改善弓网接触的高速铁路受电弓优化设计

摘要：目前的高速铁路受电弓在机械改进方面的潜力有限，接触力标准偏差的降低量不超过10%-15%。本论文提出了一种基于弓头悬挂特性的受电弓优化设计方案，以改善受电弓与接触网之间的接触质量，并根据现有受电弓的实验动态特性进行验证。盘头刚度和阻尼特性、上框架刚度和阻尼特性、静升力以及接触线张力等参数是用于受电弓优化的设计变量。设计优化的主要目标是使弓网接触力的标准偏差最小化，这是改善接触质量的最重要变量。

关键词：受电弓;接触网;弓头悬挂特性;接触质量;标准偏差

1引言

高速列车通过接触网受电弓接口提供运行发动机所需的电能。如果弓网接触不良，不仅会导致受电弓的集电弓和接触网的接触线之间产生高压电弧，导致两个设备的使用寿命降低，而且有可能使列车电能供应中断[1]。弓网平均接触力的增加将提高电能的传输能力，但也会导致受电弓定位条和接触线的加速磨损。受电弓的结构设计必须满足以下三个要求：将盘头提升至接触线高度，并补偿具有较低接触网高度的跨距;处理与稳定臂通道相关的中等频率的位移;处理频率较高但幅度较低的激励。通常情况下，受电弓头部及其悬挂装置负责处理高频激励，而较低一级（带气动波纹管）负责处理低频激励。大多数运行中的受电弓都是在考虑特定接触网系统的情况下开发的[2]。目前新的高速列车发展趋势导致对受电弓的设计提出了新的要求，首先需要受电弓允许在不同的接触网系统中运行，其次要求减轻受电弓整体质量提高电流收集能力，最后受电弓需要具有较低的空气动力阻力和噪聲排放并与跨境操作兼容，这也为改进受电弓提供了一些发展方向。

2弓网有限元模型

当使用相同的方法来模拟接触网和受电弓模型时，两者的动态分析类型必须相同，如果接触网采用线性有限元建模，则受电弓动力学也必须是线性的。这与使用更为广泛的多体受电弓模型不兼容[3]。此处使用有限元和多体方法之间的联合仿真。用于受电弓-接触网相互作用研究的受电弓模型大致可分为两种类型：集中质量模型或多体模型。这两种模型可以在普通线性有限元程序中进行仿真，也可用于悬链线分析，相比较而言集中质量模型更为常见[4]。但是集中质量受电弓模型是需要在实验室试验中确定相应的数学参数，对于高速列车应用的典型三级集中质量受电弓模型，只有顶部质量、刚度和阻尼系数可以保持与受电弓头部质量以及悬挂特性相似。

建立包括支撑线、接触线和吊弦的接触网模型，并进行有限元分析。当受电弓脱离接触线时，受电弓与接触网之间的接触力主要产生接触网的面内张力和弯曲变形。因此，支撑线和接触线都被视为二维梁单元。波束元素由两个节点定义，每个节点具有三个自由度：节点X轴和Y轴方向的平移以及围绕节点Z轴方向的旋转。由两个节点定义的弹簧元素在每个节点上具有两个自由度：在节点X轴和Y轴方向上的平移。对由五个盘组成的接触网的有限元模型进行了分析。用于离散悬链线的元素数量为2744。悬链线的阻尼系数为0.01N/m2。受电弓简化为弹簧质量系统。它由三个集中质量组成，分别代表受电弓的盘头（m1）、上部框架（m2）和下部框架（m3）。m1和m2之间、m2和m3之间以及m3和地面之间有弹簧减振器元件。

3受电弓设计参数优化

基于受电弓和接触网系统的动力学分析，评估了设计参数对动态性能的影响，如受电弓的刚度和阻尼、接触线张力和静态提升力，以改善受流质量。

3.1盘头刚度与阻尼参数优化

在列车速度为250km/h时，盘头的刚度对电流收集质量有相当大的影响，如果盘头的刚度过大，接触线的振动可能会导致接触力的极端波动。因此，盘头刚度的降低有利于电流收集质量。盘头阻尼的增加有利于抑制受电弓的振动。但是，如果阻尼过大，将对受电弓的后续运动产生不利影响。因此，选择合适的阻尼值非常重要。对受电弓和接触网之间的接触力，以及盘头的不同阻尼进行仿真分析。结果表明随着阻尼的增加，接触力的波动略有减小，最小值显著增大。然而，当阻尼值达到50Ns/m时，阻尼在改善标准偏差和接触力最小值方面的作用较小。

