考慮風(fēng)載的高速列車受電弓靜強度分析

江亞男，張衛(wèi)華，鄒 棟，宋冬利，梅桂明

（西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

鐵路供電技術(shù)

考慮風(fēng)載的高速列車受電弓靜強度分析

江亞男，張衛(wèi)華，鄒 棟，宋冬利，梅桂明

（西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川成都610031）

鐵路高速化在帶來方便快捷運輸條件的同時，也使列車及其相關(guān)結(jié)構(gòu)所受的空氣阻力急劇增大，為保證受電弓的安全運行，有必要開展氣動載荷作用下的受電弓靜強度分析?；贏NSYS Workbench的靜強度分析功能，現(xiàn)對氣動載荷作用下的受電弓靜強度分析方法進行了探索，分析了氣動載荷的影響效果，并實現(xiàn)了氣動力作用下V500高速受電弓的靜強度校核。結(jié)果表明，V500高速受電弓弓頭在氣動力作用下呈抬升趨勢，該型弓具有良好的氣動性能；對比開、閉口運行工況下的結(jié)構(gòu)承載分布情況和部件應(yīng)力，V500高速受電弓閉口運行性能略優(yōu)于開口運行性能；受電弓平衡臂、彈簧盒、上臂桿和底架的應(yīng)力主要由氣動載荷引起；V500高速受電弓各部件均通過強度校核，滿足靜強度設(shè)計要求。

高速受電弓；靜強度；風(fēng)載；有限元

隨著鐵路高速化進程的推進，受電弓空氣動力學(xué)效應(yīng)越來越明顯［1-2］，僅考慮弓網(wǎng)接觸壓力的受電弓靜強度校核結(jié)果［3］已不足以作為受電弓靜強度設(shè)計是否滿足要求的判據(jù)，因此有必要開展考慮氣動載荷的受電弓靜強度分析。目前，在空氣動力學(xué)方面，Bocciolone M et［1］討論了列車高速運行引起的縱向氣動力對弓網(wǎng)系統(tǒng)的影響，指出氣動力對弓網(wǎng)接觸壓力的均值和方差均有較大影響，同時該文獻對受電弓弓頭進行了優(yōu)化，以減小空氣阻力；Pombo J et［2］建立了受電弓多剛體模型和接觸網(wǎng)有限元模型以討論氣動力對弓網(wǎng)系統(tǒng)的影響，并得出結(jié)論，在氣動載荷作用下弓頭呈抬升趨勢，增大弓網(wǎng)接觸壓力，同時考慮風(fēng)載荷時接觸壓力的波動幅值將增大；李瑞平等［5］采用有限體積法實現(xiàn)了高速受電弓氣動力的數(shù)值模擬，并推導(dǎo)受電弓氣動抬升力的計算方法。在受電弓靜強度分析領(lǐng)域，馬果壘等［3］首次實現(xiàn)了受電弓整體結(jié)構(gòu)的有限元靜態(tài)仿真，完成了受電弓的強度、剛度校核及動力特性（模態(tài)）分析；宋冬利等［4］基于應(yīng)力強度干涉模型實現(xiàn)了V500受電弓的靜強度可靠性分析，該文獻將氣動阻力以集中力的形式加載弓頭表面。

利用ANSYS Workbench建立了V500高速受電弓的有限元模型，為使有限元模型能反應(yīng)真實情況，設(shè)置邊界條件時，在受電弓弓頭頂部設(shè)置了彈性約束以模擬接觸網(wǎng)對受電弓的作用，并將氣動載荷依次施加到各部件的外表面模擬實際氣流的作用效果。通過有限元靜態(tài)分析，對比了V500高速受電弓開、閉口工況的運行性能，實現(xiàn)了氣動載荷作用下受電弓靜強度校核。同時，為了說明氣動載荷的影響效果，還對比了只考慮弓網(wǎng)接觸壓力和重力工況及考慮氣動載荷工況的靜強度分析結(jié)果。

1 受電弓邊界分析

運行過程中，受電弓的狀態(tài)如圖1所示：通過絕緣子固定于列車頂部，弓頭與接觸網(wǎng)接觸獲取電能，在縱向上受到氣流的擾動，受電弓承受著自身重力，氣流引起的氣動升力、氣動阻力，列車振動和接觸網(wǎng)波動引起的慣性力。靜態(tài)分析時，忽略列車和接觸網(wǎng)的隨機激擾，受電弓底部的絕緣子視為固定約束，弓頭頂部的接觸網(wǎng)可簡化為彈性約束，所承受的外力為氣動力Fax和Fay、自身重力G和升弓力矩MAz。

圖1 受電弓狀態(tài)圖

2 有限元分析

2.1 有限元模型的建立

通過SOLIDWORKS軟件建立V 500高速受電弓精確的三維實體模型，將其導(dǎo)入有限元軟件ANSYS Workbench生成有限元模型。受電弓實體模型較為復(fù)雜，靜態(tài)仿真時對結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)簡化，使有限元模型既能反應(yīng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，又能滿足有較高的計算精度和縮小解題規(guī)模的要求。有限元模型的簡化包括以下幾點：

