接觸網整體成型絕緣腕臂試驗設計與研究*

彭立群，林達文，陳增紅，王 進，陳 剛

（1 株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007；2 國家軌道交通高分子材料及制品質量監督檢驗中心（湖南），湖南株洲412007）

腕臂作為接觸網系統中最關鍵的支撐部件，在接觸網系統中發揮了重要的作用，傳統的腕臂是由金屬管和絕緣子構成，這種結構的腕臂制造成本高、安裝維護不便、絕緣性能差。新型腕臂是一種由復合材料整體成型工藝實現，具有成本低、安裝維護方便、絕緣性能好等優點。為了檢驗新型腕臂的靜態、模態、疲勞和極限性能，以確保機車在高速運行狀態下，弓網系統的安全性和良好的受流質量，因此非常有必要對腕臂的力學性能進行研究［1-3］。

1 腕 臂

新型腕臂通過復合材料整體成型工藝實現，由固定座、防護罩、支撐體組成，具有結構簡單，質量輕，耐腐蝕，整體絕緣好等優點，如圖1 所示。與傳統金屬腕臂相比，省去了絕緣子，安裝維護更方便。

2 試 驗

2.1 試驗標準

腕臂試驗主要參照原鐵道行業標準TB/T 2074-2003《電氣化鐵路接觸網零部件試驗方法》、TB/T 1042-2003《鐵路電力牽引供電工程施工質量驗收標準》、鐵路建設［2006］167 號《客運專線鐵路電力牽引供電工程質量驗收暫行標準》，具體按《某型接觸網腕臂試驗大綱》執行。

圖1 腕臂結構

2.2 試驗方案

腕臂力學性能試驗方案分傳統的單點法碼加載試驗和新型雙向復合加載試驗、新型單向疲勞試驗。

單點法碼加載試驗是指設計規定質量的法碼通過鋼絲繩固定于腕臂的承載處，測試腕臂的靜強度。雙向復合加載試驗是指通過設計兩套手葫蘆加載荷傳感器的加力裝置，同時對腕臂上下承力處正反兩個方向施加拉力，對腕臂進行強度試驗。單向疲勞試驗是指對腕臂下部沿水平方向施加正反交變位移，測試腕臂的耐久性能。

單點法碼加載：設計夾持裝置固定腕臂上橫梁承載處，分別沿水平方向和向下垂直方向懸掛同等質量的法碼，并通過滑輪導向轉向成水平拉力和垂向拉力，測試腕臂在雙向承載條件下的靜態強度，這種方式結構簡單，試驗成本低、滿足小載荷靜載試驗要求，但安裝不便，測試精度低，始終是一種恒定載荷加載，無法實現無級調節、載荷顯示等功能，同時法碼在吊裝過程中存在較小的風險，如圖2 所示。

圖2 單點法碼加載

雙向復合加載：分正定位和反定位2 種加載方式，分別如圖3（a）和圖3（b）所示。指設計手葫蘆、載荷傳感器、專用工裝串聯形成加力裝置，分別夾持或安裝于被測試樣的上、下2 個加力點，可同時或單獨對試樣施加靜載荷，同時設計一種兩半結構的夾塊，通過螺栓鎖緊試樣，同時在試樣的兩端設計好預偏角度，通過加載連接與端部配合，形成帶角度的加載裝置，利用手葫蘆和柔性吊帶來解決試驗涉及的難題，同時實現斜拉（帶角度）加載試驗。

圖3 雙向復合加載

單向疲勞試驗：將腕臂固定于試驗裝置反力座，油缸尾部帶鉸鏈安裝于試驗平臺的反力座，沿腕臂下端輔助承力索通過鋼絲繩與油缸活塞桿連接，通過液壓油缸施加拉伸位移，測試腕臂的彎曲耐久性，如圖4 所示。

圖4 疲勞試驗

2.3 試驗裝置

試驗裝置主要由加力裝置和采集系統兩部分組成，如圖5（a）和圖5（b）所示。其中加力裝置由固定裝置和拉力裝置組成，采集系統由載荷傳感器和顯示儀組成，如圖5 所示。

圖5 試驗裝置

固定裝置：由固定座、安裝座、銷釘、腕臂組成，如圖6 所示。其中固定座固定試驗平臺，在上端和下端設計有中心距U 型槽，通過安裝座和銷釘完成整個腕臂的端部固定，并在腕臂中間位置安裝導向座，防止左右產生過大的橫向位移。

加力裝置：由腕臂、上拉力裝置、反力座、下拉力裝置組成，如圖7 所示。其中上拉力裝置設計一種兩半結構的45°斜拉塊，將水平和垂向雙向載荷擬合成單一拉力加載。

下拉力裝置設計有夾緊塊和力臂裝置，通過力臂將水平拉力轉換成對腕臂下橫梁的偏轉力矩。

上拉力裝置由夾塊、擋塊、側板、顯示儀、傳感器、拉力環、手葫蘆組成，如圖8 所示。其中夾塊夾持于上橫梁，兩端安裝側板通過擋塊固定，傳感器和手葫蘆串聯安裝并固定于反力座。

圖6 固定裝置

圖7 加力裝置

下拉力裝置由夾塊、螺栓、力臂、固定銷、傳感器、顯儀器、拉力環和手葫蘆組成，如圖9 所示。其中夾塊固定于下橫梁，通過下置力和手葫蘆對腕臂施加偏轉力矩，并利用傳感器和顯示儀記錄載荷試驗數據，利用百分表記錄腕臂的整體變形。

