委内瑞拉铁路DSA250弓网受流特性分析＊

马果垒，姚念良，宋 瑶，吴荣平

（北京赛德高科铁道电气科技有限责任公司，北京100176）

高速电气化铁路的关键技术之一是如何保证在高速运行条件下具有良好的受流质量，即在列车高速运行时保持稳定的动态受流。为了获得稳定的受流，受电弓的弓头滑板与接触线之间要有一定的接触压力。

同时为了提高列车运输能力，需要采用大编组形式。在编组形式下，高速列车采用多弓运行，这就出现了多弓作用下的弓网系统动力学问题。

委内瑞拉铁路高速客运专线是中国为南美国家委内瑞拉总承包设计的高速客运专线，其动车组也由国内提供，此项目不仅要求采用双弓运行，而且要求采用3弓受流。同时根据其运行的特点，其多弓运行的弓间距为100m。动车组最大运行速度为220km／h，最大试验速度为250km／h。

目前，国内DSA250受电弓已进行过大量的单弓和双弓受流的研究和实际运用［1－4］。而在国内运行时其弓间距为200m，在小弓间距下，多弓运行200km／h以上，没有成功运用的先例。而且国内没有进行过3弓受流的应用与研究。

本文利用DSA250受电弓结合委内瑞拉铁路接触网参数，对弓网受流特性进行全面的研究。通过研究委内瑞拉接触网下的DSA250受电弓受流特性，为设计者提供准确可靠的数据，保证列车的正常运行，具有重要的指导意义。

1 模型建立

1.1 受电弓建模

DSA系列受电弓是性能优异的受电弓，广泛安装在机车和动车组上。DSA250受电弓由弓头、框架、底架和传动机构4部分组成，框架又由上导杆、上臂杆、下臂杆和下导杆等杆件组成，各杆件通过铰接连接在一起。底架支持框架，通过绝缘子固定在车顶上，框架通过升弓装置支持弓头，传动机构作用于下臂杆来实现升弓动作，见图1。

在进行仿真时，对于受电弓多采用3质量—阻尼—弹簧模型。杆件模型转化为3质量—阻尼—弹簧模型根据能量守恒定律得出。

本文仿真用的DSA250受电弓的3质量块模型，见图1，其具体参数由受电弓制造商提供。

图1 DSA250受电弓实物与三质量块模型

1.2 接触网建模

委内瑞拉接触网采用全补偿简单链型悬挂，其正线跨距为60m，见图2。具体参数由设计部门提供，见表1和表2。

图2 委内瑞拉接触网型式

表1 委内瑞拉接触网主要参数

表2 委内瑞拉接触网主要质量参数 kg

接触网是由一种索、缆结构构成，在将接触线通过吊弦悬挂在承力索上时，接触线在初始张力和自身重力的作用下，将会产生一定的自然弛度。此时，为保证接触线在整个跨距内对轨面的高度一致，则需要相应的调整吊弦长度［5］。

图3 接触网有限元模型

图4 现实平衡态的接触网模型

在有限元软件中，基于负弛度法建模，见图3，经过一步初始平衡计算后，接触网达到现实平衡态，见图4。

1.3 弓网耦合仿真模型

利用前面建立的受电弓模型和接触网模型，就可以进行弓网耦合仿真分析［8］，见图5。

用ANSYS模拟弓网动态耦合有两大难点：①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；②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。

图5 基于ANSYS的弓网耦合仿真模型

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）。利用单元生死技术对受电弓各节点施加水平位移可以实现对弓沿线移动这一过程的描述。

利用得到的弓网耦合仿真模型就可以进行弓网仿真分析［6］。

同时在仿真的过程中，对于所有的受电弓根据EN 50367标准7.2章要施加一个抬升力，同时参考DSA250受电弓的风洞试验结果。这个抬升力取决于速度。表3列出了对于不同仿真速度下的抬升力。

