動車組受電弓安裝結(jié)構(gòu)可靠性研究

李 暢， 謝紅兵， 何中建， 王 永， 張寶珍

（中車株洲電力機(jī)車有限公司， 湖南 株洲 412001）

0 引言

受電弓是動車組從接觸網(wǎng)接觸導(dǎo)線上集取電流的一種受流裝置。 通過絕緣子安裝在動車組車頂上。 當(dāng)受電弓升起時，其滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線直接接觸，從接觸網(wǎng)導(dǎo)線上集取單相交流25kV，為動車組提供電源動力。 動車組受電弓具有弓頭質(zhì)量小、 良好的空氣動力學(xué)特性和的受流性能、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等特點，是動車組列車的十大關(guān)鍵技術(shù)之一，也是動車組高壓牽引系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分[1-4]。

受電弓安裝于車頂，在列車運(yùn)行過程中，受電弓承受車體頻繁振動的影響和車頂高速氣流沖擊， 對弓體及安裝部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了更高的要求。 國內(nèi)外對受電弓弓體的氣動及機(jī)械性能進(jìn)行了大量研究[5-8]，發(fā)現(xiàn)受電弓在運(yùn)營過程中不僅承受弓網(wǎng)垂向的接觸壓力， 同時承受了空氣阻力及弓網(wǎng)相互作用動態(tài)接觸壓力等。 選取受電弓典型運(yùn)營工況進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)分析結(jié)果，計算受電弓連接結(jié)構(gòu)的可靠性。 本文研究成果對軌道交通行業(yè)從業(yè)人員和學(xué)校科研機(jī)構(gòu)的教研人員具有重要的實際指導(dǎo)和應(yīng)用意義。

1 受電弓安裝方式

受電弓安裝于車頂，與車頂?shù)倪B接方式主要有以下2 種。

1.1 固定支架結(jié)構(gòu)

受電弓安裝座為“幾”字或“U”形固定支架。該固定支架通過滿焊方式焊接在車頂，以達(dá)到密封防水的目的。 受電弓設(shè)備通過螺栓與結(jié)構(gòu)支架緊固。 如CRH380A 車型、CRH6 型車、CR400BF 等車型均采用這種安裝結(jié)構(gòu)。 如果受電弓設(shè)備安裝螺栓采用底部安裝時， 固定支架增加轉(zhuǎn)接板。受電弓設(shè)備先與轉(zhuǎn)接板固定，再通過轉(zhuǎn)接板與支架固定，以便于后期維護(hù)。采用固定支架安裝結(jié)構(gòu)的某動車組項目受電弓安裝結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 某動車組項目受電弓安裝結(jié)構(gòu)

1.2 固定座自帶鋼螺套

受電弓設(shè)備通過螺栓，與焊接在車體上的固定座及墊塊中的鋼螺套緊固，使受電弓與車體相連。采用固定座自帶鋼螺套安裝結(jié)構(gòu)的某動車組項目的受電弓安裝三維如圖2 所示。

圖2 某動車組項目的受電弓安裝結(jié)構(gòu)三維圖

用于連接絕緣子和固定座的螺栓， 其材質(zhì)通常為不銹鋼或環(huán)保達(dá)克羅碳鋼，大多項目采用M12 螺栓，個別項目采用M10 或M16 螺栓緊固。

2 受電弓受力分析及計算

2.1 受電弓受力分析

列車高速運(yùn)行時， 受電弓表面壓力沿列車運(yùn)動反方向形成的合力，也是阻擋列車運(yùn)行的阻力。該阻力由受電弓各部件前后部的壓力差引起，稱為受電弓壓差阻力。為了簡單形象的闡明受電弓壓差阻力形成的原理， 本文以圓柱繞流為例說明：當(dāng)相對氣流流過圓柱表面時，圓柱正前方氣流受阻，流速減慢，壓力增大；圓柱正后方氣流分離，形成旋渦區(qū)，壓力減小。因此，圓柱前后表面產(chǎn)生壓力差形成阻力，此原理同樣適用于受電弓整個弓體結(jié)構(gòu)，即受電弓壓差阻力。 更進(jìn)一步，受電弓的表面壓力和切應(yīng)力沿列車運(yùn)動反方向形成的合力， 即受電弓空氣壓差阻力和受電弓空氣摩擦阻力之和形成了受電弓的空氣阻力。 受電弓壓差阻力形成原理示意圖如圖3 所示。

圖3 受電弓壓差阻力形成原理示意圖

根據(jù)受電弓運(yùn)營特點，整個受電弓在工作時主要受弓網(wǎng)接觸壓力、空氣阻力、弓網(wǎng)相互作用動態(tài)接觸壓力等[5，9]。受電弓受力情況如圖4 所示。

圖4 受電弓受力情況

根據(jù)受電弓典型安裝結(jié)構(gòu)，受電弓3 個支撐安裝座與支撐絕緣子上方， 通過3 個M16 螺栓連接（3 點式安裝），支撐絕緣子下方通過12 個M12 螺栓與車頂焊接安裝座內(nèi)預(yù)埋的鋼螺套連接。