（1）靜態(tài)分析時忽略了結(jié)構(gòu)阻尼，升弓氣囊由定剛度彈簧代替，升弓力矩由彈簧的預(yù)壓力等效，預(yù)壓力值為提供弓網(wǎng)靜態(tài)接觸壓力所需的抬升力；

（2）根據(jù)結(jié)構(gòu)實際鉸接關(guān)系設(shè)置受電弓各部件的接觸，底架與3個絕緣子固接，底架、上臂桿、下臂桿、平衡臂、平衡桿等框架部件間為轉(zhuǎn)動連接，弓頭通過懸掛彈簧與平衡臂連接。各部件的接觸設(shè)置如圖2所示。

本文選用四面體實體單元對受電弓結(jié)構(gòu)分網(wǎng)，結(jié)構(gòu)中不規(guī)則部件進行局部網(wǎng)格細化處理，V500高速受電弓有限元模型單元數(shù)為328 047個，有限元模型如圖3所示，結(jié)構(gòu)各部件材料［4］見表1。

表1 V500高速受電弓材料和屈服強度［4］

2.2 邊界設(shè)置

（1）位移邊界

靜力仿真時，不考慮接觸網(wǎng)波動，接觸網(wǎng)對受電弓的作用效果簡化為弓頭處的垂向彈性約束，有限元分析時用垂向彈簧模擬，彈簧上端與一固定的小圓柱相連，方便提取約束反力；設(shè)置3個絕緣子在受電弓底部固定。

圖2 V500高速受電弓接觸設(shè)置

圖3 V500高速受電弓有限元模型

表2 速度600 km/h的受電弓氣動載荷

（2）載荷邊界

V500高速受電弓的設(shè)計速度為500 km/h，為保證投入使用后該受電弓能安全運行，必須進行高于設(shè)計速度的風(fēng)洞試驗，本文旨在校核該受電弓在極限速度600 km/h氣動載荷作用下的靜強度，以保證風(fēng)洞試驗的安全性。V500受電弓靜強度分析所用的氣動載荷通過大型流場計算商用軟件FLUENT計算得到，計算方法參見文獻［5］，得到受電弓各部件的氣動載荷大小和作用位置如表2所示。

續(xù)表2

對受電弓整體結(jié)構(gòu)施加重力加速度。為了更真實的模擬氣流的作用效果，將氣動載荷以遠程力的形式依次施加到相應(yīng)部件的外表面，力的作用點和大小如表2所示。邊界設(shè)置如圖4所示。

圖4 V500高速受電弓邊界設(shè)置

3 計算結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)承載分布

提取弓頭約束彈簧和絕緣子底部的約束反力，對受電弓整體結(jié)構(gòu)承載分布情況進行分析。弓頭約束彈簧的約束力為：開口運行，－368.55 N；閉口運行，－247.64 N。兩種工況下彈簧均為受壓，表明受電弓弓頭呈抬升趨勢，不會出現(xiàn)弓頭被吹落的現(xiàn)象，即該型弓具有良好的氣動性能。3個絕緣子的約束力及約束力矩如表3所示，絕緣子編號如圖5。

圖5 絕緣子編號

由表3可見，開口運行時絕緣子1的受力情況較其他兩個絕緣子惡劣，尤其是垂向載荷，絕緣子1的值為其他兩個絕緣子的3倍以上，這使絕緣子1更容易破壞。閉口運行時3個絕緣子所承受的載荷均勻，表明在承載分配上V500受電弓閉口工況優(yōu)于開口工況。

3.2 應(yīng)力計算結(jié)果

開、閉口工況下V500高速受電弓整體變形圖如圖6，結(jié)構(gòu)應(yīng)力圖如圖7。開口運行時受電弓最大位移為14.674 mm，發(fā)生在上下臂桿間套頭上，受電弓最大應(yīng)力為115.97 MPa，發(fā)生在下臂桿扇形板根部位置；閉口運行時受電弓最大位移為17.373 mm，發(fā)生在上下臂桿間套頭部位，受電弓最大應(yīng)力為102.91 MPa，發(fā)生在彈簧盒與平衡臂接觸部位。分析圖7中結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布可知，V500高速受電弓應(yīng)力值較大的部件為底架、下臂桿、上臂桿、平衡臂及彈簧盒。其中，下臂桿應(yīng)力分布不均勻，兩端部不規(guī)則處應(yīng)力較大，且在扇形板根部出現(xiàn)應(yīng)力集中，這對結(jié)構(gòu)極為不利，服役過程中容易產(chǎn)生裂紋。

表3 絕緣子約束力

圖6 V500高速受電弓整體變形

依次提取開、閉口工況下受電弓各部件的最大應(yīng)力，結(jié)果如表4所示。對比表4中的應(yīng)力值可見，開口運行工況下，各部件的最大應(yīng)力值普遍高于閉口運行工況。

