基于有限元法的高速动车组受电弓仿真分析

文献标志码:A doi：10. 3969/j. issn. 1008 — 7842. 2019. 05. 20随着我国高速电气化铁路的快速发展，如何保证动 车组受电弓在高速状态下的受流，已成为一个日益重要

的课题。国内学者建立了多种不同的受电弓数学模型, 仿真模拟受电弓和接触网的运行状态。其中，运用最为 广泛的是归算质量模型。对于归算质量模型来说，分为

弓头和框架部分的二质量块模型；弓头、上框架和下框 架的三质量块模型。以往的归算质量模型参数，是通过

对实物受电弓进行参数测量试验获得，这就要求受电弓 厂家必须先生产出受电弓实物再进行相关测试，然后根 据测试结果和弓网仿真结果调整相应的设计参数，这就 大大增加了设计周期和财务成本。文中基于ANSYS

图1受电弓三质量块模型等软件,建立一种有限元方法计算受电弓归算质量模型 参数，并与试验测试数据对比，验证方法合理性。该方 法基于受电弓三维模型进行计算，无需生产样机，方便

2受电弓等效参数计算受电弓三质量块等效参数在各个工作高度会存在

调整设计参数，减少了设计周期和财务成本。差异。文中以380 km/h高速动车组DSA380受电弓为

1三质量块模型简介归算质量模型是在受电弓某个工作高度时，将其等 效成以弹簧阻尼系统相连接的等效质量模型。三质量

研究对象，利用ANSYS等软件计算其在1 600 mm工

作高度下的三质量块等效参数°2. 1弓头等效质量块模型通常把弓头等效成一个质量块，上臂杆与下臂杆 分别等效成一个质量块，如图1所示。归算质量模型具

弓头的垂向等效质量即为其实际质量,将DSA380

受电弓弓头三维模型导入三维建模软件CATIA并赋 予每个零件相应材料即可测得其质量！?1为7.71 kg。

有自由度少、计算效率高的优点。图1中!1 , \"1 , #1分别为弓头部分的等效质量、等 效阻尼、等效刚度!2, \"2, #2分别为上框架部分的等效

2.2弓头等效刚度弓头等效刚度即为弓头弹簧的垂向刚度。将弓头

模型导入ANSYS ,在顶管处施加固定约束,在两条滑板

质量、等效阻尼、等效刚度!3, \"3, #3分别为下框架部分 的等效质量、等效阻尼、等效刚度。中部施加垂直向下的作用力，测得滑板垂向位移即可得

到弓头的力一位移曲线,力与位移的比值即为弓头刚 度,测得弓头等效刚度$1为6 635 N/m。李笑颜（1994—）男,硕士研究生（修回日期）019 — 03 — 07）5基于有限元法的高速动车组受电弓仿真分析第期图2 计算受电弓弓头刚度0

5 10 15

20 25 30位移/mm图3受电弓弓头刚度计算结果2.3弓头等效阻尼将弓头模型导入ANSYS，固定顶管后给碳滑板一 个垂直向下的激励使其在垂直方向自由振动。在后处

理模块中输出碳滑板位移一时间曲线。根据振动力学

公式! %I4&

(1)计算得衰减系数=0.124。根据公式C !槡槡^?1 K\\

(2)将 K1 =6 635 N/m，! = 7. 71 kg 代入式(2)计算

得弓头等效阻尼G为8 93 N - s/m„45

403530252015日10 50聲

-5-10-15-20-25-30--35-4045

0 1 2

时间/s图$受电弓弓头振幅曲线1012.4框架整体等效质量受电弓框架可视为只具有垂直方向位移自由度的

单自由度系统。其自由振动微分方程表达式为ax + #* _ 0

(3)图％质量块模型原理图将受电弓模型导入ANSYS瞬态动力学模块，设置 好各关节部位的运动副，调整其达到1 600 mm的工作

高度。用刚度为3 000 N/m的弹簧悬吊在顶管处，使受

电弓在这一高度达到平衡。在顶管处施加垂向载荷使

受电弓作垂向自由振动，后处理模块输出其振动周期 Ti=0. 414 s,根据振动力学公式叫%T!