選取200km/h 速度等級動車組受電弓開展分析，借助FLUENT 軟件進(jìn)行有限元分析。 TB/T 3271—2011《軌道交通受流系統(tǒng)受電弓與接觸網(wǎng)相互作用準(zhǔn)則》規(guī)定，在最惡劣的運(yùn)行工況下，200km/h 速度等級時接觸壓力最大為300N。 實際運(yùn)營時，接觸壓力在100N 以下。 受電弓建模網(wǎng)格化及計算流程圖如圖5 所示。

圖5 受電弓建模網(wǎng)格化及計算流程圖

首先采用UG 軟件對受電弓建模并采用Fluent Meshing 進(jìn)行網(wǎng)格化處理及計算：考慮到計算機(jī)有限的計算能力并兼顧良好的計算精度， 同時還要反映受電弓的空氣動力性能，故對受電弓作如下簡化和假設(shè)：忽略受電弓結(jié)構(gòu)中的細(xì)小部件，比如螺栓、弓頭彈簧等，簡化受電弓表面；將受電弓表面簡化成光滑曲面，受電弓各部件表面粗糙度一致。 根據(jù)以上假設(shè)便可提高計算效率并兼顧可靠的計算精度， 同時確保計算時受電弓所受的表面摩擦力均勻分布于受電弓表面。 受電弓閉口運(yùn)行，施加300N 的弓網(wǎng)接觸壓力，30N 的縱向摩擦力及受電弓自重，通過仿真分析得到受電弓受力情況如圖6 所示。

圖6 受電弓受力情況

由于仿真時將絕緣子處簡化，作為固定支點施加受力，因此圖6 仿真結(jié)果反應(yīng)了受電弓施加于絕緣子上力的情況，因此可以進(jìn)一步反推絕緣子連接受力情況。 絕緣子通過螺栓與固定座自帶的鋼螺套進(jìn)行緊固連接， 得到了絕緣子受力情況后可以建立螺栓連接計算模型， 進(jìn)而計算螺栓連接強(qiáng)度，反應(yīng)受電弓安裝結(jié)構(gòu)的可靠性。

2.2 受電弓安裝可靠性計算

為了更進(jìn)一步研究受電弓典型的固定座自帶鋼螺套安裝結(jié)構(gòu)的可靠性， 依據(jù)絕緣子受力情況驗證螺栓及鋼螺套的安全性， 特采用國際上公認(rèn)的VDI 2230-1-2015《高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計算方法》進(jìn)行分析。由上文1.2章節(jié)的分析，本次計算選取M12（A4-70）不銹鋼螺栓作為邊界條件，根據(jù)受電弓重量參數(shù)和螺栓安裝位置（受電弓通過三個絕緣子支撐于車頂， 每個絕緣子通過四個M12不銹鋼螺栓與固定座內(nèi)的鋼螺套緊固），建立受電弓螺栓計算模型，如圖7 所示。

圖7 受電弓螺栓計算模型

根據(jù)對3 個方向上的受力計算，A4-70型M12 螺栓最大軸向力FAmax=4110.6N，最大剪 切 力Fτmax=1743.2N。A4-70 型M12 螺 栓 的安裝結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 A4-70 型M12螺栓的安裝結(jié)構(gòu)

根據(jù)VDI 2230-1-2015《高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計算方法》，計算得到M12型螺栓最大安裝預(yù)緊力FMmax=29.669kN。 根 據(jù)DIN25201-2-2006《鐵路車輛及其組件的設(shè)計指南螺栓連接第2 部分：設(shè)計機(jī)械應(yīng)用》， 當(dāng)螺栓最小屈服極限利用率為90%， 螺紋最小摩擦系數(shù)μGmin=0.1 時，螺栓安裝預(yù)緊力FMzul=FMtab=31.1kN。

因FMmax＜FMzul，A4-70 型M12 螺 栓 連 接 符 合 安 裝 負(fù) 荷的要求。

車輛屬于P-II 類， 在交變載荷工況下， 根據(jù)EN12663-1：2010+A1：2014 《鐵路應(yīng)用-鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求第1 部分：機(jī)車和客運(yùn)車輛（以及貨車的一種選擇方法）》計算，在橫向加速度為±0.15g、縱向加速度為±0.15g，垂向加速度為（1±0.15）g 這3 種工況下螺栓所承受的最大剪切力為FAmax=4110.6 N，根據(jù)VDI 2230-1-2015 進(jìn)而可以計算出交變載荷σa<σASV， 其中σASV為螺栓的耐疲勞極限，因此螺栓滿足疲勞強(qiáng)度要求。

更進(jìn)一步的，根據(jù)VDI 2230-1-2015《高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計算方法》 可以得到M12 螺栓的表面壓力、最小剩余載荷和最大剪切應(yīng)力對應(yīng)的安全系數(shù)均大于1.0，最小擰入深度小于螺栓嚙合長度， 螺紋嚙合長度及螺栓長度足夠（下文以表面壓力計算為例）。因此，動車組受電弓和車體安裝用的A4-70 型M12 螺栓連接強(qiáng)度滿足要求。

