重型卡车不同受电弓结构在道路激励下的动态特性研究

《CMES - Computer Modeling in Engineering and Sciences》：Dynamic Characteristics of Different Pantograph Structures for Heavy-Duty Trucks Considering Road Excitation

本刊推荐：为解决传统化石燃料重型卡车碳排放高及电动化进程中电池能量密度低的问题，研究人员开展电气化道路系统（ERS）中受电弓-接触网动态相互作用特性的研究，通过建立弓网-卡车-道路耦合动力学模型，对比三种受电弓结构在复杂路况下的动态性能，发现单层臂结构受电弓能有效隔离卡车侧滚振动传递，显著提升电流收集质量，为ERS系统优化设计提供重要理论依据。

　　

随着全球货运需求的持续增长，重型卡车在物流运输中扮演着关键角色，但其依赖传统化石燃料导致的碳排放问题日益凸显。为实现碳中和目标，电动化成为重要解决方案，然而重型卡车电池能量密度低、成本高的特点限制了纯电技术的发展。电气化道路系统（ERS）通过受电弓-接触网系统实现行驶中持续供电，被认为是重型卡车电动化的可行路径，但其动态性能受复杂道路激励影响的问题尚未得到充分研究。

昆明理工大学徐岩研究团队在《CMES - Computer Modeling in Engineering and Sciences》发表论文，建立了创新的弓网-卡车-道路耦合动力学模型，采用缩比接触网模型和缩比板模型传输方法降低计算复杂度，结合任意拉格朗日-欧拉方法，对三种典型ERS受电弓结构（A型双独立臂、B型单层双臂、C型双层单臂）进行动态特性对比分析。研究团队通过有限元验证模型准确性，并重点考察了中国矿区特殊路面粗糙度下的系统响应。

关键技术方法包括：1）建立包含接触线、承力索、吊弦等元素的缩比接触网模型；2）采用多体动力学方法建模三种受电弓结构；3）基于Kirchhoff-Love板理论建立路面-车辆相互作用模型；4）通过罚函数法计算弓网接触力；5）模拟中国矿区道路特有的矿石掉落附加粗糙度。

研究结果显示，在道路激励影响下，弓网接触力波动范围显著增大，左右侧接触力出现明显差异。A型受电弓在恶劣路况下接触力最低降至0N，左右侧最大差值达38.5N；C型受电弓最低接触力也为0N，但差值缩小至18.4N；而B型受电弓（单层双臂结构）即使在高粗糙度路面仍保持15.4N的最小接触力，左右侧差值小于0.1N。

振动传递机制分析表明，卡车振动主要通过0.39Hz、0.45Hz和0.68Hz三个低频成分向受电弓头部传递。其中垂直振动在所有受电弓类型中均明显传递，而侧滚振动仅在A型和C型受电弓的0.39Hz频段出现显著传递，B型受电弓因其中心线布置的双层刚度-阻尼元件有效隔离了侧滚振动传递。

研究结论表明，ERS系统中卡车-道路相互作用显著影响弓网动态性能，其中道路粗糙度引起的卡车侧滚振动是导致左右接触力不平衡的主要原因。B型受电弓（单层上下臂结构）凭借其优异的振动隔离特性，在复杂路况下保持稳定的电流收集性能，是最适合中国矿区运输环境的受电弓结构设计方案。该研究不仅为ERS系统受电弓选型提供科学依据，也为未来电动重卡基础设施优化设计奠定了理论基础。