受電弓線導板與初始升弓力關系試驗研究

劉茂盛

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0 引言

動車組受電弓在夏季炎熱狀態及冬季結冰狀態會偶發無法升起故障。夏季炎熱情況下，當弓體表面存在污物或其他雜質時，橡膠堆與弓體接觸面會產生一定的黏滯力，該黏滯力產生阻尼力，導致受電弓無法升弓。冬季結冰情況下，受電弓弓體隨著積冰不斷增加，弓體自身重力逐漸增大，導致受電弓無法升弓。受電弓能夠升起的一個必要條件是其初始升弓力大于其落弓保持力，線導板作為受電弓的一個傳動部件，與鋼絲繩共同將來自受電弓氣囊的動力轉換為升弓力，因此理論上可以通過改變線導板作用力臂大小來達到增加升弓初始力大小的目的。

本文通過分析受電弓升弓機構計算模型和線導板算法，針對DSA250受電弓設計了幾種調整現有線導板力臂的方案，通過試驗研究線導板與初始升弓力的關系。

1 DSA250 受電弓升弓原理

圖1 DSA250 受電弓結構

圖2 升弓機構

DSA250 受電弓結構如圖1 所示，主要部件包括底架組成、阻尼器、氣囊、下臂組裝、弓裝配、下導桿、上臂組裝、平衡桿、弓頭懸掛、碳滑板及絕緣子。受電弓升弓機構如圖2所示，主要部件包括氣囊、線導板、桁架及鋼絲繩，鋼絲繩纏繞在桁架及下臂上。受電弓初始升弓時，一定氣壓的壓縮空氣進入氣囊后，氣囊由自由狀態開始伸展，產生推力通過線導板力臂的調整使得鋼絲繩產生足夠的拉力，推動桁架帶動下臂進行旋轉，下臂將力通過四聯桿機構推動上臂和弓頭上升，受電弓正常升弓[1-2]。

DSA250受電弓在靜態接觸力滿足標準要求70 ±10 N 情況下的最小升弓風壓為0.32 MPa左右，受電弓的升弓初始力是指在升弓初始高度時對應的上升靜態接觸力值，在靜態接觸力曲線圖可以直接讀出；在0.32 MPa風壓下測得的初始升弓力為25 N。

2 DSA250 受電弓升弓機構計算模型及線導板算法

初始升弓力可以在一定程度上等效于升弓轉矩，升弓轉矩需要使用虛位移原理來進行等效計算。虛位移的物理意義為：作用于系統的主動力在系統平衡位置的任何虛位移中所做功的總和等于0[3]。

受電弓升弓轉矩是匹配初始升弓力和力臂參數的主要依據。升弓轉矩跟隨升弓角度的變化而變化，實際的升弓轉矩是由氣囊產生的推力提供，升弓轉矩與力臂密不可分。力臂的設計是通過調整線導板實現的，因此，升弓轉矩與調整線導板聯系在一起。

DSA250受電弓升弓機構較為復雜，需要進行一定程度的簡化，以便得出其計算模型。鋼絲繩具有一定的重量和直徑，但是實際中受到的拉力遠大于其自身重量，因此重量可忽略。假設鋼絲繩的拉力集中在鋼絲繩的橫截面中心且鋼絲繩的柔性足夠好，在計算中可將其簡化為一條柔性線。等效計算時的輪廓線為鋼絲繩中心線。氣囊通過桁架進行固定，可以保證氣囊在伸縮時，延直線運動，因此，升弓機構整體可認為只有延軸線運動的自由度。

DSA250受電弓升弓機構的簡化模型如圖3 所示[4-6]。其中，點A為下臂組裝與底架組成間的連接點，AB為下臂組裝，點C為升弓機構與底架組成的連接點，DE之間代表氣囊，F為桁架上鋼絲繩的固定點；CDEF四點共線。

圖3 升弓機構簡化模型

圖4 升弓機構初始升弓狀態簡化的受力分析圖

在初始升弓狀態下，升弓機構的軸線與鋼絲繩之間存在夾角，簡化的受力分析如圖4 所示[7-8]。其中P為線導板與鋼絲繩的切點，Q為升弓機構重心，β 為升弓機構軸線與鋼絲繩之間的夾角。

升弓機構受力平衡時的計算公式如下：

式中：M1為升弓機構重力；M2為鋼絲繩拉力；l1為鋼絲繩拉力的力臂；l2為升弓機構重力力臂。

工作狀態下，升弓機構重力對比鋼絲繩拉力約等于0，通過分析可得β極小，可忽略不計，鋼絲繩可認為與升弓機構共線。圖4可簡化為如圖5所示。

圖5 受電弓平衡狀態簡化示意圖

圖6 受電弓落弓位時鋼絲繩作用力臂示意圖

受電弓升弓轉矩為：

式中：M1為鋼絲繩拉力；L1為點A到直線CF的距離，L1等同于線導板有效作用力臂Ly。

因此可得：

受電弓的初始升弓力矩取決于鋼絲繩的拉力（氣壓大小）與線導板有效作用力臂。

理論上可以通過改變線導板有效作用力臂大小來達到增加初始升弓力大小的目的，前提是工作高度范圍內的靜態接觸力還保持不變，所以圖6 中陰影部分線導板輪廓不變，改變的是從落弓位鋼絲繩與線導板作用點與最小工作高度區間鋼絲繩與線導板作用點區間的輪廓。

3 試驗驗證

驗證的基本條件為在DSA250 受電弓氣囊中充入0.32 MPa的壓縮空氣，通過改變線導板的有效作用力臂觀察初始升弓力的變化情況。

（1）方案1

保持DSA250 受電弓線導板輪廓不變，將線導板初始接觸力臂沿線導板長度方向加長10 mm（圖7（a）陰影部位），測試此時受電弓初始升弓力為32 N，相對線導板原始狀態下25 N增加7 N。

圖7 DSA250 既有線導板加長10 mm

選擇便于調節的CED160 氣囊式受電弓線導板加裝于DSA250受電弓上，在該線導板水平方向加長130 mm，保持與DSA250受電弓線導板在下臂轉軸中心位置距離線導板初始作用點水平長度相當。為便于調試線導板，將加長版CED160受電弓線導板鋼絲繩接觸部位每隔40 mm 間距加工螺紋孔并插入螺栓，如圖8 所示，以便通過調節螺栓長度改變線導板的有效作用力臂。通過不斷向下調節編號為1 的螺栓，如圖9所示，使得受電弓的初始升功力達到25 N。

圖8 加裝5 顆螺栓的CED160受電弓線導板

圖9 調節編號為1 的螺栓

（2）方案2

將編號為1的螺栓在既有基礎上再向下頂出45 mm，改變線導板的有效作用力臂，此時測得受電弓初始升弓力為35 N。

（3）方案3

在方案2的基礎上將編號為2 的螺栓長度頂出48 mm，此時受電弓初始升弓力增加為65 N。

（4）方案4

在方案3的基礎上依次嘗試頂出編號為3、4 和5 的螺栓長度48 mm，測得受電弓初始升弓力均為65 N，不再增加。

4 結束語

（1）通過改變落弓位鋼絲繩與線導板作用點與最小工作高度區間鋼絲繩與線導板作用點區間輪廓，可有效調整線導板有效作用力臂，增加受電弓初始升弓力；

（2）試驗驗證了DSA250 受電弓升弓機構計算模型及線導板算法的正確性，提出了增加受電弓初始升弓力的有效方法；

（3）研究過程中試驗測得的靜態接觸力曲線卻無法滿足70 ±10 N的標準技術要求，需開展進一步研究工作。