9.3.1 宗旨和目標(biāo)

向高速列車供電的新型接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)不可能采用早期傳統(tǒng)的電力牽引系統(tǒng)方法，因?yàn)樵谶@種速度下，過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)不適用。隨著速度的提高，弓網(wǎng)相互作用變得越來(lái)越重要。只有考慮到包括接觸網(wǎng)和受電弓在內(nèi)的各類配套的系統(tǒng)設(shè)備，才能獲得一個(gè)切實(shí)有用的設(shè)計(jì)方案。計(jì)算機(jī)模型方式是模擬這些部件的相互作用的有效選擇。采用這樣的數(shù)學(xué)模型既能證明各種參數(shù)的作用，還可以評(píng)估不同系統(tǒng)的相互作用。

動(dòng)態(tài)模擬的目的是要確定滑板作用在接觸線上的移動(dòng)接觸壓力與時(shí)間相關(guān)的特性，以及和接觸線抬升的相互關(guān)系。在這個(gè)過(guò)程中，必須同時(shí)分析多個(gè)接觸點(diǎn)的相互作用，例如，采用單弓和多弓。為了使應(yīng)用的模型更有效，還要計(jì)算比測(cè)量接觸壓力更容易的其他參數(shù)，如接觸網(wǎng)的運(yùn)動(dòng) [9.12]。為充分考慮所有相關(guān)性，模型必須能模擬接觸網(wǎng)設(shè)備的以下特性：

圖9.8 型號(hào)為SBS 81受電弓的三個(gè)質(zhì)量模型

m—各部分質(zhì)量; c—彈簧彈性模數(shù); d—阻尼;FR—摩擦力

圖9.9 受電弓的6個(gè)質(zhì)量模塊分別帶有彈性

滑板 (符號(hào)同圖9.8)

—各種類型的接觸線、承力索、彈性吊索和吊弦，包括它們的材料特性和安裝條件;

—不同的接觸網(wǎng)設(shè)備，例如，彈性承力索，有輔助承力索，或者吊弦間隔不均勻;

—各種支持結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，即，定位管、腕臂支持裝置和支柱;

—不連續(xù)性，比如象分段絕緣器，錨段關(guān)節(jié)、接觸網(wǎng)高度的下降及上述位置處的接觸網(wǎng)裝置;

—完整的錨段。

受電弓和滑板模型一定要考慮以下基本參數(shù)：

—不同類型的受電弓結(jié)構(gòu)和它們各自的特性，如，單臂受電弓、雙臂受電弓;

—不同類型的接觸元件，如，滑板面、單個(gè)滑板。

子系統(tǒng)的參數(shù)應(yīng)易于改變，可允許優(yōu)化參數(shù)。另外，受電弓和接觸網(wǎng)模型的質(zhì)量必須相當(dāng)或接近，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確。

受電弓和接觸網(wǎng)設(shè)備是兩個(gè)獨(dú)立接觸點(diǎn)上相互振蕩和耦合的系統(tǒng)。有多個(gè)滑板的受電弓就會(huì)形成多點(diǎn)短距離分離接觸，再利用這種模型，通過(guò)接觸壓力和接觸點(diǎn)的位置，可以建立部分模型之間的耦合。

9.3.2 受電弓系統(tǒng)的模型

接觸網(wǎng)與受電弓的接觸點(diǎn)形成了兩個(gè)系統(tǒng)的耦合。這就要求合理模擬在這一點(diǎn)的特性和相互作用。　必須計(jì)算接觸壓力和接觸點(diǎn)的垂直運(yùn)動(dòng)。如果采用系統(tǒng)的平面模型，可認(rèn)為力總是作用在滑板的同一點(diǎn)上。假設(shè)通過(guò)滑板力的作用點(diǎn)的線性橫向移動(dòng)，可以考慮接觸線的橫向移動(dòng)的立體作用。

由替換的質(zhì)量代替受電弓，通過(guò)彈簧和緩沖器相互耦合，建立一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，這種模型的振蕩行為可以通過(guò)一個(gè)系統(tǒng)的二次微分方程表達(dá)。方程式的多少取決于替換質(zhì)量的數(shù)量，即取決于系統(tǒng)自由度的數(shù)量。通常情況下采用三個(gè)替換質(zhì)量。它們可以利用質(zhì)量代表受電弓的下框架、上框架和滑板板面。圖9.8為采用三個(gè)質(zhì)量模型SBS 81型德國(guó)鐵路受電弓 [9.13]。

替換質(zhì)量數(shù)量少意味著只考慮選擇受電弓振蕩模式。例如，受電弓上框架附件的復(fù)合振蕩以及圖9.8所示的單個(gè)彈性滑板均不含在這種模型中。

圖9.9是由于研究帶單個(gè)彈性滑板的受電弓，采用的6塊質(zhì)量模型的形式。這里，滑板的質(zhì)量被分成位于不同支持點(diǎn)上的分質(zhì)量塊。沿滑板的沖擊力在各質(zhì)量塊中相對(duì)于接觸點(diǎn)的位置成線性分布。

圖9.10 受電弓模型的分析

在參考文獻(xiàn) [9.14] 中所開發(fā)的模型是專門用于條形滑板的單臂受電弓。這種受電弓模型有四個(gè)自由度，如圖9.10所示，不僅考慮了進(jìn)行條形彈簧的垂直運(yùn)動(dòng)和中、低部連接的有角度的運(yùn)動(dòng)，而且還考慮了上框架的彎曲。插入數(shù)學(xué)模塊的參數(shù)是從受電弓部件的幾何和材料參數(shù)中推導(dǎo)出來(lái)的。不幸的是沒(méi)有通用的分析摸型，因?yàn)樵O(shè)計(jì)中每個(gè)微小的變化，比如，采用單個(gè)的彈性滑板，就需要新的運(yùn)算法則。采用有限元法就可以得到理想的精確度。在參考文獻(xiàn) [9.15] 中，ICE的受電弓的模型就是采用的有限元法，具有480°的旋轉(zhuǎn)范圍，也包括了其中的運(yùn)算過(guò)程。為得出這樣的結(jié)論在計(jì)算中付出了高昂的代價(jià)，但

計(jì)算模型精確度的改進(jìn)卻微乎其微。因此，參考文獻(xiàn) [9.15] 的作者僅采用了簡(jiǎn)單的三個(gè)質(zhì)量模型來(lái)優(yōu)化受電弓的設(shè)計(jì)。

圖9.11 SBS 65型和DSA350型受電弓設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)外觀質(zhì)量模塊

還可以用測(cè)得的與頻率相關(guān)的動(dòng)態(tài)表面質(zhì)量和動(dòng)態(tài)模擬彈性受電弓 (參見參考文獻(xiàn)[9.1] 的圖9.11.)。這樣在計(jì)算中可將受電弓的沖擊和反應(yīng)視為在相應(yīng)頻率時(shí)單獨(dú)反應(yīng)的累加。在此模型中，采用單獨(dú)頻率運(yùn)算方法是具有優(yōu)勢(shì)的。在其他的模型中，通過(guò)諧波分析可以確定激勵(lì)模型。除了上述的測(cè)量外，通過(guò)考慮單獨(dú)頻率傳輸慣性，也可以確定動(dòng)態(tài)表面質(zhì)量的相位反應(yīng)。

9.3.3 接觸網(wǎng)模型

9.3.3.1 基本思路