和实际相当或接近，以保证计算结果的准确．受电弓的计算参数为：滑板密度７．８５　ｇ／ｃｍ３；上框架杆件横截面积７８５０　ｍｍ２；材质２．７　ｇ／ｃｍ３；下框架横截面积７　８５０