HXD3型电力机车弓网接触力动态特性分析

2018-04-03郑州铁路职业技术学院张琼洁张铁竹

电子世界 2018年5期

郑州铁路职业技术学院　张琼洁　张铁竹

在电力机车弓网系统中，高压接触网通过受电弓将电能传递给机车。随着铁路高速、重载化发展，列车行驶过程中受到接触网线和轨道的激励都会增大，从而引发受电弓振动增加导致弓网压力变化，导致受流质量降低，从而影响列车的运行安全。因此，通过分析接触网的动力学性能和结构参数，研究监测接触网与受电弓之间接触压力的动态变化，可以对列车的弓网状态进行有效的准确监控，降低弓网故障的发生概率，从而保证列车的完全运行。本文以郑州机务段HXD3型电力机车弓网动态系统为研究对象，在实际运行大数据基础上建立弓网模型，最后通过仿真分析，得到弓网压力的仿真数值与图形，为维持正确的弓网关系，减少弓网接触故障提供了理论依据。

表1　DSA200型受电弓主要技术参数

1.HXD3型电力机车DSA200型受电弓动力学分析

1.1　DSA200型受电弓介绍

HXD3型电力机车采用DSA200型单臂受电弓，该受电弓由大同电力机车有限公司引进德国的生产技术并国产化的产品。其主要优点跟随性好，受流质量稳定，是目前国内新造机车的首选型号，适用于设计速度200KM/h的各种电力机车及动车组。其主要技术参数如表1：

DSA200型受电弓具有在较小的气动阻力且气动特性在不同气流条件下保持不变，在低触电压力情况下以少量的电弧进行能量传输，因此在单牵引以及多牵引时滑板可以获得较高的运行效率。结构主要由底架、阻尼器、升弓装置、下臂、弓装配、下导杆、上臂、上导杆、弓头、滑板、及升弓气源控制阀板等机构组成，如图1所示[1]：

图1　DSA200型受电弓结构

图2　受电弓和接触网垂向耦合动力学模型

1.2　弓网动态受力模型分析

接触网和受电弓的弓网模型关系在机车动态运行的受流过程中起到至关重要的作用，因此保证弓网之间持续性的可靠接触是保证良好受流质量的前提。在机车动态运行过程中，受电弓和接触网的关系可看做是两个独立接触点上相互震动和耦合的系统。建立合理的弓网接触动力学模型才能更好的分析弓网关系，实现对弓网接触力的实时监测。该模型的建立是通过接触压力和接触点的位置，建立受电弓和接触网之间的动态耦合。通过进一步动态模拟确定受电弓滑板作用在接触网上的动态接触力与时间的非线性特性，从而实现对弓网接触力的实时监测[2]。将接触网和受电弓线性化建立的弓网垂向耦合动力学模型如图2所示。

接触悬挂是一个复杂的非线性受力系统，忽略接触网的横向振动对弓网接触的影响，建立动力学平衡方程通式为[3]：分别为力矩阵、广义位移矩阵、速度矩阵、加速度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵。

2.弓网接触压力检测系统

根据DSA200型受电弓的结构特点，在受电弓支持装置上加装传感器检测装置。本文研究主要检测弓网接触压力，采用加速度传感器和压力传感器相结合的方法来检测弓网接触压力。并通过受电弓振动特性抬升量得出传感器输出信号同弓网接触力之间的关系。由于弓网动接触动态变化，不同时刻弓网接触位置不同，因此不能只对单一位置进行测量。在机车运行时受电弓的弓头做三维运动，即横向摆动、机车运行方向、垂直方向。弓网冲击力随机车速度的增大而增大。为准确检测弓网接触压力，传感器安装位置如图3所示，当接触网同受电弓滑板接触，两个传感器同时动作，感应相应的量值。

图3　弓网压力检测系统示意图

接触线的高度变化、悬挂特性、线路状态、机车运行速度等因素直接影响着受电弓与接触线之间的动态接触压力。在电力机车运行速度较高时，受电弓的高度不断发生变化，将产生很大的惯性力Fa、加于受电弓上的空气动力Fk以及受电弓自身结构产生的摩擦力Fm。在各种不同力的作用下受电弓的动态受力与静态受力有较大差异。根据受力分析，不论是受电弓压力作用位置不断变化，还是力的方向不断变化，根据力的正交解法，任何方向的接触压力都可以分解为两个互相垂直的力。一个力与滑板面垂直，是衡量受流质量和检测的重要指标；另一个力与机车的运行方向一致，由电力机车的牵引动力克服。因此弓网动态接触压力F可表示为：