皋金龙

0 引言

隧道内刚性接触网相比柔性接触网具有一定优势，其接触线无张力，具有零部件少、载流量大、安全可靠、维修量小等优点，广泛应用于地铁隧道内[1]。在国内，广州地铁2号线首次采用刚性接触网技术，经过多年技术积累，目前在北京地铁大兴机场线实现时速160 km的突破。随着国内城轨交通线路运营速度的不断提升，对刚性接触网弓网动态性能要求越来越高，锚段关节是影响和制约弓网系统良好受流的关键区段，有必要对不同受电弓在高速通过锚段关节时的弓网动态性能进行研究。

目前，相关的文献仅研究了某种受电弓在160 km/h及以下速度通过锚段关节时的弓网动态性能，尚未对不同型号受电弓高速通过锚段关节时的弓网动态性能进行研究[2～6]。本文利用有限元法建立3种型号受电弓与刚性接触网的动力学模型，分析比较3种型号受电弓以160～220 km/h速度通过锚段关节时的弓网动态性能参数，为研发更高速度等级的受电弓与刚性接触网系统提供技术参考。

1 模型建立

1.1 刚性接触网仿真模型

刚性接触网由汇流排、接触线、悬挂与定位结构等组成，将接触线夹持在汇流排中。在建模时将汇流排与接触线作为一个整体考虑，采用欧拉梁等效。因汇流排与接触线的密度相差较大，需要采用集中质量点在欧拉梁单元两端补充密度差。悬挂与定位结构分为门式悬挂结构与悬臂式悬挂结构，两种结构可等效为带集中质量的弹簧[7，8]，但考虑到速度等级较高时该等效方式会存在较大误差，故将实际模型简化处理后进行建模。

本文以北京地铁大兴机场线为例，其机械分段采用平行交错式锚段关节，相邻刚性接触网锚段几何重叠构成锚段关节，重叠区域在空间上存在等高点，使受电弓平滑地从一个锚段过渡到另一个锚段。大兴机场线锚段关节长度为6 m，汇流排终端悬臂长度1.5 m，翘起段长度1.0 m，汇流排端部翘起70 mm，平面布置如图1所示。利用有限元法将刚性接触网离散成若干个梁单元，建立2个锚段的刚性接触网锚段关节仿真模型，如图2所示。

图1 平行交错式锚段关节平面布置

图2 平行交错式锚段关节仿真模型

1.2 受电弓仿真模型

受电弓为双四连杆机构，由弓头、上框架、下臂杆、传动系统与底架等组成。目前使用较多的受电弓模型是质量块模型，三质量块模型的仿真结果比二质量块模型更准确[9]，故本文选取受电弓三质量块模型进行弓网动态仿真，选取3种型号受电弓（DSA200、DSA250及DSA380）进行研究。

2 仿真结果分析

3种型号受电弓分别以速度160、180、200、220 km/h通过2个锚段，进行弓网仿真得到弓网接触力。分别绘制3种型号受电弓在不同速度等级下的弓网接触力曲线，如图3所示（图中横坐标为里程/m，纵坐标为接触力/N）。

图3 3种型号受电弓以不同速度通过锚段关节时的弓网接触力曲线

对比各速度等级的弓网接触力曲线可以发现：3种型号受电弓的弓网接触力随着速度的增加波动剧烈，弓网接触力在锚段关节处均波动很大且出现峰值；在220 km/h速度等级下，DSA250受电弓的弓网接触力在全锚段整体波动剧烈，已不能体现锚段关节处的弓网接触力波动特征值，表明受电弓与刚性接触网之间受流质量较差，DSA250受电弓不适合在该速度等级下运行。

为分析比较3种型号受电弓与锚段关节的最佳适应性，对3种型号受电弓通过锚段关节区域的接触力特征值进行统计，如表1—表4所示。

表1 160 km/h时锚段关节区域弓网接触力特征值 N

表2 180 km/h时锚段关节区域弓网接触力特征值 N

表3 200 km/h时锚段关节区域弓网接触力特征值 N

表4 220 km/h时锚段关节区域弓网接触力特征值 N

根据TB/T 3271对接触力范围的规定，接触力值应在0～300 N范围内。对比不同速度等级下的弓网接触力特征值可知，各型号受电弓在锚段关节处的弓网接触力最大值随速度增大而增大，弓网接触力最小值随速度增大而减小，弓网接触力最大值与最小值均处于TB/T 3271规定的接触力范围内。

根据标准EN 50367弓网动力相互作用参数的规定，0.3倍接触力平均值减接触力标准差的值应大于0，且该值越大，表明弓网接触质量越好。故在200与220 km/h速度等级下，DSA200与DSA250受电弓都不能适应该锚段关节，虽然DSA380受电弓能够适应该锚段关节，但弓网接触质量较差。

接触力标准差越小，表明接触力集中程度越高，弓网系统接触越良好，受流质量越高。将不同速度等级下3种型号受电弓在锚段关节的弓网接触力标准差进行比较，如图4所示。

由图4可知：在160 km/h速度等级下，DSA250受电弓在锚段关节处的弓网接触力标准差最小；在180 km/h速度等级下，DSA380受电弓在锚段关节处的弓网接触力标准差最小；在200 km/h与220 km/h的速度等级下，DSA380受电弓在锚段关节处的弓网接触力标准差最小。因此在速度等级为160 km/h时，DSA250受电弓与该锚段关节的适应性更好，在速度等级为180 km/h及以上时，DSA380受电弓与该锚段关节的适应性更好。

图4 不同型号受电弓的锚段关节弓网接触力标准差

3 结语

本文通过建立受电弓与刚性接触网仿真模型，研究不同型号受电弓高速通过锚段关节的弓网动态性能，得到以下结论：

（1）受电弓通过锚段关节时，弓网接触力出现剧烈波动，并出现峰值。受电弓通过锚段关节时的弓网接触力最大值随速度增大而增大，弓网接触力最小值随速度增大而减小。

（2）不同型号受电弓以不同速度等级通过锚段关节时会呈现出不同弓网接触力特征。在速度等级为160与180 km/h时，DSA200、DSA250及DSA380 3种受电弓均能与锚段关节相匹配。通过分析比较接触力标准差，在速度等级为160 km/h时，DSA250受电弓与锚段关节的适应性更好，在速度等级为180 km/h及以上时，DSA380受电弓与锚段关节的适应性更好。

（3）通过比较0.3倍接触力平均值减接触力标准差的值，得出在速度等级为200与220 km/h时，DSA200、DSA250两种受电弓均不能与锚段关节相匹配，DSA380受电弓可与锚段关节相匹配，但弓网接触质量不佳。