新型高网受电弓结构强度仿真研究

辜晨亮，贾 荣，黄思俊

（1 中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2 北京中车赛德铁道电气科技有限公司，北京100176）

受电弓是电气化铁路列车电能传输的关键部件之一，受电弓的稳定受流是电力机车和高铁动车正常运行以及提速的关键。受电弓受流稳定性主要和其运动学特性、结构强度、横向刚度、弓网耦合动力学特性和空气动力学特性等有关。国内高速受电弓一般在低网线路条件下应用，而在高网线路条件下，其性能会大大下降。高网受电弓则能在高网条件下表现出良好的工作性能。

文中以国内受电弓制造商自主开发的某型高网受电弓为对象，根据其受电弓结构，对升弓过程的运动学进行分析；基于有限元方法，对其结构强度和横向刚度进行评价；基于ORE 方法，对受电弓焊缝疲劳强度进行计算和分析，以确定受电弓主体结构中的危险部位，为后续国产高网受电弓的设计及局部优化提供理论基础。

1 新型高网受电弓简介

新型高网受电弓的设计速度为200 km/h，最大工作高度为3 100 mm。其结构为典型的气囊式受电弓，受电弓弓头采用拉簧式双滑板弓头，上臂采用单管式上臂；弓头、上臂、上导杆、下壁、下导杆和底架之间均采用铰接，其结构与主要部件如图1所示。

图1 新型高网受电弓结构

该型受电弓工作时，升弓装置通过钢丝绳拉动线导板将升弓转矩传递给下臂，通过底架、下臂、下导杆和上臂形成的四连杆机构为受电弓弓头提供稳定的静态抬升力。

2 受电弓运动学分析

2.1 杆件运动学方程

考虑所有杆件运动，建立高网受电弓机构平面运动模型，如图2 所示［1］，AD、BC、CDE、FG、EF和HI 分别代表下臂、下导杆、上臂、上导杆、弓头和阻尼器；α、β、γ、λ、μ分别表示下臂、下导杆、上臂、上导杆和弓头的转角。

图2 受电弓平面机构简图

根据余弦定理和角度关系，上臂转角为式（1）：

弓头转角μ为式（2）：

弓头水平位移XE为式（3）：

受电弓工作高度h为式（4）：

2.2 受电弓运动学特性分析

根据GB/T 21561《轨道交通机车车辆受电弓特性和试验》［2］，为了保证弓头滑板能与网线良好接触，升弓过程中，受电弓弓头水平位移应不超过±50 mm，弓头应尽量保证与水平方向垂直。联立式（1）～式（4），可计算出受电弓升弓过程中，弓头转角、弓头轨迹的变化规律，如图3、图4 所示。

图3 弓头与水平方向夹角变化规律

图4 弓头轨迹变化规律

由计算结果可知，在受电弓工作高度为700～3 100 mm 范围内，弓头与底面水平方向的夹角在88.5°～90.4°范围内变化，可以认为升降弓过程中弓头基本保持与水平方向垂直。受电弓在工作高度范围内，弓头水平位移始终保持在±30 mm 以内，满足GB/T 21561 标准的要求。

3 受电弓静强度计算

3.1 计算载荷工况

高速受电弓在列车运行中主要载荷有：弓网接触力和空气阻力，《TB/T 3271—2011 受电弓与接触网相互作用准则》［3］规定，列车速度大于200 km/h 时，弓网最大接触力不超过350 N。再结合受电弓运行方向和空气阻力计算方法［4］，得出高网受电弓静强度与横向刚度计算载荷工况，见表1。受电弓有限元模型如图5 所示。