由于增加的阻尼有利于抑制受电弓的振动，将盘头的阻尼分别从0增加到10、30和70Ns/m，分析在不同速度下盘头阻尼不同时的接触损耗。结果表明，阻尼为10Ns/m时，接触力改善不明显，速度大于250km/h时仍存在接触损耗。当阻尼增加到30Ns/m时，无接触损耗的运行速度提高到300km/h。当速度大于300km/h时，虽然阻尼增加到70Ns/m，但仍检测到接触损耗。由此可以得出结论，无论盘头刚度增加或减少，当速度大于300km/h时，都会发生接触损失。因此通过优化盘头的刚度和阻尼，无接触损耗的最大运行速度可以从250km/h提高到300km/h，但是仅通过盘头参数的优化，就很难进一步提高300km/h以上的最大运行速度。

3.2上部框架的刚度与阻尼优化

由于接触网的高度不同，受电弓要求在不同的工作高度下运行。由此还导致上框架的不同等效参数。因此，研究上框架的不同刚度和阻尼对接触力的影响非常重要。分析在速度为250km/h时上框架不同刚度对接触力的影响。可以发现当上部框架的刚度变大时，接触力的最小值、最大值和标准偏差都会增加。虽然最小值的增加有利于电流收集质量，但同时引起的最大值增量。因此在选择工作高度时，必须注意刚度的影响。同时研究了速度为250km/h时上部机架的不同阻尼对接触力的影响。结果表明，随着阻尼的增大，接触力的最小值增大，标准偏差减小，最大值变化不大。但是当阻尼达到70Ns/m时，接触力的改善并不明显。因此，对于受电弓上部框架，50–70Ns/m是最佳阻尼值。

3.3静升力参数优化

静升力作用在受电弓上，以保持适当的工作高度。较小的静升力会引起接触损失、电弧和火花。但是较大的静升力可能导致提升位移增加，从而导致受电弓和接触网的极端磨损。分析250km/h速度下静升力对接触力的影响。可以发现静升力的增加会导致接触力的最小值、最大值和标准偏差的增加。此外适当增加静态提升力可以提高接触力的最小值。但是随着接触力最小值的增大，最大值和标准差也迅速增大。

3.4接触线的张力优化

研究在250km/h的速度下，不同张力对接触力的影响。可以观察到接触线的张力对受电弓和接触网之间的接触力有很大的影响。随着接触线张力的增加，接触力的最小值、最大值和标准偏差都显示出显著的改善。为了提高列车运行速度，将接触线的张力15kN分别增加17和20kN。分析在不同速度下，15、17和20kN张力下的接触损耗。可以发现当初始张力为15kN时，接触损失发生在270km/h的速度下。当张力分别增加到17和20kN时，速度低于330和350km/h时，未检测到接触损耗。因此，为了在300和330km/h的速度下安全运行，接触线的张力应相应增加到17和20kN。

4结论

利用接触单元模拟弓网相互作用建立弓网接触仿真模型。通过优化受电弓相应参数改善弓网接触力和电流收集能力，结果表明，受电弓可在250km/h的速度下运行，速度大于250km/h时可检测到接触损耗。对受电弓和接触网系统的设计参数进行优化，包括盘头和车架的刚度和阻尼、静态提升力和接触线张力，对受电弓和接触网系统的动态性能有一定改善。

参考文献

[1]刘仕兵，张怡欣，李思明.基于SAPSO的高速铁路受电弓型面优化[J].计算机仿真，2021，38（07）：139-143.

[2]孙云嵩，郭瑾玉，历洋.基于弓网接触力优化的主动控制式受电弓研究及设计[J].机电信息，2021（09）：43-44.

[3]张静，程肥肥，宋宝林.高速受电弓结构参数集成设计研究[J].机械设计，2021，38（01）：14-21.

[4]梁坤，蒋聪健，袁超.高速列车受电弓弹簧轴销组装装置优化改进[J].铁道车辆，2020，58（11）：23-25+6.

作者简介

李金哲，男，汉，山东菏泽，1993.05.25，大学本科，中车青岛四方机车车辆股份有限公司，职称：助理工程师。主要研究方向或者从事工作：动车组调试试验和制造过程质量控制。邮编：266111