2.4 分析計算

對腕臂進行靜態和模態分析，獲取腕臂的最大應力、變形以及固有頻率。

圖8 上拉力裝置

圖9 下拉力裝置

靜態分析：從圖10 得知腕臂最大應力為130 MPa，產生在下橫梁承載處；最大變形11.9 mm，產生在懸掛處最前端，其中最大應力小于允許值400 MPa，最大變形小于要求值25 mm，靜態分析結果滿足要求。

模態分析：為獲取腕臂的固有頻率和腕臂結構件的振型，對腕臂進行模態分析，圖11（a）為腕臂的第1 階振型，模態頻率為14.2 Hz，腕臂產生Y方向偏擺；圖11（b）為腕臂的第2 階振型，模態頻率為20 Hz，腕臂Z方向有較大偏擺；圖11（c）為腕臂的第3 階振型，模態頻率為22 Hz，腕臂Y方向有較大偏擺；圖11（d）為腕臂的第4 階振型圖，模態頻率為46 Hz，腕臂下橫梁Z方向有較大彎曲變形。結果表明腕臂最低固有頻率大于接觸網固有頻率2 Hz，因此腕臂不會與接觸網發生共振［4］。

3 結果與討論

3.1 靜強度試驗

3.1.1 試驗方法

正定位加載：設計將上橫梁水平和垂直加載的4 kN 載荷擬合成45°的斜拉合力4.5 kN，同時與下置橫梁水平拉力4.5 kN 協調加載，以4.5 kN/mm加載速度加載至4.5 kN，增加0.5 kN 保持10 s 并記錄變形，記錄0～4.5 kN 間的載荷與變形曲線。

反定位加載：試驗原理與正定位一致，加載方向轉180°，記錄反向0～4.5 kN 間的載荷與變形曲線。

圖11 腕臂四階振型圖

3.1.2 結果及分析

正定位加載屬于腕臂外側斜拉承載工況，此時腕臂上橫梁承受向下彎曲和向外拉力，下橫梁主要承受向外偏矩，使腕臂整體產生一種向下的變形，上、下橫梁夾持點是試樣最關鍵受力點，關鍵點的局部破壞會導致整個腕臂發生斷裂或異常變形，從而失去支撐和懸掛作用，從試驗加載過程來分析，隨著載荷增加，腕臂變形增加，同時在加載初期除向下變形外，左右方向也有一定偏擺位移，隨著載荷的斷續增加，腕臂承載趨于穩定，后期的變形基本上是腕壁的彈性變形，且卸載后能恢復到自由狀態。圖12 給出了2 件腕臂正定位靜強度載荷與變形曲線，其中加載到4.5 kN 時，1#和2#樣品總變形分別為11.47 mm 和11.7 mm，綜合試驗數據和試驗描述，表明該結構的腕臂具有較好的正定位靜態強度特性，且樣品生產和制作工藝穩定，質量穩定可靠。

反定位加載屬于腕臂內側斜拉承載工況，此時腕臂上橫梁承受向下彎曲和向內拉力，加載載荷相同，只是方向相反，卸載后腕臂同樣能恢復到自由狀態。圖13 給出了2 件腕臂反定位靜強度載荷與變形曲線，其中加載到4.5 kN 時，1#和2#樣品總變形分別為11.67 mm 和12.15 mm，綜合試驗數據和試驗描述，表明該結構的腕臂具有較好的反定位靜態強度特性，同時有限元分析得出腕臂整體變形為11.9 mm，因此分析結果與試驗結果基本一致。

圖12 腕臂正定位載荷與變形曲線

圖13 腕臂反定位載荷與變形曲線

3.2 極限性能

3.2.1 試驗方法

極限性能采用正定位加載進行，以6 kN/mm 加載速度對腕臂施加1.5 倍載荷6.75 kN，在6.75 kN保持30 s，觀察腕臂是否破壞或出現其他異常。

3.2.2 結果及分析

極限性能是檢驗腕臂在超載條件下的承載特性。圖14 給出了2 件腕臂極限靜強度載荷與變形曲線，其中加載到6.75 kN 時，1#和2#樣品變形分別為15.87 mm 和16.21 mm，且曲線載荷隨位移增加而遞增，樣品未破壞和出現異常變形。這表明該結構腕臂具有較好的極限承載特性。

3.3 疲勞性能

3.3.1 試驗方法

疲勞試驗采用下拉力裝置施加純水平拉力進行試驗，如圖4 所示，水平載荷為（2.5±1.75）kN，頻率2 Hz，循環加載50 萬次，疲勞試驗后腕臂局部不能出現斷裂，整體不能出現破壞和其他異常。

3.3.2 結果及分析

疲勞試驗是模擬腕臂安裝于接觸網系統中，由于風載、列車通過時的動載產生的交變動態載荷對腕臂耐久性的影響，判定腕臂疲勞性能最直接的參數主要是動載穩定性和疲勞后的狀態。腕臂在疲勞載荷的作用下，加載穩定性較好，沒有出現共振和大幅度偏擺現象，且疲勞試驗后樣品狀態良好，夾持點和主要承載的上下支撐橫梁，均未出現異常和塑性變形，這表明該結構腕臂具有較好的疲勞特性，試驗結果和有限元分析結果基本一致，見表1。

圖14 腕臂極限特性曲線

表1 疲勞試驗數據

4 結束語

（1）分析了腕臂的承載工況，設計了新型靜強度、極限和疲勞性能方案，并與傳統試驗方案進行分析比對，為腕臂及同類產品的試驗設計提供參考。

（2）研究表明：新型方案結構設計合理、滿足試驗要求，更能準確反映出腕臂的力學性能，腕臂的靜態、模態、極限和疲勞性能滿足要求，且與分析結果基本一致。