⑷将 K = 3 000 N/m,Ti=0.414 s 代入式(4)计算得 !为13.02 kg。由于模型中未添加弓头弹簧，故框架

整体等效质量！'应为与弓头弹簧质量!之和!?2 %

+ !

(5)计算得框架整体等效质量！e2为13. 98 kg。400.00图&计算受电弓框架整体等效质量2.5上框架等效刚度将受电弓模型导入ANSYS稳态动力学模块，下框

架和底架部分设置为刚体，固定受电弓下框架与底架连

接处的铰，顶管处施加初始垂向载荷，在后处理模块中铁道机车车辆391020.0--0.5--1.0-IV

-1.50

12 3时间/s图7受电弓框架整体振动周期400.00图8计算受电弓上框架刚度150-1Oo

田5O

0I

I5 T位移10-/mm(b)上框架压力一位移曲线图9受电弓上框架刚度计算结果第卷输出上框架在垂向载荷作用下的垂向位移，即可得到受

电弓上框架等效刚度°计算得DSA380受电弓上框架 刚度 $2 = 14 675 N/m。2.6上框架等效质量计算上框架归算质量采用与计算上框架刚度相同

的模型，顶管处施加初始垂向载荷后使受电弓上框架部 分产生垂向自由振动，在后处理模块中输出自由振动波

形，得到其振动周期兀=0.144 s,由公式4!(6)将 $2 = 14 675 N/m,T2=0. 144 s 代入式(6)计算

得质量!为7.71 kg；由于模型中未添加弓头弹簧，故 上框架等效质量！?3应为!与弓头弹簧质量!之和!?3 % ! + !

(7)计算得上框架等效质量！e3为8. 67 kg\"i —6-10­-12-°'4 时间/s °'6图10受电弓上框架振动周期2.7上框架等效阻尼将受电弓模型导入ANSYS,在材料属性中定义上

框架部分各零件的材料阻尼，将下框架固定，采用QR- DAMP法对受电弓进行模态分析，得到其模态阻尼比。

取一阶阻尼比£=0.010 36,根据公式将$2 =14 675 N/m 叫=& 67 kg代入式(8)计算 得上框架等效阻尼G为17. 58 N • s/m。图11计算受电弓上框架阻尼第5 期基于有限元法的高速动车组受电弓仿真分析1 03表1 受电弓上框架阻尼比将 K = 3 000 N/m,m“=13. 98 kg 代入式（11）计算 得下框架等效阻尼C为35.2 N • s/m0阶数1.阻尼比\"0.010 40.032 02.3.4.5.0. 036 20. 079 30. 056 82.8下框架等效刚度在受电弓工作范围内，理想状态下受电弓工作时的

静态接触力为常数，下框架的等效刚度为0。但受实际 工作条件，受电弓静态接触力存在微小变化，导致

下框架刚度不为0,—般其值在50#150 N/m范围内, 取其值为100 N/m。2.9下框架等效质量框架整体等效质量减去上框架等效质量即为下框 架等效质量。图12计算受电弓下框架阻尼_ m?2 —

下框架等效质量m?&为5.31 kg0（9）4020将 m“ = 13. 98 kg,m“= 8 67 kg 代入式（9）计算得 2.10下框架等效阻尼受电弓下框架的阻尼主要由阻尼器产生，将受电弓 模型导入ANSYS瞬态动力学模块，采用弹簧阻尼单元

0--20模拟受电弓阻尼器。根据DSA380受电弓四连杆模型

测得其在1 600 mm工作高度时的阻尼器长度，并由阻

-60-0.0

尼器厂家提供的阻尼器参数得到其在这一长度附近的 阻尼值为16 000 N • s/m。采用刚度为3 000 N/m的

0.5

时间/s1.0 1.5

图13受电弓下框架振幅衰减弹簧悬吊在受电弓框架顶部，施加垂向载荷使其自由振

动，输出振动波形，测得振幅衰减。! _4可*

3受电弓等效参数计算误差分析10)I &0为验证DSA380受电弓三质量块模型参数仿真结 果的准确性，对受电弓进行三质量块参数测试试验并比 较两组数据之间的误差。试验所得数据与仿真数据如

