计及空气阻尼的西兰高铁弓网动态耦合受电弓振动影响研究
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摘 要：西兰高铁运行环境恶劣，受大风影响严重，为保证弓网受流质量，高速运行下的受电弓和接触网必须满足动态耦合和动态稳定性要求，才能防止在极端情况下出现弓网事故。本文基于空气动力学，分析了计及空气阻尼下西兰高铁DSA250受电弓的振动特性。首先，将受电弓归算为三质量块模型，然后从数值计算理论出发，建立受电弓的空气动力学模型，分析了不同横风作用下受电弓的弓头和上下框架的受力情况，最后通过MATLAB软件仿真，仿真分析计及空气阻尼下，不同横风作用下受电弓的振动特性。
关键词：空气动力学 接触压力 三质量块模型 空气阻尼 弓网耦合
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）12（a）-0121-03
弓网的动态受流质量作为评估高速铁路的关键指标之一。本文以西兰高铁弓网系统为研究对象，研究计及空气阻尼的西兰高铁弓网动态耦合受电弓的振动特性。
1 西兰高铁弓网耦合建模
1.1 受电弓建模
西兰高铁动车组所使用的受电弓是DSA250单臂受电弓，简化受电弓结构，对受电弓结构进行线性化处理。本文采用由刚性弹簧连接的阻尼三质量块模型。图1所示的是受电弓等效原理图，通过归算质量法将弓头、框架、各个构件的转动惯量和质量等效为三质量块模型[1]。
1.2 弓网耦合建模
根据前面西兰高铁DSA250三质量块受电弓模型，受电弓通过刚度为KS的弹簧耦合在一起，最终建立弓网耦合系统模型，如图2所示。承力索和接触线的垂向位移分别为
2 计及空气阻尼的弓网耦合受电弓振动分析
2.1 计及空气阻尼的接触网动力学方程修正
在风载荷作用下，接触网受到恒定气动力，接触线微幅振动将引起攻角改变，从而在接触网产生阻尼效应。在空气阻尼下，接触网微分方程建立需考虑攻的影响，图4为接触线受力示意图[2]。
2.2 计及空气阻尼的受电弓动力学模型
高速运行的受电弓会对相对静止的空气产生冲击，向四周流动的气流在受电弓部分部件会产生气动升力并伴随部分气动阻力，图5是受电弓在运行过程中气动升力和气动阻力的示意图。通过线路试验证明，受电弓弓头上受到的气动阻力约为75%～80%，框架上受到的气动阻力约为20%～25%，两个运行方向的气动阻力基本一致[3]。
本文引入空气动力学理论，将流体视为连续介质，受电弓空气动力学的问题可以通过建立连续函数的数学模型来帮助求解，引入速度势与流函数，受电弓处于不可压缩流场中的欧拉方程为
3 横风作用下的弓网动态耦合分析
3.1 受电弓气动力的数值计算
研究横风作用下西兰高铁的弓网垂向振动特性，主要包括风载荷对接触网的影响和对受电弓的影响，本文通过改变受电弓三质量块所受抬升力和接触网的阻尼矩阵来研究弓网系统垂向振动特性。机车运行速度为250km/h时，横风速度为5m/s、15m/s和25m/s时受电弓的气动升力如表2所示。
由表2可以看出，机车运行速度为250km/h时，随着横风速度的增大，受电弓的气动升力显著变大，与无风相相比，横风使受电弓的受力更加复杂。
接触网在横风作用下的空气阻尼如表3所示。
由表3可以看出，在横风作用下承力索和接触线的空气阻尼很小，当横风风速为25m/s时，承力索空气阻尼为0.1825，而接触线空气阻尼为0.0816。
3.2 计及空气阻尼的弓网动态耦合仿真分析
机车运行速度为250km/h时，将不同风速下的空气阻尼和受电弓的升力代入所建立的动力学方程，通过仿真得到不同风速下弓网接触压力的仿真图。
4 结语
本文分析了计及空气阻尼下西兰高铁DSA250受电弓的振动特性。首先建立弓网动态耦合模型，然后从数值计算理论出发，建立受电弓的空气动力学模型，最后通过MATLAB软件仿真，分析计及空气阻尼下，不同横风作用下受电弓的振动特性。具体结论如下。
（1）在空气阻尼作用下，分析不同风载荷在接触网上的阻尼，并对接触网动力学方程重新修正。通过流体力学和空氣动力学的知识，采用数值计算法得到受电弓在不同风速下受电弓的弓头和上下框架的气动抬升力，从而进一步修正弓网耦合模型。
（2）在空气阻尼作用下，不同横风U作用于弓网系统， 弓网的接触压力和受电弓抬升量以跨距为单位周期性的变化。随着横风U的增大，受电弓抬升量的最大值和平均值增加，说明弓网之间的磨损加剧。
参考文献
[1] 韩南南.基于接触网动力学参数变化的弓网系统振动特性研究[D].上海工程技术大学，2016.
[2] 刘志刚，韩志伟，侯运昌，等.计及空气阻尼影响的接触线波动速度修正研究[J].铁道学报，2013，35（1）： 41-45.
[3] 吴积钦.受电弓与接触网系统[M].成都：西南交通大学出版社，2010.
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