受电弓上框架改进分析

孙 宁，林 平，李 军，冯 叶，王秋红

（南车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001）

受电弓上框架改进分析

孙 宁，林 平，李 军，冯 叶，王秋红

（南车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001）

在地铁受电弓使用过程中，受电弓上框架顶管端部出现了裂纹问题，为解决上述问题，以受电弓上框架为研究对象，对上框架顶管和阶梯管之间的连接形式进行改进，通过对改进形式进行仿真分析，上框架的性能大大优于原来结构形式。

受电弓；上框架；改进；仿真

1 引言

某型地铁用受电弓上在段运行一定时期后，上框架顶管端部出现裂纹，上框架顶管裂纹位置如图1所示。

为解决上框架顶管端部裂纹问题，对上框架顶管与阶梯管连接处的结构形式进行改进，并对改进结构进行仿真分析。

图1 上框架顶管裂纹位置

2 上框架结构改进

2.1 改进概述

原上框架顶管和阶梯管采用对接焊接的形式，焊接完成后顶管端部焊接变形较为严重，使顶管端部受力不均，同时原对接焊接的形式不利于顶管端部承力并且顶管端部在焊接热影响下力学性能下降，在上述因素下，受电弓上框架顶管在长期工作载荷下出现疲劳裂纹。为加强上框架顶管与阶梯管连接处的强度，将在受电弓上框架顶管和阶梯管之间采用顶管支撑结构进行过渡连接，顶管支撑结构采用整体加工的方式，此结构将大幅度增加顶管的支撑厚度，提高顶管整体刚度，改善顶管力学性能，顶管支撑结构及改进后的上框架如图2和图3所示。

图2 顶管支撑结构

图3 上框架改进示意图

2.2 仿真分析

对改进后的上框架结构和原上框架结构进行仿真对比分析，考虑到上框架顶管为对称结构，为简化计算模型，降低模型不收敛性，仿真模型采用对称接触型模型进行计算。上框架顶管承受弓网的垂向接触力最大动态接触力不超过300N，加上受电弓弓头自身重量约14kg，顶管双边承受的垂向力不超过450N，单边垂向力不超过225N,仿真计算模型设置受电弓的单边垂向力250N，同时分别设置水平冲击为5g、10g（进行线路弓网试验时水平冲击在5g以下），并特取出顶管支撑结构与顶管及阶梯管连接处的应力值，取值点如图4所示，具体分析对比结果如下所示。

（1）水平冲击5g，水平力700N,垂向力250N：如图5所示为原上框架应力分布云图，如图6所示为改进上框架应力分布云图，原上框架在上述载荷下的最大应力46MPa，改进上框架的最大应力值为30MPa，原上框架在取值点1处的应力值为8.5MPa，改进框架在取值点1处的应力值为3.8Mpa，原上框架在取值点2处的应力值为9.7MPa，改进框架在取值点2处的应力值为6.2MPa。

图4 顶管支撑结构与上框架连接处应力取值位置

图5 原上框架应力分布

图6 改进上框架应力分布

（2）水平冲击10g，水平力1400N,垂向力250N：如图7所示为原上框架应力分布云图，如图8所示为改进上框架应力分布云图。原上框架在上述载荷下的最大应力64.5MPa，改进上框架的最大应力值为47.9MPa，原上框架在取值点1处的应力值为 17MPa，改进框架在取值点 1处的应力值为6.6MPa，原上框架在取值点2处的应力值为16MPa，改进框架在取值点2处的应力值为11.4Mpa。

图7 原上框架应力分布

图8 改进上框架应力分布

2.3 仿真结果

仿真结果如表1所示：

表1 仿真计算结果

通过上述仿真可知改进上框架较原上框架在整体结构上呈现出应力分布减小的趋势，同时在相同载荷下改进顶管支撑结构与上框架连接处较原上框架相同位置应力也有明显改善，通过上述改进有效提高了原上框架性能。

3 结语

通过对上框架结构改进进行仿真分析，改进后的上框架较原上框架在力学性能上有了较大提升，通过此种改进方式可以有效解决原上框架在段运行过程出现的顶管端部裂纹问题，提高受电弓在线运行的可靠性、安全性。

[1]安孝廉.编.受电器[M].北京：中国铁道出版社，1984.

[2]刘惟信.机械最优化设计[M].北京：清华大学出版社，1993.

[3]马良骥.受电弓机构综合及优化设计[D].成都：西南交通大学.1988.

An Analysis of Improvement for Upper Frame of Pantograph

SUN Ning，LIN Ping,LI Jun,FENG Ye,WANG Qiu-hong,Et al
(CSR Zhuzhou Electric Locomotive co.,LTD.,Zhuzhou,Hunan 412001，China).

The end of top pipe of upper frame on pantograph may crack when the pantograph of subway is working，to solve this problem above，this paper took the uper frame of pantograph as the study object and improved the connection form between top pipe and ladder pipe，the improved performance of upper frame is greatly better than the original through simulation analysis.

pantograph;upper frame;improvement;simulation

U264.34

A

2095-980X（2015）02-0051-02

2015-01-15

孙宁，助理工程师，长期从事受电弓的开发设计工作。