城市軌道交通動車組受電弓上框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案優(yōu)化*

王儉樸 鄒 鈺

(南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院，211167，南京//第一作者，副教授)

受電弓作為城市軌道交通動車組的受流裝置，承擔(dān)著機車車輛與供電接觸網(wǎng)之間傳遞電能的一個中介作用。受電弓通過與接觸網(wǎng)發(fā)生直接接觸，將電流引入到動車組來提供車輛牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)所需要的電能；同時車輛再生制動產(chǎn)生的電能也可以通過受電弓回饋到線網(wǎng)進行再次利用。受電弓的受流性能將會直接影響到電流的可靠性以及車輛的運行情況，進而影響到城市軌道交通車輛的整體運行品質(zhì)。因此，研究受電弓在運行中的接觸受流問題,成為發(fā)展我國城市軌道交通的當(dāng)務(wù)之急。

1 受電弓的基本結(jié)構(gòu)與模型的建立

1. 1 受電弓的基本結(jié)構(gòu)

受電弓主要由滑板、活動構(gòu)架、底架及傳動機構(gòu)等主要部件組成。

在車輛運行過程中，受電滑板在滑動的同時接收供電網(wǎng)的電能。在受電滑板的設(shè)計中，為提高導(dǎo)電性并且減少接觸磨耗，通常會采用石墨和鈦合金等材料?；顒訕?gòu)架使受電滑板具有一定的自由度，以確保其較好的追隨性。 受電弓的底架用以支撐框架，且經(jīng)由軸承與下方的撐桿連接。底架上有時還安裝銅接線排，與車輛主電源的電纜相連。在受電弓的升降過程中，傳動機構(gòu)的初始運動要盡量快，終了運動則要放慢，其目的是：升弓時防止弓頭對線網(wǎng)產(chǎn)生太大的沖擊，降弓時可使其迅速斷電以避免對底架造成太大的沖擊。

1. 2 受電弓模型的建立

受電弓整體結(jié)構(gòu)較繁雜,但就其框架部分而言,因僅下臂桿有一個自由度，所以只要明確其運動狀況,便可得知受電弓其他部件的運動狀況。參考各個部件的約束關(guān)系,逐個進行裝配,最終得到受電弓的整體結(jié)構(gòu)。將受電弓的升弓狀態(tài)進行簡化，得到其空間結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

為了方便，可將垂直于主軸的對稱面作為一個基準(zhǔn)面，將受電弓的各個部件朝這個平面進行投影，并且將各鉸鏈之間的連接簡化成為桿件，用于運動分析。

圖1 受電弓的空間結(jié)構(gòu)模型

1. 3 受電弓的幾何運動關(guān)系

圖1的結(jié)構(gòu)模型中，設(shè)A點為坐標(biāo)原點。參考坐標(biāo)和夾角的關(guān)系，得到A、B兩點之間的距離lAB以及A、B兩點連線與水平面的夾角ε：

(1)

在ΔADB中，通過余弦定理，得到A、D兩點之間的距離lAD:

(2)

式中：

α——直線CA與x軸的夾角。

此外，城鄉(xiāng)規(guī)劃還有點瑕疵，還需整理。例如：大道兩側(cè)還有居民區(qū)，斑塊農(nóng)田路、渠、林散亂等。同時，耕地的多重功能作用宣傳力度不足，特別是農(nóng)作物具有生態(tài)氧吧的作用沒有及時做好宣傳。

根據(jù)三角形的內(nèi)、外角關(guān)系，得到直線DE和D點平行于x軸直線的夾角γ：

在ΔABD和ΔCAD中，參考余弦定理，得到直線BD和過B點平行于x軸直線的夾角β:

(4)

由圖1中的幾何關(guān)系，可得到E、G點的坐標(biāo)：

進而可得出E、G兩點之間的長度lEG：

(7)

此外，在ΔEGF中，參考余弦定理，結(jié)合夾角與坐標(biāo)之間的關(guān)系，得到直線GF和過G點平行于x軸直線的夾角λ：

根據(jù)圖1中的幾何關(guān)系，進而得到F點的坐標(biāo):

(9)

參考夾角與坐標(biāo)之間的關(guān)系，得到平衡臂與水平方向之間的夾角μ：

(10)

2 受電弓上框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案優(yōu)化

受電弓的上框架是鋁合金材質(zhì)的框架結(jié)構(gòu)，通過軸承分別同拉桿、下臂桿和弓頭進行連接。鋁合金焊接結(jié)構(gòu)的形式不僅可以很好地減小升弓阻力，又因其材質(zhì)是7000系鋁合金，所以質(zhì)量較輕。車輛受電弓的故障大多是由上框架的設(shè)計結(jié)構(gòu)問題而引發(fā)的。本文利用UG軟件對受電弓上框架結(jié)構(gòu)進行有限元分析，并對該結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。

2. 1 受電弓上框架的原始框架結(jié)構(gòu)

受電弓上框架的原始結(jié)構(gòu)為四邊形，其頂管軸與弓頭鉸接，下方的短軸與下臂桿連接，上框架結(jié)構(gòu)承擔(dān)著重要的作用，所以其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性和強度至關(guān)重要。在受電弓升弓狀態(tài)下，對頂管軸分別施加125 N和300 N的垂向壓力(根據(jù)EN 50119的相關(guān)要求，速度低于200 km/h的直流車輛，其受電弓弓頭與接觸網(wǎng)線之間接觸壓力的范圍為0～300 N)，該壓力通過整個上框架結(jié)構(gòu)傳送至與下臂桿連接的短軸。通過分析計算后得到施加125 N和300 N壓力時的受電弓上框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，如圖2～3所示。

