受電弓上框架改進(jìn)分析

孫 寧，林 平，李 軍，馮 葉，王秋紅

（南車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001）

受電弓上框架改進(jìn)分析

孫 寧，林 平，李 軍，馮 葉，王秋紅

（南車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001）

在地鐵受電弓使用過(guò)程中，受電弓上框架頂管端部出現(xiàn)了裂紋問(wèn)題，為解決上述問(wèn)題，以受電弓上框架為研究對(duì)象，對(duì)上框架頂管和階梯管之間的連接形式進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)對(duì)改進(jìn)形式進(jìn)行仿真分析，上框架的性能大大優(yōu)于原來(lái)結(jié)構(gòu)形式。

受電弓；上框架；改進(jìn)；仿真

1 引言

某型地鐵用受電弓上在段運(yùn)行一定時(shí)期后，上框架頂管端部出現(xiàn)裂紋，上框架頂管裂紋位置如圖1所示。

為解決上框架頂管端部裂紋問(wèn)題，對(duì)上框架頂管與階梯管連接處的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，并對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。

圖1 上框架頂管裂紋位置

2 上框架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 改進(jìn)概述

原上框架頂管和階梯管采用對(duì)接焊接的形式，焊接完成后頂管端部焊接變形較為嚴(yán)重，使頂管端部受力不均，同時(shí)原對(duì)接焊接的形式不利于頂管端部承力并且頂管端部在焊接熱影響下力學(xué)性能下降，在上述因素下，受電弓上框架頂管在長(zhǎng)期工作載荷下出現(xiàn)疲勞裂紋。為加強(qiáng)上框架頂管與階梯管連接處的強(qiáng)度，將在受電弓上框架頂管和階梯管之間采用頂管支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)渡連接，頂管支撐結(jié)構(gòu)采用整體加工的方式，此結(jié)構(gòu)將大幅度增加頂管的支撐厚度，提高頂管整體剛度，改善頂管力學(xué)性能，頂管支撐結(jié)構(gòu)及改進(jìn)后的上框架如圖2和圖3所示。

圖2 頂管支撐結(jié)構(gòu)

圖3 上框架改進(jìn)示意圖

2.2 仿真分析

對(duì)改進(jìn)后的上框架結(jié)構(gòu)和原上框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真對(duì)比分析，考慮到上框架頂管為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化計(jì)算模型，降低模型不收斂性，仿真模型采用對(duì)稱接觸型模型進(jìn)行計(jì)算。上框架頂管承受弓網(wǎng)的垂向接觸力最大動(dòng)態(tài)接觸力不超過(guò)300N，加上受電弓弓頭自身重量約14kg，頂管雙邊承受的垂向力不超過(guò)450N，單邊垂向力不超過(guò)225N,仿真計(jì)算模型設(shè)置受電弓的單邊垂向力250N，同時(shí)分別設(shè)置水平?jīng)_擊為5g、10g（進(jìn)行線路弓網(wǎng)試驗(yàn)時(shí)水平?jīng)_擊在5g以下），并特取出頂管支撐結(jié)構(gòu)與頂管及階梯管連接處的應(yīng)力值，取值點(diǎn)如圖4所示，具體分析對(duì)比結(jié)果如下所示。

（1）水平?jīng)_擊5g，水平力700N,垂向力250N：如圖5所示為原上框架應(yīng)力分布云圖，如圖6所示為改進(jìn)上框架應(yīng)力分布云圖，原上框架在上述載荷下的最大應(yīng)力46MPa，改進(jìn)上框架的最大應(yīng)力值為30MPa，原上框架在取值點(diǎn)1處的應(yīng)力值為8.5MPa，改進(jìn)框架在取值點(diǎn)1處的應(yīng)力值為3.8Mpa，原上框架在取值點(diǎn)2處的應(yīng)力值為9.7MPa，改進(jìn)框架在取值點(diǎn)2處的應(yīng)力值為6.2MPa。

圖4 頂管支撐結(jié)構(gòu)與上框架連接處應(yīng)力取值位置

圖5 原上框架應(yīng)力分布

圖6 改進(jìn)上框架應(yīng)力分布

（2）水平?jīng)_擊10g，水平力1400N,垂向力250N：如圖7所示為原上框架應(yīng)力分布云圖，如圖8所示為改進(jìn)上框架應(yīng)力分布云圖。原上框架在上述載荷下的最大應(yīng)力64.5MPa，改進(jìn)上框架的最大應(yīng)力值為47.9MPa，原上框架在取值點(diǎn)1處的應(yīng)力值為 17MPa，改進(jìn)框架在取值點(diǎn) 1處的應(yīng)力值為6.6MPa，原上框架在取值點(diǎn)2處的應(yīng)力值為16MPa，改進(jìn)框架在取值點(diǎn)2處的應(yīng)力值為11.4Mpa。

圖7 原上框架應(yīng)力分布

圖8 改進(jìn)上框架應(yīng)力分布

2.3 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如表1所示：

表1 仿真計(jì)算結(jié)果

通過(guò)上述仿真可知改進(jìn)上框架較原上框架在整體結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出應(yīng)力分布減小的趨勢(shì)，同時(shí)在相同載荷下改進(jìn)頂管支撐結(jié)構(gòu)與上框架連接處較原上框架相同位置應(yīng)力也有明顯改善，通過(guò)上述改進(jìn)有效提高了原上框架性能。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)上框架結(jié)構(gòu)改進(jìn)進(jìn)行仿真分析，改進(jìn)后的上框架較原上框架在力學(xué)性能上有了較大提升，通過(guò)此種改進(jìn)方式可以有效解決原上框架在段運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)的頂管端部裂紋問(wèn)題，提高受電弓在線運(yùn)行的可靠性、安全性。

[1]安孝廉.編.受電器[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1984.

[2]劉惟信.機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1993.

[3]馬良驥.受電弓機(jī)構(gòu)綜合及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].成都：西南交通大學(xué).1988.

An Analysis of Improvement for Upper Frame of Pantograph

SUN Ning，LIN Ping,LI Jun,FENG Ye,WANG Qiu-hong,Et al
(CSR Zhuzhou Electric Locomotive co.,LTD.,Zhuzhou,Hunan 412001，China).

The end of top pipe of upper frame on pantograph may crack when the pantograph of subway is working，to solve this problem above，this paper took the uper frame of pantograph as the study object and improved the connection form between top pipe and ladder pipe，the improved performance of upper frame is greatly better than the original through simulation analysis.

pantograph;upper frame;improvement;simulation

U264.34

A

2095-980X（2015）02-0051-02

2015-01-15

孫寧，助理工程師，長(zhǎng)期從事受電弓的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作。