高速受電弓上框架有限元分析及結構優化

周　潔，羅　維，孫云嵩

（南車株洲電力機車有限公司電氣分公司，湖南株洲　412001）

?

高速受電弓上框架有限元分析及結構優化

周潔，羅維，孫云嵩

（南車株洲電力機車有限公司電氣分公司，湖南株洲412001）

摘要：針對電力機車高速受電弓上框架頂管裂紋故障多發問題，利用有限元法對原結構進行了應力計算。通過對比故障實際發生位置和有限元計算結果，驗證了計算方法的有效性。根據有限元分析結果，對頂管和整體框架結構分別提出了優化方案。

關鍵詞：電力機車；受電弓；上框架；有限元分析

1　問題提出

南車株洲電力機車有限公司生產的TSG19系列高速受電弓，是一種通過空氣回路控制升降動作的鉸接式機械構件，從接觸網上集取電流，并將其傳送到車輛電氣系統的電器設備，主要運用于國內CRH2C、CRH3C和CRH380A等型高速動車組。TSG19A型受電弓總覽圖如圖1所示。TSG19A型受電弓為單臂式受電弓，由底架、框架、氣囊升弓裝置和弓頭等組成，具有重量輕，弓頭歸算質量小的特點。

圖1　TSG19受電弓總覽圖

上框架是高速受電弓的重要支撐部件，用于連接受電弓弓頭與下臂桿，并為弓頭組裝提供支撐并緩解弓網沖擊，其基本結構如圖2所示。上框架的故障將導致滑弓頭組裝脫離的風險，直接影響弓頭、受電弓甚至動車組的正常運用。高速受電弓上框架自2011年使用以來，出現了多起頂管裂紋故障，給受電弓的使用和維護帶來了較大不便。

圖2　上框架結構及裂紋位置

2014年1月8～10日，廣州南動車所分別檢查出3034列2車及3034列7車受電弓上框架如圖3所示裂紋故障，為了徹底解決上框架裂紋故障，對上框架結構進一步分析、優化，提出了多種方案分析，并進行了實驗對比。

圖3　上框架故障裂紋處

2　故障分析

在歐洲標準EN 50367:2002中，對弓網間接觸壓力平均值提出要求，即弓網間接觸壓力平均值不大于F0+0.00097× V2（其中F0為靜態接觸壓力，V為運行速度），但沒有確切值要求，為了獲得最佳的弓網匹配關系，建立受電弓、接觸網系統動力學模型，進行仿真計算。其計算結果如圖4所示。由仿真結果可知：接觸壓力最大值隨著接觸壓力平均值增大而顯著增大，最小值先增大后減小至零。因接觸壓力直接影響著受流質量，過大會增大弓網間機械磨耗，過小卻會引起拉弧，燒蝕接觸線與碳滑板，故接觸壓力平均值范圍一般選70～100N。TSG19A高速受電弓與接觸網靜態接觸壓力設定在80±15N，總接觸壓力不超過300N。

圖4　接觸壓力與平均接觸壓力關系

由于上框架頂管裂紋處于多部件相互作用的力學狀態，故采用接觸模型進行分析，考慮到上框架頂管為對稱結構，為簡化計算模型，降低接觸模型不收斂性，仿真模型采用對稱結構進行計算，如圖5所示。因武廣線受電弓的工作高度約為900mm，故上框架水平方向角度為12度，上框架頂管承受弓網的垂向接觸力最大動態接觸力不超過300N，加上受電弓弓頭自身重量約14kg，頂管雙邊承受的垂向接觸力不超過450N，本模型設置受電弓的單邊垂向接觸力300N。

圖5　仿真模型及邊界條件

設置邊界條件并進行有限元分析，結果如圖6所示，分析結果顯示上框架頂管在垂向壓力300N的作用下頂管端部的最大應力約35MPa，出現在垂向作用力方向。

考慮到上框架頂管裂紋通常出現在頂管的水平方向，因此在頂管的水平方向施加300N的水平載荷，以檢驗上框架頂管在水平方向的結構強度。在水平載荷300N的作用下，頂管的最大應力出現在與階梯管連接的頂管內側，而在頂管的端部，較大應力集中在水平作用力的方向，如圖7所示。