由式（10）计算得衰减系数九=0. 54（_ &2 槡m?2 K兀弓头阻尼/弓头质 弓头刚度/

量/kg(N • m 1)(N • s • m 18 126 9046 63511)表2所示。表2三质量块试验参数与仿真参数对比类型试验仿真框架整体

质量/kg14. 9913. 98上框架 质量/kg9. 198. 675. 66上框架刚度/ 上框架阻尼/（N • m 1）(N • s • m 114 10014 6754. 0820. 5下框架 质量/kg5. 805. 318. 45下框架阻尼/(N • s • m 1)

38 25下框架刚度/ （N • m 1）127100257. 715. 058. 9. 417. 635. 27. 97误差%3. 906. 7414. 15/3. 1误差分析真分析数值之间差距较大,分析其原因为弓头弹簧零部

对比表2中试验数据与仿真数据可知，通过有限元 件之间摩擦阻尼较大，该部分阻尼在仿真软件中无法完 全模拟，方法有待改善；受电弓上框架仿真得到的阻尼 与试验值误差分析为试验工装阻尼及零件摩擦产生的

方法对高速动车组受电弓三质量块模型参数进行分析 的误差一般不超过15%。其中，仿真方法在计算等效

质量与等效刚度方面与试验结果之间误差较小，考虑误 阻尼；下框架阻尼误差分析为仿真时未考虑气囊排气产 生的阻尼及对阻尼器阻尼线性取值导致。差产生的主要因素为模型精度及网格质量；在计算阻尼 参数时，DSA380受电弓弓头阻尼的试验测试数值与仿

（下转第130页）130铁道机车车辆第39卷机保有4. 7%的功率裕度，正线作业整体运行速度将有 效提升，有力保障施工作业安全顺利的完成，同时也避 免了柴油机的过载运行，对柴油机起到相应的保护作

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铁道出版社.2004.Selection and Suggestion of Diesel Engine Power for Shunting

Locomotive in Qingdao Metro$ANG Chengf eng，$ANG Jiqiang(Operation Company of Qingdao Metro Group Co.，Ltd.，Qingdao 266041 Shandong，China)Abstract: Shunting locomotive is an important equipment to guarantee the ePficient and stable operation of the metro. It plays an impor­tant role in shunting within the metro section，metro construction and line maintenance. The traction force of shunting locomotive under

theconditionsofdepotbaseandmain ineoperationiscaIcuIatedrespectiveIy.ThesafetyandeconomyofIocomotiveoperationareana-

lyzed，and the suggestion of diesel engine selection is put forward.Keywords： metro； shunting locomotive； diesel engine； selection(上接第103页)态性能测试[J].西南交通大学学报，2011，46(3)： 398-403-4结论通过有限元仿真法计算了 DSA380受电弓三质量

块模型等效参数，与试验数据对比，仿真方法在计算等 效质量及等效刚度时较为精准，说明方法对指导受电弓

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中南大学学报(自然科学版)，2006, 37(1)： 194-199.*]仲伟广，张卫华，梅桂明.V500高速受电弓模型的适用

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Based on Finite Element MethodLI Xiaoyan1，$ANG Junyong1，SU Anshe2，GA.O $enbin2，$@ Ranging'，JIARong2，HUANG Stjun2(1 Southwest Jiaotong University Mechanical Engineering College，Chengdu 610031 Sichuan，China；2 Beijing CRRC Ced Railway Electric Tech Co.，Ltd.，Beijing 100176，China)Abstract: Establishing mathematical three-lumped-mass model of pantograph and analyzing contact characteristics of high-speed EMU

pantograph-catenary system have great significance for optimizing structural parameters and improving operational reliability of panto­graph. Previous calculate method of three-lumped-mass model parameters has the disadvantages of long period and high cost which

based on experiment. In order to overcome these shortcomings，this paper uses the finite element method to calculate and optimize the 9hree-lumped-massmodelparame9ersof9hepan9ograph9hroughsimula9ionsof9ware.Theaccuracyof9hisme9hodisapprovedbycom-

paringsimula9ionresul9swihexperimen9alda9a.Dynamiccon9ac9analysisofpan9ograph-ca9enarysys9emalsoconfirms9hispoin9. Keywords： pan9ograph； model；fini9eelemen9me9hod； simula9ionanalysis