新型城轨受电弓结构强度仿真分析

薛浩飞,李明刚,何 超,陈 奎,袁 力

(中车青岛四方车辆研究所有限公司 重庆研发中心,重庆 401133)

受电弓是安装于轨道列车车顶的一种从接触网上集取列车运行所需电能的专门装置,是轨道列车牵引和辅助设备等安全稳定运行的最重要高压集电设备[1-3],其可靠性与稳定性是轨道列车持续稳定运行的最关键影响因素之一。受电弓受流性能主要受其运动学性能、结构强度、弓网耦合动力学性能以及空气动力学性能等的影响[4]。目前我国地铁列车受电弓多为国外同类型产品引进,通常在高网状态下具有较优的工作性能,而在我国实际地铁线路架设情况中常以较低升弓高度运行,故对受电弓的动力学性能以及结构强度等有着更严格的要求。

本文以国内某轨道装备厂商自主研发的某型号受电弓为研究对象,对其结构组成进行了分析;基于有限元方法,依靠有限元软件,对其固有特性、结构强度以及横向刚度等进行了分析评价[5-8];基于Goodman疲劳极限图对受电弓的结构疲劳强度进行了分析评价[9];总结了受电弓弓体结构强度分布特点,确定了其危险部位以及高设计余量区域,为后续同类型受电弓的强度优化以及轻量化设计提供了相应的理论依据。

1 受电弓结构简介

本文研究的受电弓为单臂双滑板式受电弓,该型受电弓主要由底架、下臂杆、上臂杆、拉杆、平衡杆、弓头、ADD控制箱、控制箱以及升弓气囊组件等组成(图1)。通过纵置气囊的充排气伸缩为下臂杆提供升弓转矩,从而带动弓体双四连杆机构产生相对运动(图2),以实现受电弓升弓和降弓动作。同时通过精密调压阀以及辅助供风系统的设置,使得气囊气压一直在某一恒定小范围内波动,从而使得弓头滑板与接触网接触力一直保持恒定。

图1 受电弓结构示意图

图2 受电弓运动杆系简化示意图

2 受电弓结构强度分析

2.1 有限元建模

对受电弓结构特点进行分析,同时对已建立的三维受电弓模型中不必要构件以及特征进行简化,然后运用有限元软件对简化后受电弓三维模型进行离散建模处理。该型受电弓主要杆系构件多采用管材或薄壁型材,故而离散单元多以四边形壳单元为主,采用壳单元与体单元相混合的方式进行有限元网格离散处理,形成受电弓有限元模型。然后对有限元模型赋予材料特性(主要材料力学性能见表1)以及施加载荷及约束边界条件,建立受电弓有限元模型如图3所示。

图3 受电弓有限元模型

2.2 工况选取

在列车运行过程中,受电弓主要载荷有弓网接触力及空气阻力,对其工作特性进行分析,得出5种典型工作高度,分别为最低工作高度(400 mm)、常用工作高度(刚性接触网800 mm,柔性接触网1 200 mm)、75%工作高度(2 045 mm)、最高工作高度(2 700 mm)。结合GB/T 21561—2018《轨道交通 机车车辆受电弓特性和试验》中关于地铁车辆受电弓相关规定,得出该型受电弓静强度及横向刚度计算工况如表2所示。

表2 受电弓静强度及横向刚度计算工况

2.3 计算结果分析

对受电弓各工况下有限元模型进行仿真求解,得到最低工作高度下,上臂杆拉杆支座焊接处(全熔焊透)出现最大应力291.8 MPa,存在一定危险隐患,安全系数约为1.2,其余各强度工况下受电弓各部件应力分布均小于其材料屈服强度,同时在300 N横向载荷作用下,发生最大横向位移为18.19 mm,低于GB/T 21561.2—2018《轨道交通 机车车辆 受电弓特性和试验 第2部分:地铁和轻轨车辆受电弓》中规定的30 mm。综上其结构静强度及横向刚度满足设计要求。

通过分析可得,该型受电弓应力分布随升弓高度的变化呈一定规律性变化。在其工作范围内,工作高度越低,其应力越大,在高网工作状态下有较优的应力分布,而在其低网时应力分布则较差。城轨车辆运行线路多为隧道线路,因此接触网为刚性接触网占比较大,柔性接触网占比较小,故而地铁车辆受电弓多处于低高度差应力分布状态下运行,后续可对受电弓小尺寸化进行研究,使其在常用工作高度下保持较优应力分布。同时从各工况应力云图的分析可知,上臂杆拉杆支座焊接处均出现较大的应力分布,在后续优化设计应对该部分进行加强,同时下臂杆具有较大的设计强度余量,在后续研究中可对该区域进行轻量化设计,从而有效减少受电弓杆系质量,也可提升受电弓耦合动力学性能。