表1 受电弓计算载荷工况 单位：N

图5 受电弓有限元模型

3.2 静强度结果分析

将受电弓三维模型离散化，利用ANSYS 计算受电弓结构强度及横向刚度。受静强度应力云图与横向位移云图如图6～图8 所示。受电弓主要部件在各工况下的静强度计算结果见表2。受电弓运行时，下臂最大应力为46 MPa，底架最大应力为195 MPa，受电弓弓头支架最大应力为113 MPa，上臂最大应力为196 MPa，各主要部件的最大应力分别小于其材料的屈服强度。受电弓在横向力300 N 的作用下，横向最大位移为21.6 mm，小于30 mm。所以该受电弓的静强度和横向刚度均满足要求。

图6 开口运行工况应力云图

图7 闭口运行工况应力云图

图8 横向刚度位移云图

表2 主要部件的静强度计算结果

4 受电弓疲劳强度计算与分析

受电弓运行时，主要载荷为弓网接触力和空气阻力，其受力为多轴应力状态。下面基于ORE疲劳评价方法，对高网受电弓焊缝疲劳强度进行计算与分析。

4.1 ORE 疲劳评价流程

基于疲劳裂纹扩展方向与最大拉应力方向垂直的理论和铁道车辆结构承受多轴载荷的特点，文中采用ORE 方法对受电弓进行疲劳评价的具体流程是：首先计算节点在各载荷工况下的主应力及方向，定义所有工况下的最大主应力为该节点的最大应力σmax；将各工况下的主应力向最大主应力的方向上投影，得到的最小应力定义为该节点最小应力σmin［4］。根据最大、最小应力确定平均应力，将应力结果在修正的Goodman 曲线上描点，若所有节点应力结果均在Goodman 曲线的封闭区域内，则说明其满足疲劳强度要求。

4.2 焊缝疲劳强度计算

根据受电弓疲劳强度计算载荷工况，见表3。基于ORE 方法，对受电弓所有焊缝节点的应力结果在Goodman 疲劳曲线上进行描点，受电弓上臂、下臂和底架所有焊缝节点疲劳强度曲线如图9～图11 所示。上臂、下臂和底架焊缝的安全系数最小的节点见表4。

表3 受电弓疲劳载荷工况 单位：N

表4 各部件焊缝安全系数最小的节点

图9 上臂焊缝节点疲劳评价

图11 底架焊缝节点疲劳评价

4.3 疲劳强度结果分析

在疲劳载荷作用下，受电弓所有焊缝节点的应力结果均在Goodman 曲线封闭区域内，说明该高网受电弓在疲劳载荷工况下的疲劳强度满足要求。其中上臂焊缝安全系数最小值为1.3，其焊缝位于上臂交叉管处，如图12 所示。下臂焊缝安全系数最小值为6.5，其焊缝节点位置如图13 所示。底架安全系数最小值为1.4，其焊缝位于底架梁与绝缘子座之间，位置如图14 所示。

图12 上臂安全系数最小的焊缝

图13 下臂安全系数最小的焊缝

图14 底架安全系数最小的焊缝

5 结 论

文中以某新型高网受电弓为对象，根据其机构运动模型，对受电弓机构运动学进行了计算分析；采用壳单元将其三维模型离散化，对其横向刚度和结构强度进行了计算。基于ORE 方法，结合Goodman 疲劳曲线，对受电弓疲劳强度进行了评价，得出以下结论：

（1）在受电弓工作高度范围内，弓头都基本保持与水平方向垂直；升弓过程中，弓头在水平方向x的位移始终保持在±50 mm 以内，满足GB/T 21561 标准的要求。

（2）受电弓开闭口运行时，各主要部件的最大应力分别小于其材料的屈服强度。在横向力300 N 的作用下，其横向最大位移小于30 mm。受电弓的静强度和横向刚度均满足要求。

（3）受电弓在疲劳载荷工况下，所有焊缝节点的应力结果均在Goodman 曲线封闭区域内，说明该高网受电弓的疲劳强度满足要求。其中，焊缝疲劳强度的安全余量较大；而上臂最危险焊缝位于上臂交叉管处，底架最危险焊缝位于底架梁与绝缘子座之间，需要重点关注。