由圖2～3可知：當(dāng)施加壓力125 N時，整個框架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為9.31 MPa；當(dāng)施加300 N時，整個框架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為24.28 MPa?；谠桨福岢隽朔桨?～4等4個優(yōu)化方案并進行力學(xué)分析。

圖2 原方案在施加125 N時上框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖3 原方案在施加300 N時上框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

2. 2 方案1及其力學(xué)分析

方案1對受電弓上框架結(jié)構(gòu)進行了一定的加強，在橫向上增加了兩根上凸的加強桿。凸起的結(jié)構(gòu)是為了在底架上保留安裝氣囊和氣閥箱的空間。

在升弓狀態(tài)下對頂管軸分別施加125 N和300 N垂向壓力，該壓力會通過整個上框架結(jié)構(gòu)傳送至與下臂桿連接的短軸。通過分析計算后得到受電弓上框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，如圖4～5所示。

圖4 方案1在施加125 N時上框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖5 方案1在施加300 N時上框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由圖4～5可知：當(dāng)施加壓力125 N時，整個框架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為9.06 MPa；當(dāng)施加壓力300 N時，整個框架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為24.15 MPa。

2. 3 方案2及其力學(xué)分析

方案2分析的是南京地鐵所使用的受電弓的上框架結(jié)構(gòu)，旨在通過安裝對角線桿來增強受電弓上框架的結(jié)構(gòu)剛度。方案2不僅減輕了上框架結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量，而且還在很大程度上加強了其弓網(wǎng)的跟隨性。

在升弓狀態(tài)下對頂管軸分別施加125 N和300 N的垂向壓力，該壓力會通過整個上框架結(jié)構(gòu)傳送至與下臂桿連接的短軸。通過分析計算得到受電弓上框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，如圖6～7所示。

圖6 方案2在施加125 N時上框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖7 方案2在施加300 N時上框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由圖6～7可知：當(dāng)施加壓力125 N時，整個框架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為10.09 MPa；當(dāng)施加壓力300 N時，整個框架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為24.22 MPa。

據(jù)調(diào)查，南京地鐵2號線正線部分的供電網(wǎng)線采用的是剛性接觸形式。由于車輛的最高運行時速可以達到80 km/h，這就對受電弓結(jié)構(gòu)的強度提出了很高的要求。

在檢修維護過程中，工作人員發(fā)現(xiàn)了上框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多種開裂情況，其原因在于：車輛在運行過程中受電弓會發(fā)生振動，并且接觸網(wǎng)本身也會產(chǎn)生波動，此時弓頭在橫向和垂向?qū)⑹艿礁鞣N作用力，且力的作用時間較短，能量來不及傳送，所以這些力就會直接作用在上框架結(jié)構(gòu)上。因此，對于這種上框架結(jié)構(gòu)，還需要采取一定的措施來進行完善。

2. 4 方案3及其力學(xué)分析

方案3對上框架結(jié)構(gòu)亦作出了一定的優(yōu)化，具體優(yōu)化如下：在一定角度的斜面上，兩邊對稱地設(shè)置三角形加強桿，并且將兩個三角形加強桿連接在一起。在工程應(yīng)用上，三角形結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)固性和不易變形性，所以在上框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計中借鑒了該結(jié)構(gòu)，用于加強上框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。

在升弓狀態(tài)下對頂管軸分別施加125 N和300 N的垂向壓力，該壓力通過整個上框架結(jié)構(gòu)傳送至與下臂桿連接的短軸。通過分析計算得到受電弓上框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，如圖8～9所示。

圖8 方案3在施加125 N時上框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖9 方案3在施加300 N時上框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由圖8～9可知：當(dāng)施加壓力125 N時，整個框架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為10.71 MPa；當(dāng)施加壓力300 N時，整個框架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為25.70 MPa。

2. 5 方案4及其力學(xué)分析

方案4在方案3的基礎(chǔ)上，對上框架結(jié)構(gòu)作了進一步優(yōu)化，具體優(yōu)化如下：在兩邊對稱的三角形結(jié)構(gòu)中，在三角形的中線處再分別增加1根加強桿。該結(jié)構(gòu)是龐巴迪型號的受電弓所設(shè)計的上框架結(jié)構(gòu)。

在升弓狀態(tài)下對頂管軸分別施加125 N和300 N的垂向壓力，該壓力通過整個上框架結(jié)構(gòu)傳送至與下臂桿連接的短軸。通過分析計算得到受電弓上框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，如圖10～11所示。

圖10 方案4在施加125 N時上框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖11 方案4在施加300 N時上框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

由圖10～11可知，當(dāng)施加壓力125 N時，整個框架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為11.12 MPa；當(dāng)施加壓力300 N時，整個框架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為26.69 MPa。

根據(jù)上述5種方案，總結(jié)受電弓上框架結(jié)構(gòu)的受力情況，如表1所示。

表1 受電弓上框架結(jié)構(gòu)的受力匯總表

3 結(jié)語

利用簡化方法分析了受電弓的整體結(jié)構(gòu)和運動軌跡，并分析了它的幾何運動關(guān)系。針對上框架結(jié)構(gòu)，采用有限元分析法驗證了其剛度的合理性，并且對其結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。分析了4種不同上框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，分析結(jié)果表明：方案1中框架結(jié)構(gòu)在不同的受力條件下能承受更大的應(yīng)力，更能適應(yīng)車輛運行中各種力的沖擊；由于加強桿的尺寸不大，既不會加大受電弓的整體質(zhì)量，又能給受電弓帶來十分穩(wěn)固的效果。因此，方案1可以作為優(yōu)選方案。