基于ADAMS下高铁弓网耦合动态性能仿真分析

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摘要：利用三维几何建模proe软件进行建模，并在ADAMS下对弓网耦合的动态性能进行仿真，并对仿真结果进行分析验证，同时也验证了采用ADAMS软件对弓网耦合动态分析具有一定的有效性，对于弓网关系在ADAMS下进一步研究具有一定意义。

关键词：ADAMS；弓网；动态性能；仿真

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）18-0184-02

0 引言

高铁中，弓网耦合关系是高速弓网动力学研究的核心之一，其耦合关系对高速受流质量的好坏起着决定性的作用，只要耦合一出现问题，将影响正常的受流特性。而且受电弓和接触网一旦发生事故，将会带来十分严重的后果。因此作为影响高铁运行安全、速度和运行稳定的关键技术之一，受电弓在接触网下的高速受流性能关系的研究尤为重要。目前，国内对受电弓的动力学性能也进行过很多的研究，特别随着计算机各种多体动力学软件的应用，弓网藕合动力学的研究和分析也变得越来越快捷有效，并且通过模型仿真有利于新系统的开发和性能要求的提高。本文将利用PROE软件建立耦合的弓网三维动力学模型，并利用ADAMS软件分析受电弓系统的基本特性。ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成，用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真，而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题进行快速有效的建模与仿真分析。MSC.ADAMS在机车车辆中的应用实例比较多，特别是ADAMS具有独特的线线接触功能进行仿真，更能体现弓网之间的接触作用力，对于弓网耦合的动态性能做到较好仿真。受电网是用柔性单元模拟的，但此模型中存在局限性，即将车辆只按照刚体模型考虑的并且未考虑轮轨接触的影响。

1 建模

1.1 受电弓建模 高速受电弓一般由弓头、框架、底架和传动机构四部分组成，而框架又由摆杆、上臂杆、下臂杆、支撑杆和平衡杆等杆件组成，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。气动升弓装置安装在底座上。通过钢丝绳作用于位于下臂杆下部的扇形板，从而实现升弓过程。下臂杆、上框架和弓头采用不锈钢焊接而成。碳滑板安装在弓头支架上，弓头支架垂悬在4个拉簧下方，两个扭簧安装在弓头和上框架间[1]。可根据受电弓各部件的约束关系，受电弓各部件可进行装配，通过简单的简化后可利用三维几何建模proe软件进行建模，得到模型。此次仿真采用单臂弓进行建模。

1.2 高速接触网模型 采用简单链型悬挂接触网系统System1， 其接触网主要参数可以参考相关文献，由此利用几何参数建立三维模型。导入到受电弓三维模型中进行关联，便得到弓网耦合模型。在此次接触网模型中，进行简化，具体在于：没有考虑到接触线的表面不平顺和机车、轨道振动。接触线的表面不平顺还没有一个定义，和轨道不平顺一样，接触线的不平顺也应该是各种波长谐波的组合， 可以用频谱的方法来表达，但这个网谱需要通过大量的实测统计得到，没有网谱的表达式[2]，因而比较难以体现。

2 仿真及分析

2.1 模型导入及属性添加 Mechanical/Pro是ADAMS的接口模块，是连接Pro/E与ADAMS之间的桥梁。二者采用无缝连接的方式，使Pro/E用户不必退出其应用环境，就可以将装配的总成根据其运动关系定义为机构系统，进行系统的运动学仿真，并进行干涉检查、确定运动锁止的位置、计算运动副的作用力。很方便地可将Pro/E下的三维弓网耦合模型导入到此软件中。并通过添加模型中各元件的参数、预载以及各连接副等，便可进行动态仿真。此次仿真在v=250km/h，考虑到空气的影响下进行：气流对受电弓产生的抬升力约为12N，空气阻力为550N。

2.2 仿真 弓网动态耦合分析，主要进行的是弓网之间的接触压力变化的分析，弓网之间的接触压力变化是高速受流的一个主要指标。理论研究证明：对于接触悬挂一受电弓系统而言，其间的接触压力变化幅度越小、变化率越低，则动态受流质量越高，反之，则变坏。当其间的接触压力过大时，则导线和滑板的磨耗加剧，寿命缩短；压力过小或趋近零值时，则使弓线间接触不良，造成离线，甚至引起拉弧，烧损接触线和滑板，形成取流状态恶性循环[3]。本次仿真就是分析弓网之间的接触压力变化。其仿真结果如下：

2.2.1 考虑受电弓上框架为刚性时的仿真：

这与实验结果吻合，可具体参考文献[4]。同时也验证了采用ADAMS软件对弓网耦合动态分析的有效性。

2.2.2 考虑受电弓上框架为柔性时的仿真：ADAMS中有柔性分析模块(ADAMS/Flex)，支持有限元软件中的MNF(模态中性文件)格式，结合ADAMS/Linear模块，可以对零部件的模态进行适当的筛选，并可以人为控制各阶模态的阻尼。在建立的三维刚体受电弓中的上框架直接进行模态分析，并用产生的柔性上框架文件替换，便直接可以仿真。仿真结果如下：

比较刚性时的仿真，两者之间没有多大变化，根本原因在于两者仿真都是基于同一个仿真条件：没有考虑到接触线的表面不平顺和机车、轨道振动，因而体现不出两者不同。同时也说明了在对弓网耦合动力学仿真时，其仿真模型不能一概而论地说必须采用非线性模型。具体可参考文献[5]。

参考文献：

[1]马果垒等.高速受电弓整体结构特性分析.机械强度，2010.

[2]张卫华，梅桂明，陈良麒.接触线弛度及表面不平顺对接触受流的影响分析.铁道学报，2000.

[3]于万聚.高速接触网一受电弓系统动态受流特性研究.铁道学报，1993.

[4]王东.受电弓试验研究及弓网空间混合模拟试验台设计.成都:西南交通大学，2008.

[5]梅桂明，张卫华.受电弓/接触网系统动力学模型及特性.交通运输工程学报，2002.