（1）螺栓頭支承表面壓力。螺栓頭支承與鎖緊墊圈之間的表面壓力使用螺栓的允許安裝預(yù)緊力及支承面積計算：

在安裝狀態(tài)下的表面壓力為：

根據(jù)VDI2230 表A9， 鎖緊墊圈的材質(zhì)為A4-70，其性能取自X5CrNi18-10，螺栓接觸面壓力為PG=630MPa

安全系數(shù)

在工作狀態(tài)下的表面接觸壓力為：

安全系數(shù)：

（2）受電弓絕緣子表面壓力。受電弓絕緣子與墊片之間的表面壓力， 使用螺栓的允許安裝預(yù)緊力及支承面積計算：

在工作狀態(tài)下的表面接觸壓力為：

根據(jù)VDI 2230 表A9，安裝座材質(zhì)為SUS 304，其接觸面壓力為PG1=630MPa。

安全系數(shù)：

在工作狀態(tài)下的表面接觸壓力為：

安全系數(shù)：

3 鋼螺套試驗驗證

上文進(jìn)行了螺栓連接結(jié)構(gòu)的計算， 本章節(jié)主要聚焦于通過標(biāo)準(zhǔn)分析及試驗驗證的方式分析與螺栓連接的鋼螺套的可靠性。

3.1 鋼螺套的標(biāo)準(zhǔn)要求

中國中車股份有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CRRC J 118—2021 對自攻螺套型式尺寸、技術(shù)要求、檢驗方法等作出規(guī)定，規(guī)定M12 鋼螺套的破壞扭矩為：ZGK 規(guī)格為86.4Nm，ZGC/ZGKL 規(guī)格為168Nm。

3.2 鋼螺套的試驗數(shù)據(jù)

為了獲得受電弓用鋼螺套的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)， 中車株洲電力機(jī)車有限公司組織各相關(guān)單位開展鋼螺套連接形式拉拔試驗和擰出力矩試驗。 鋼螺套扭力試驗記錄如表1 所示。

表1 鋼螺套扭力試驗記錄表

在材質(zhì)EN AW-6082A 鋁合金板材（厚為15mm）手工鉆直徑為14.5mm 底孔并攻絲，安裝M12 螺紋襯套，測試M12螺栓扭矩在推薦值內(nèi)螺紋襯套的緊固狀態(tài)及最大抗拉力。

M12 鋼螺套相關(guān)試驗可以得出以下結(jié)論：

當(dāng)螺栓不涂膠時所有測試的螺紋襯套均未被擰出，且未出現(xiàn)被旋動和螺紋襯套損壞的現(xiàn)象。

當(dāng)螺栓涂膠時，M12 螺栓擰緊力矩到190Nm 時，個別螺紋襯套被帶出。

扭矩值達(dá)到100Nm 時， 內(nèi)六角螺栓螺桿頭部變形，螺紋襯套完好。

拉力達(dá)到67.18kN 時，螺栓被拉斷，小于該螺紋襯套許用拉力118kN。 這說明在螺栓拉斷時，鋼螺套仍能保持完好，并不能被拔出。

3.3 鋼螺套抗拉力說明

鋼螺套抗拉力說明如圖9 所示。

圖9 自攻絲鋼螺套抗拉力

根據(jù)中國中車制定的《地鐵車輛用自攻絲鋼螺套采購技術(shù)規(guī)范》 可知，M12 鋼螺套可承受抗拉力約為60000N，遠(yuǎn)大于M12 螺栓最大軸向力4110.6N。 因此，鋼螺套安裝方式可靠性較高，在車輛運(yùn)行工況下，受電弓位置鋼螺套不存在被拉出的風(fēng)險。 目前鋼螺套打孔安裝工藝比較成熟， 同時該受電弓安裝方式已經(jīng)經(jīng)過了多個項目的實際應(yīng)用檢驗。因此可以看出，采用鋼螺套作為底部連接的方式是安全可靠的且工藝執(zhí)行技術(shù)成熟。

4 結(jié)束語

本文選取受電弓典型的固定座安裝方式， 結(jié)合對受電弓運(yùn)行狀態(tài)下的受力仿真分析， 得到了受電弓的受力狀態(tài)。 根據(jù)受電弓受力情況，反推絕緣子連接受力情況，建立螺栓計算模型，并根據(jù)VDI 2230-1-2015《高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計算方法》計算螺栓連接強(qiáng)度，其結(jié)果滿足靜強(qiáng)度，動強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度要求，其工作應(yīng)力、交變應(yīng)力、表面壓力、 最小剩余載荷和最大剪切應(yīng)力對應(yīng)的安全系數(shù)均大于1.0，螺栓連接是安全的。 同時對鋼螺套連接形式進(jìn)行了拉拔試驗和擰出力矩試驗等， 驗證了固定座內(nèi)預(yù)埋鋼螺套的形式可以實現(xiàn)受電弓可靠性的連接， 自攻絲鋼螺套抗拉力也遠(yuǎn)大于螺栓最大的軸向力， 不會引起連接失效，因此整個受電弓安裝結(jié)構(gòu)是安全的，此種安裝方式也為今后同行業(yè)設(shè)計師具有重要的實際指導(dǎo)和應(yīng)用意義。