3 受电弓结构模态分析

依据GB/T 21561.2—2018标准中关于受电弓模态计算的相关规定,选择本文研究的受电弓75%工作高度(2 045 mm)作为研究高度,并对其结构模态进行仿真提取,通过仿真求解得出低阶模态频率及相应振型如图4所示[10]。从图4中可知,第一阶与第二阶模态振型为弓头上框架横向扭转;第三阶模态振型为弓头及上框架绕垂向扭转;第四阶模态振型为弓头及框架绕横向扭转;第五阶模态振型为弓头及上框架绕侧向扭转。

图4 低阶模态频率及振型

4 疲劳强度评价

在城轨车辆运行过程中受电弓主要受力为弓网耦合接触力和空气阻力,其受力为多轴应力状态。本文通过修正Goodman-Smith疲劳极限图,对受电弓上臂杆组件、下臂杆组件以及底架组件的疲劳强度进行评价分析。

4.1 Goodman疲劳极限图评价流程

Goodman疲劳曲线的表现形式有Haigh图和Smith图2种,其中Smith疲劳极限图较其他疲劳极限图具有形式简单,信息包含丰富,能直观显示疲劳极限的最大值和最小值,同时能清晰反映出疲劳极限应力和平均应力与应力幅值关系等优点。故而选用Goodman-Smith疲劳极限图作为评价依据,其评价流程如下:首先依据评价对象对应的材料屈服极限、强度极限以及疲劳极限绘制Goodman-Smith疲劳极限图[6];然后遵循优先选取原则选择评价对象应力变化较大、位移较大的点(极易发生疲劳损伤破坏的危险点)作为评估点;其次通过静强度分析结果,确定评估点在各工况下的等效应力的最大值和最小值,从而确定其平均应力和应力幅值;最后将平均应力及最大应力、最小应力在评价曲线中描点。若所有点均落在Goodman-Smith疲劳极限图内,则证明其满足疲劳强度要求。

4.2 疲劳强度仿真分析

依据地铁车辆受电弓疲劳载荷工况(表3),对其进行仿真计算。对其计算结果进行分析并得出各部件评价点的等效应力的最大值、最小值,同时在Goodman-Smith图中进行描点,得到上臂杆、下臂杆以及底架评价点的Goodman-Smith疲劳评价图,如图5～图7所示。同时选取评价点的最小安全系数如表4所示。

表3 疲劳载荷仿真计算工况

表4 各部件疲劳安全系数最小的节点

图5 上臂杆评估点疲劳评价

图6 下臂杆评估点疲劳评价

图7 底架评估点疲劳评价

由图5～图7可知,所选择的评价点的最大应力及最小应力均落在Goodman疲劳评价图的封闭区间内,说明该受电弓结构设计满足其疲劳强度设计要求。

5 总结

本文以某型城轨车辆受电弓为研究对象,对其结构特点进行了分析,并采用有限元仿真方法,通过有限元软件对其进行离散处理,完成了结构强度、横向刚度以及结构动特性的仿真分析,基于Goodman疲劳极限图对其结构疲劳性能进行了评价,得出以下结论:

(1) 各工作高度下受电弓的结构强度均满足设计要求,各部件的最大应力均小于对应材料的屈服极限,其应力分布随着工作高度趋于线性特性,工作高度越低,其应力分布越差。后续受电弓结构设计使其常用工作高度为高工位状态,可较大程度改善受电弓在使用过程中的应力水平;

(2) 该型受电弓前五阶模态均为10 Hz以内低频

模态,其第一阶与第二次模态振型为弓头上框架横向扭转,第三阶模态振型为弓头及上框架绕垂向扭转,第四阶模态振型为弓头及框架绕横向扭转,第五阶模态振型为弓头及上框架绕侧向扭转;

(3) 受电弓上臂杆、下臂杆以及底架的评价点在Goodman-Smith疲劳极限图的描点均落在封闭区域内,其结构疲劳特性满足设计要求。但其中底架气囊座处疲劳安全系数较低,在后续设计过程中可进行加强,在运行过程中应进行重点关注。