刚性悬挂接触网弓网耦合模型

刚性悬挂接触网弓网耦合模型

0弓网耦合控制刚性悬索网的结构紧凑、可靠性高、施工条件好等特点，已成为中国隧道特别是低暴露隧道的首选形式。迄今国内外学者对刚性悬挂接触网弓网耦合的模拟方法主要有两种:一种是通过弓、网在接触点处位移相等来实现的,另一种是通过弹簧实现耦合。前者不必选择接触刚度,但无法考虑离线;对于后者,由于实际中弓网间接触力和滑板位移的关系是:相接触时,两者是接触刚度的关系;一旦离线,接触力将始终为零,滑板位移为负,两者间不再存在任何联系。因此用弹簧实现耦合不能反映离线以后弓、网的振动。1受电弓网模型的建立在刚性悬挂接触网中,汇流排既是导电面的一部分,又是接触线的固定体。文献给出了刚性悬挂接触网的简化计算模型。考虑到刚性汇流排和接触线轴向无张力无水平位移的特点,本文又在接触线其他节点处加水平约束。整个接触网可视为上部有弹簧支座的多跨连续梁。受电弓简化模型主要有归算质量模型和框架模型。前者根据归算质量的数目可分为一、二和三元模型;后者虽比较形象直观,但计算繁琐。本文采用线性化三元归算质量模型。与二元模型相比,三元模型更适合于高速受流时弓网耦合振动的模拟。实际运行中,接触导线在受电弓顶升作用下有一定的变形,弓头本身相对接触线来说变形很小,故可设接触线为柔性为目标面,弓头为刚性为接触面,分别用target169和contact175单元。2接触问题的单元描述用ANSYS模拟弓网动态耦合有三大难点:一、弓网接触属于动态接触,时而接触,时而分开,且接触或分开是突然变化的;二、弓网间有很大的相对滑动,即弓网接触点不固定,随列车的移动而变化;三、受电弓框架铰的转动引起干摩擦,使得抬升力为变值。ANSYS允许接触非线性分析过程中接触状态的变化,且程序能自动检测到某时刻接触与否。可通过单元关键字KEYOPT来选择接触模型(法向单边接触、粗糙接触、不分开的接触和绑定接触)。选择法向单边接触可解决第一个难点。对于第二个难点,文献用生死单元技术来解决。具体做法是在接触线每个节点处都建立一个受电弓,该方法最大缺陷是无法考虑受电弓速度和位移的连续性及传递性,因此与实际相差很大,很不准确。本文通过对受电弓各节点施加水平向位移可以实现对弓沿线移动这一过程的描述。用多点重启动方法来考虑干摩擦可解决第三个难点。(1)弹性吊悬的集中质量用beam3模拟接触线,用mass21模拟吊悬的集中质量和受电弓各集中质量,用combin14模拟弹性吊悬支座和受电弓框架杆,用target169和contact175建立接触对。(2)受电弓各节点升降力从机车启动的瞬间开始模拟。假定系统的初始速度和初始位移均为零;设弓头和接触线是初始接触的。对受电弓各节点施加水平速度,在车顶结点处施加竖向铰支座,在受电弓下端集中质量处施加抬升力。由于抬升力为变值,故需要做重启动。忽略结构阻尼。(3)处理好从POST26中,可提取出接触力和滑板竖向位移的时程曲线。3保证接触力最小本文以接触力和滑板竖向位移的最值、幅值、均值和标准差,离线率及一次最长离线时间作为受流评价指标。接触力为零表示离线。保证正常受流的条件为接触力最小值不低于30N且标准差不超过均值的1/3;保证基本受流的条件是单弓受流时离线率不超过5%,一次最长离线时间小于0.05s。采用国际标准,0.1s以上称为大离线,0.01～0.1s为中离线,0.01s以下称为小离线。改变受电弓、接触网及机车参数,可得到各参数对受流质量的影响。3.1m跨距接触力图1反映了车速140km/h时,接触力最值、幅值和标准差随跨距的变化情况。由图可见,6m跨距时接触力最大值、幅值和标准差最小,受流质量最好;12m跨距时受电弓已经离线。图2是车速140km/h跨距为6m时,接触力随距离的变化情况。可以看出:接触力最值都出现在悬挂结构与接触线连接处附近。这是上部悬挂结构的集中质量及上部弹簧支座的约束作用造成的。