表3 仿真时受电弓抬升力

其具体计算过程如下：

（1）建模。分别建立接触网模型和受电弓模型，利用接触对单元建立弓网耦合模型；

（2）静态求解。利用单元生死技术，考虑重力、张力的作用，得到接触网、受电弓的现实平衡态；

（3）动态求解。对受电弓施加位移模拟受电弓沿着接触网运行状态，得到弓网动态受流结果；

（4）后处理。提取出接触力和滑板竖向位移的时基曲线。

1.4 接触力评价标准

对于每个仿真结果，进行下面的统计：

力的平均值Fm

标准偏差σ

最大的统计值Fm＋3σ

最小的统计值Fm－3σ

最大压力值Fmax

最小压力值Fmin

根据EN 50367标准临界值考虑为超出下列界限的那些值：

标准偏差σ≤0.3×Fm

根据EN 50119《铁路设施 固定装置电气牵引架空接触线》标准，以下面的值作为界限：

接触力最大值 ≤350N

接触力最小值 ＞0N＊＊国内最小值标准为20N。

统计的最小接触力Fm－3σ＞0N＊＊国内最小值标准为20N。

对于“最大接触线抬升量”的值，根据EN 50367标准中规定限界：

最大接触线抬升量 ＜120mm

对于超过限值的数值用红色标出。

2 计算结果的比较

2.1 单弓250km／h仿真结果

为验证仿真的正确性，进行单弓受流的仿真，并与DSA250受电弓的实际使用情况进行比较。表4为仿真数据，图6为仿真曲线。

表4 单弓250km／h时仿真结果统计

图6 单弓250km／h速度下接触力曲线

从表4和图6中可以看出DSA250受电弓在委内瑞拉接触网下单弓受流时能够满足标准限值，这与实际线路运行的结果一致。

2.2 双弓受流分析

2.2.1 弓间距100m，速度220km／h双弓仿真结果

按照委内瑞拉客运专线的要求，设定弓间距为100m，进行双弓受流仿真。

从表5和图7中可以看出DSA 2 5 0受电弓在委内瑞拉接触网下，弓间距100m，双弓受流220km／h时接触力能够满足标准限值，接触力没有出现小于20N的情况。而且后弓振荡明显大于前弓。

这说明在委内瑞拉接触网下，弓间距100m时，完全可以满足双弓运行220km／h速度等级。

2.2.2 弓间距100m，速度250km／h双弓仿真结果

表5 弓间距100m，速度220km／h双弓仿真结果统计

图7 弓间距100m，速度220km／h双弓接触力曲线

表6 弓间距100m，速度250km／h双弓仿真结果统计

从表6和图8中可以看出：在弓间距100m，速度250km／h下，双弓受流接触力偏差值σ超出标准限值，而且接触网最小值有小于20N的情况出现，但是没有出现离线，即接触力为零的情况。而且后弓振荡大于前弓。

这说明在委内瑞拉接触网下，弓间距100m时，不建议双弓受流持续运行在250km／h速度下，但是可以满足试验的要求。

图8 弓间距100m，速度250km／h双弓接触力曲线

2.3 3弓受流分析

2.3.1 弓间距100m，速度220km／h 3弓仿真结果

按照委内瑞拉客运专线的要求，设定弓间距为100 m，进行3弓受流仿真。

表7 弓间距100m，速度220km／h 3弓仿真结果统计

从表7和图9中可以看出：在弓间距100m，速度220km／h下，3弓受流接触力满足标准限值，接触力没有出现小于20N的情况。而且中间弓和后弓的振荡要大于前弓。

这说明在委内瑞拉接触网下，弓间距100m时，完全可以满足3弓运行220km／h速度等级。

2.3.2 弓间距100m，速度250km／h 3弓仿真结果

图9 弓间距100m，速度220km／h 3弓接触力曲线

表8 弓间距100m，速度250km／h 3弓仿真结果统计

图10 弓间距100m，速度250km／h 3弓接触力曲线

从表8和图10中可以看出：在弓间距100m，速度250km／h下，3弓受流接触力偏差值σ超出标准限值，而且接触网最小值有小于20N的情况出现，但是没有出现离线，即接触力为零的情况。而且后弓振荡大于前弓。

这说明在委内瑞拉铁路接触网下，弓间距100m时，不建议3弓受流持续运行在250km／h速度下，但是可以满足试验的要求。

综合以上结果可知在委内瑞拉铁路接触网下，弓间距为100m，动车组最大运行速度可达220km／h，最大试验速度可达250km／h。

3 结论

本文结合委内瑞拉铁路项目，利用有限元技术，借助“接触对”模拟弓网动态行为，对多弓受流弓间距进行优化研究，得出了有益的成果。

（1）DSA250受电弓在委内瑞拉铁路接触网下单弓受流250km／h时完全满足标准限值，这与国内实际线路运行时的试验结果一致；

（2）多弓受流时，接触网波动对后弓有影响，容易造成后弓离线而且不同的弓间距对后弓受流具有不同的影响效果；

（3）弓间距为100m，动车组最大运行速度可达220 km／h，最大试验速度可达250km／h。

在设计开发的前期进行基础的研究，提高了设计的效率。

［1］周 宁，张卫华.双弓作用下的弓网动力学性能［J］.西南交通大学学报，2009，44（4）：552－557.

［2］马果垒，马 君，等.基于多体系统动力学的受电弓参数优化［J］.大连交通大学学报，2010，31（4）：15－21.

［3］马果垒.受电弓系统研究［D］.成都：西南交通大学，2009.

［4］张卫华.机车车辆动态模拟［M］.北京：中国铁道出版社，2006：293－336.

［5］李瑞平，周 宁，等.初始平衡状态的接触网有限元模型［J］.西南交通大学学报，2009，44（5）：732－737.

［6］周 宁，张卫华.基于直接积分法的弓网耦合系统动态性能仿真分析［J］.中国铁道科学，2008，29（6）：71－76.