圖7 V500高速受電弓應(yīng)力云圖

為了說明氣動載荷的影響效果，本文進行了只考慮弓網(wǎng)接觸壓力和重力作用的靜強度仿真，其中，接觸壓力的大小約為氣動載荷作用下的接觸壓力值（350 N），變形和應(yīng)力如圖8所示。對比兩組工況的變形圖可見氣動載荷對受電弓有抬升作用，在保證弓頭不被吹落的同時也將增大弓網(wǎng)接觸壓力均值；對比兩組工況的應(yīng)力圖可見，受電弓平衡臂、彈簧盒、上臂桿和底架的應(yīng)力主要由氣動載荷作用引起；提取兩組工況下弓頭托架的應(yīng)力圖（如圖9），可見氣動載荷使絕緣角弓與金屬角弓連接處產(chǎn)生較大應(yīng)力，易造成該處折斷，而該處在只考慮弓網(wǎng)接觸壓力工況下的應(yīng)力值趨于零。

圖8 未考慮風(fēng)載工況受電弓變形和應(yīng)力

3.3 靜強度校核

結(jié)構(gòu)靜強度的評定標準［6］為：

式中σr為相當(dāng)應(yīng)力；［σ］為許用應(yīng)力。對應(yīng)不同的強度理論，σr和［σ］的計算公式不同，文中兩種材料均為延性材料，應(yīng)選用第4強度理論。

圖9 弓頭托架應(yīng)力對比

式中ns為安全因數(shù)，取ns＝1.5［6］；σr為有限元分析結(jié)果中的von-Mises等效應(yīng)力。

對如表4中各部件的應(yīng)力進行靜強度校核，其中，0Cr19Ni10Nb N的許用應(yīng)力為230 MPa，鋁的許用應(yīng)力為187 MPa，校核結(jié)果如表5所示。由表可見V500受電弓在氣動載荷作用下滿足靜強度設(shè)計要求，且閉口運行時的安全系數(shù)普遍高于開口工況。

4 結(jié) 論

（1）本文通過將氣動載荷以遠程力的形式均勻施加到受電弓各部件的外表面，實現(xiàn)了V500高速受電弓考慮氣動載荷的靜強度有限元仿真；

（2）由有限元仿真結(jié)果可見，開、閉口工況下，V500高速受電弓弓頭均呈抬升趨勢，表明該型弓具有良好的氣動性能設(shè)計；對比開、閉口運行工況下3個絕緣子的承載情況和各部件的應(yīng)力最大值，閉口運行工況均略優(yōu)于開口運行；受電弓各部件均通過靜強度校核，表明V500高速受電弓滿足靜強度設(shè)計要求；

（3）對比只考慮弓網(wǎng)接觸壓力和重力工況及考慮氣動載荷工況的計算結(jié)果有氣動載荷將增大弓網(wǎng)接觸壓力均值，受電弓平衡臂、彈簧盒、上臂桿和底架的應(yīng)力主要由氣動載荷作用引起，氣動載荷使絕緣角弓與金屬角弓連接處產(chǎn)生較大應(yīng)力，易造成該處折斷。

［1］ Bocciolone M，Resta F，Rocchi D，et al.Pantograph aerodynamic effects on the pantograph-catenary interaction［J］.Vehicle System Dynamics，2006，44（S）：560-570.

［2］ Pombo J，Ambrosio J，Pereira M，et al.Influence of the aerodynamic forces on the pantograph-catenary system for high-speed trains［J］.Vehicle System Dynamics，2013，47（11）：1 327-1 347.

［3］ 馬果壘，張衛(wèi)華，梅桂明.高速受電弓整體結(jié)構(gòu)特性分析［J］.機械強度，2010，32（1）：158-164.

［4］ 宋冬利，張衛(wèi)華，梅桂明.V500受電弓靜強度可靠性分析［J］.失效分析與預(yù)防，2011，6（2）65-69.

［5］ 李瑞平，周 寧，張衛(wèi)華，梅桂明，等.受電弓氣動抬升力計算方法與分析［J］.鐵道學(xué)報，2012，34（8）：26-32.

［6］ 孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2001：7-51，208-251.

Static Strength Analysis of High Speed Pantograph Considering Aerodynamic Load

JIANG Yanan，ZHANG Weihua，ZOU Dong，SONG Dongli，MEI Guiming
（State Key laboratory of Traction Power，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031 Sichun，China）

High-speed railway brings the convenient transportation conditions，but also increases air resistance of train and its related parts.In order or to ensure the safety of pantograph during operation，the static strength analysis of pantograph is necessary.Base on ANSYS Workbench，the method of static strength analysis considering aerodynamic load was exploded in this paper.The effect of aerodynamic load was analyzed.And the static intension check of V500 high speed pantograph was carried out.Conclusions were draw as follows：Collector head had an upward trend under aerodynamic load，which meant V500 high speed pantograph had a good aerodynamic performance.Comparing the distribution of bearing and stress of components under the open and closed running conditions，the operation performance of V500 high speed pantograph under closed running condition was better than the open running condition.The stress of balance-arm，spring-box，upper-arm and base-frame was produced by aerodynamic load.The components of V500 high speed pantograph met the static strength design requirements.

high speed pantograph；static strength；aerodynamic load；finite element

U225.4＋2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.27

1008－7842（2014）01－0120－06

9—）女，碩士生（

2013－09－07）