圖6　垂向載荷下的應力分布

圖7　水平載荷下的應力分布

根據上述仿真結果，在正常載荷下，上框架頂管最大應力僅35MPa，遠低于頂管鋁合金7020-T6材料的屈服強度，完全能夠滿足受電弓的日常運行要求，并且仿真結果顯示頂管端部最大應力分布與載荷施加方向相同，上框架在日常運行過程中主要承受垂向載荷，與故障上框架頂管裂紋主要為水平方向的情況不符，說明日常運行的垂向載荷不是導致上框架頂管裂紋的主要因素，異常的水平沖擊才是導致頂管裂紋的主要原因。根據上框架頂管檢查數據，故障上框架頂管存在圓管變形以及單邊壁厚不足2mm的現象，分析認為上框架頂管的焊接工序會出現焊后頂管整體變形，單邊收縮等情況，在焊后鏜孔的過程中出現了單邊加工過多，壁厚下降的問題，最終削弱了頂管的力學強度，增加了頂管裂紋發生的概率。

3　優化改進

為了解決現有問題，防止滑板連接座開裂，必須改變材料或結構，減小應力與應力集中，經過分析計算，對頂管及上框架結構進行了優化。

（1）頂管優化。上框架頂管的優化方案如表1所示，通過增加壁厚能增加頂管的結構剛度，有效降低頂管端部的最大應力，采用穿管方式的優化方案在頂管壁厚4mm的情況下并未顯著降低頂管端部的有效應力，可見增加頂管壁厚是改善上框架頂管應力分布，消除裂紋，提高使用壽命的較有效方式。①壁厚增加1mm，在相同的外界載荷下，壁厚增加1mm，其應力分布分別如圖8所示。②壁厚增加1.5mm，其應力分布分別如圖9所示。③穿管方案（頂管壁厚4mm），其應力分布分別如圖10所示。

圖8　壁厚增加1mm應力分布

圖9　壁厚增加1.5mm應力分布

圖10　頂管壁厚4mm應力分布

表1　仿真計算結果

（2）上框架整體結構優化。原型方案施加垂向載荷及橫向載荷分布如圖11所示。圓形穿管施加垂向載荷分布如圖12所示。

圖11　原型方案施加垂向載荷（左）及橫向載荷（右）

圖12　圓形穿管焊施加垂向載荷

（3）結果對比。原型方案與穿管結果對比數據如表2所示。

表2　原型方案與穿管結果對比

4　結語

綜上所述，增加壁厚能有效降低頂管應力，采用穿管焊接方式對降低頂管應力效果不明顯但對各桿件的連接強度有較大改善，更有利于性能的提升，減少事故的發生。目前，通過增加上框架頂管壁厚來降低頂管端部最大應力，及穿管焊接方式增加上框架各桿件連接強度的方式，已被采用在19系列高速受電弓上。

參考文獻

［1］北京有色冶金設計研究總院.機械設計手冊（第1卷）［M］.北京：化學工業出版社，2002.

［2］北京有色冶金設計研究總院.機械設計手冊（第2卷）［M］.北京：化學工業出版社，2002.

［3］中國國家標準化管理委員會.鐵路應用機車車輛電氣設備（第1部分）：一般使用條件和通用規則（IEC 60077-1：1999）

［4］吳燕，吳俊勇，鄭積浩.基于有限元與空氣動力模型的高速受電弓動態性能仿真［J］.西南交通大學學報，2009，（6）.

The Finite Element Analysis and Structural Optimization of High-speed Pantograph Upper-frame

ZHOU Jie，LUO Wei，SUN Yun-song
（CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.，Ltd.，Zhuzhou，Hunan 412001，China）

Abstract:Crack failure of upper-frame top tube takes place frequently，the finite element method is used for stress calculation of the original structure.Through comparing the actual position of failure and calculation result，the validity of the calculation method is verified.According to the results of the finite element analysis, optimization schemes of the top tube and the overall frame structure are proposed.

Key words:electric locomotive；pantograph；upper frame；finite element analysis

作者簡介：周潔（1988-），女，河南鄲城人，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向：軌道車輛受流電器。

收稿日期：2015-12-15

中圖分類號：U264.34

文獻標識碼：A

文章編號：2095-980X（2016）01-0037-03