3.2电子表格测试(1)最大风压机床弓网等效接触刚度表征了弓头为抵抗接触线垂直移动而产生的弹性变形的能力,它取决于接触网和弓头本身的弹性性能。在弓网系统动力学仿真计算中共有3种接触刚度,分别为8230、32300和82000N/m。表1、2分别表示了跨距为8m,车速为200km/h时,接触力和滑板位移随接触刚度的变化。可以看出,接触力最大值、幅值和标准差随等效接触刚度的增大而增大;滑板位移的最大值、最小值、幅值、均值及标准差随接触刚度值的增大而减小。接触刚度为32300N/m时接触力最小值已低于30N,标准差恰能满足要求。当接触刚度增大到82000N/m时,受流质量明显恶化。对于刚性悬挂,接触线抬升和滑板最大振幅一般都能满足要求,接触力是制约车速提高的主要因素。因此高速行驶时,应尽量选用等效接触刚度较小的接触网和受电弓。(2)弓头质量、弓头质量对受流的影响表3反映跨距为6m,车速为140km/h时,基本弓、减小弓头质量20%和增大弓头质量20%对受流的影响。可以看出:受流质量随弓头质量的增大而变差。与基本弓时的接触力相比,增大弓头质量20%对接触力的影响比减少弓头质量20%时的影响略微显著。3.3车速提高至200km/h对接触力的影响图3为6m跨距时接触力随车速的变化曲线。可以看出:随着速度的提高,接触力的最大值、变化幅值和标准差越来越大,且呈非线性增长。车速提高到200km/h时,接触力最小值即将低于30N,标准差已经大于允许值,无法正常受流;当提高到240km/h时最小接触力为零,受电弓离线。3.4由轨道引起的车辆振动(1)坡度坡度对接触力的影响穿山隧道和山区铁路的轨道常存在一定的坡度。表4为跨距6m,运行速度160km/h时,正(爬坡)、负(下坡)坡度对接触力的影响。可以看到:正坡时接触力的最值、幅值、均值和标准差随坡度值的增大而增大,负坡时随坡度值的增大而减小。对于负坡,当坡度值增大到3‰时,即将出现小于30N的最小接触力;当增大到6‰时,受电弓离线且为大离线,接触力标准差已大于均值的1/3。(2)阵风下的垂直沉降地基不均匀沉降、铁轨制造或安装误差可能会引起轨道的垂直沉降。跨距为6m,车速为160km/h时,机车在100m处有一垂直沉降时的影响如表5所示。可以明显看到:最敏感的垂直沉降在5～10mm。受电弓一旦离线,滑板位移将呈非线性猛增。当垂直沉降达到12mm时,受电弓即将离线;15mm时已经离线,但一次最长离线时间尚低于0.05s;20mm时离线时间超过0.05s。(3)幅值和波长对接触力和滑移力的影响本文只对简谐波形式的不平顺进行研究。忽略机车振动引起车顶位移波形的改变,选(1)式的正弦波为车顶振动方程。y(x)=y0sin2πxλ(1)y(x)=y0sin2πxλ(1)式中,y0、λ分别为机车振动的幅值和波长;x机车位置。以下讨论的均是跨距为6m,车速为120km/h。表6是波长为30m,接触力和滑板最大振幅随幅值的变化情况;表7是幅值为20mm,接触力和滑板最大振幅随波长的变化情况。由表6,随着幅值的增大,受流越来越差。当幅值增大到20mm时,接触力标准差开始超过均值的1/3;当幅值增大到25mm时,产生了低于30N的难以接受的最小接触力。波长对接触力和滑板最大振幅影响随波长增大而减小。波长为25m时,接触力最小值和标准差均超出限值。实际上轨道一般不会整个出现规律性的不平顺,而只在个别位置出现凹凸不平。本文设机车在80m处分别产生(2)式单个余弦波的凹、凸振动。y(x)={12y0[1−cos2π(x−xm)λ](xm≤x≤xm+λ)0(2)y(x)={12y0[1-cos2π(x-xm)λ](xm≤x≤xm+λ)0(2)式中,xm为单个余弦波的起点位置。4付款时(1)对于一定的行驶距离，有一个最优的距离车速为140km/h时,6m跨距为最优跨距。