城市軌道交通動(dòng)車組受電弓上框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)車組的受流裝置，承擔(dān)著機(jī)車車輛與供電接觸網(wǎng)之間傳遞電能的一個(gè)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(dòng)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(shí)車輛再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能也可以通過受電弓回饋到線網(wǎng)進(jìn)行再次利用。受電弓的受流性能將會(huì)直接影響到電流的可靠性以及車輛的運(yùn)行情況，進(jìn)而影響到城市軌道交通車輛的整體運(yùn)行品質(zhì)。因此，研究受電弓在運(yùn)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(dòng)構(gòu)架、底架及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等主要部件組成。

在車輛運(yùn)行過程中，受電滑板在滑動(dòng)的同時(shí)接收供電網(wǎng)的電能。在受電滑板的設(shè)計(jì)中，為提高導(dǎo)電性并且減少接觸磨耗，通常會(huì)采用石墨和鈦合金等材料。活動(dòng)構(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(shí)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(dòng)機(jī)構(gòu)的初始運(yùn)動(dòng)要盡量快，終了運(yùn)動(dòng)則要放慢，其目的是：升弓時(shí)防止弓頭對(duì)線網(wǎng)產(chǎn)生太大的沖擊，降弓時(shí)可使其迅速斷電以避免對(duì)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(gè)自由度，所以只要明確其運(yùn)動(dòng)狀況,便可得知受電弓其他部件的運(yùn)動(dòng)狀況。參考各個(gè)部件的約束關(guān)系,逐個(gè)進(jìn)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(jìn)行簡(jiǎn)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(duì)稱面作為一個(gè)基準(zhǔn)面，將受電弓的各個(gè)部件朝這個(gè)平面進(jìn)行投影，并且將各鉸鏈之間的連接簡(jiǎn)化成為桿件，用于運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)關(guān)系

圖1的結(jié)構(gòu)模型中，設(shè)A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。參考坐標(biāo)和夾角的關(guān)系，得到A、B兩點(diǎn)之間的距離lAB以及A、B兩點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)，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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的坐標(biāo)：

進(jìn)而可得出E、G兩點(diǎn)之間的長(zhǎng)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(diǎn)平行于x軸直線的夾角λ：

根據(jù)圖1中的幾何關(guān)系，進(jìn)而得到F點(diǎn)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(jì)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(jìn)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(jì)結(jié)構(gòu)問題而引發(fā)的。本文利用UG軟件對(duì)受電弓上框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，并對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)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(qiáng)度至關(guān)重要。在受電弓升弓狀態(tài)下，對(duì)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(gè)上框架結(jié)構(gòu)傳送至與下臂桿連接的短軸。通過分析計(jì)算后得到施加125 N和300 N壓力時(shí)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(shí)，整個(gè)框架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為9.31 MPa；當(dāng)施加300 N時(shí)，整個(gè)框架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為24.28 MPa。基于原方案，提出了方案1～4等4個(gè)優(yōu)化方案并進(jìn)行力學(xué)分析。

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

圖3 原方案在施加300 N時(shí)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(duì)受電弓上框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的加強(qiáng)，在橫向上增加了兩根上凸的加強(qiáng)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(duì)頂管軸分別施加125 N和300 N垂向壓力，該壓力會(huì)通過整個(gè)上框架結(jié)構(gòu)傳送至與下臂桿連接的短軸。通過分析計(jì)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(shí)上框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖5 方案1在施加300 N時(shí)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(shí)，整個(gè)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(shí)，整個(gè)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(duì)角線桿來增強(qiáng)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(qiáng)了其弓網(wǎng)的跟隨性。

在升弓狀態(tài)下對(duì)頂管軸分別施加125 N和300 N的垂向壓力，該壓力會(huì)通過整個(gè)上框架結(jié)構(gòu)傳送至與下臂桿連接的短軸。通過分析計(jì)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(shí)上框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖7 方案2在施加300 N時(shí)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(shí)，整個(gè)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(shí)，整個(gè)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(hào)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(yùn)行時(shí)速可以達(dá)到80 km/h，這就對(duì)受電弓結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度提出了很高的要求。

在檢修維護(hù)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(yùn)行過程中受電弓會(huì)發(fā)生振動(dòng)，并且接觸網(wǎng)本身也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，此時(shí)弓頭在橫向和垂向?qū)⑹艿礁鞣N作用力，且力的作用時(shí)間較短，能量來不及傳送，所以這些力就會(huì)直接作用在上框架結(jié)構(gòu)上。因此，對(duì)于這種上框架結(jié)構(gòu)，還需要采取一定的措施來進(jìn)行完善。

2. 4 方案3及其力學(xué)分析

方案3對(duì)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(duì)稱地設(shè)置三角形加強(qiáng)桿，并且將兩個(gè)三角形加強(qiáng)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(jì)中借鑒了該結(jié)構(gòu)，用于加強(qiáng)上框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。

在升弓狀態(tài)下對(duì)頂管軸分別施加125 N和300 N的垂向壓力，該壓力通過整個(gè)上框架結(jié)構(gòu)傳送至與下臂桿連接的短軸。通過分析計(jì)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(shí)上框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖9 方案3在施加300 N時(shí)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(shí)，整個(gè)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(shí)，整個(gè)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(duì)上框架結(jié)構(gòu)作了進(jìn)一步優(yōu)化，具體優(yōu)化如下：在兩邊對(duì)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(qiáng)桿。該結(jié)構(gòu)是龐巴迪型號(hào)的受電弓所設(shè)計(jì)的上框架結(jié)構(gòu)。

在升弓狀態(tài)下對(duì)頂管軸分別施加125 N和300 N的垂向壓力，該壓力通過整個(gè)上框架結(jié)構(gòu)傳送至與下臂桿連接的短軸。通過分析計(jì)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(shí)上框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖11 方案4在施加300 N時(shí)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(shí)，整個(gè)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(shí)，整個(gè)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(jiǎn)化方法分析了受電弓的整體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)軌跡，并分析了它的幾何運(yùn)動(dòng)關(guān)系。針對(duì)上框架結(jié)構(gòu)，采用有限元分析法驗(yàn)證了其剛度的合理性，并且對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)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(yùn)行中各種力的沖擊；由于加強(qiáng)桿的尺寸不大，既不會(huì)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。