新型受電弓的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究分析*

賈海龍, 趙躍華, 周雁旻, 宋 瑤

(北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司, 北京 100176)

受電弓是電力機(jī)車和動(dòng)車組的唯一受流部件，是車輛將接觸網(wǎng)電能平穩(wěn)引入到高壓系統(tǒng)，為整列動(dòng)車組牽引和輔助設(shè)備提供持續(xù)動(dòng)力的重要高壓設(shè)備[1]。受電弓持久可靠穩(wěn)定地運(yùn)行以及弓網(wǎng)高質(zhì)量的受流是決定動(dòng)車組穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。

隨著中國(guó)鐵路的飛速發(fā)展，設(shè)計(jì)具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高質(zhì)量受電弓具有重要的現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)意義。

以北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司自主設(shè)計(jì)制造的一種新型受電弓為依據(jù)，聯(lián)合大連交通大學(xué)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力的有限元分析，以期為設(shè)計(jì)不足之處等問(wèn)題提供有力、可靠的理論支撐和依據(jù)。

1 新型受電弓介紹

受電弓結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，其框架結(jié)構(gòu)主要材料信息如下：底架材料為06Cr19Ni10，下臂材料為06Cr19Ni10，板材厚度2.5 mm，上臂材料為5083-O，板材厚度3.5 mm，其相應(yīng)的材料屬性見(jiàn)表1。

1-底架; 2-阻尼器; 3-升弓裝置; 4-下臂; 5-下導(dǎo)桿; 6-上臂; 7-上導(dǎo)桿(上臂內(nèi)部); 8-弓頭。圖1 新型受電弓結(jié)構(gòu)示意圖

表1 材料力學(xué)性能表

2 評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可知，設(shè)計(jì)的最大應(yīng)力不得大于所用材料的許用應(yīng)力，即：

σ計(jì)算≤[σ]

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，鋁板5083-O的許用應(yīng)力為125 MPa，06Cr19Ni10的許用應(yīng)力為205 MPa。

3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析

3.1 有限元模型的建立

根據(jù)受電弓的三維實(shí)體模型以及部件之間安裝及部件自身焊接關(guān)系建立有限元仿真模型。結(jié)合受電弓實(shí)際運(yùn)行工況及使用要求，對(duì)受電弓強(qiáng)度和剛度起作用的結(jié)構(gòu)形式都保留，其他結(jié)構(gòu)形式可以簡(jiǎn)化或省略；同時(shí)受電弓結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分主要以六面體實(shí)體單元構(gòu)成，局部由四面體實(shí)體單元構(gòu)成。

最終受電弓結(jié)構(gòu)有限元模型單元總數(shù)為459 189，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為555 926。圖2為新型受電弓結(jié)構(gòu)的有限元模型。

3.2 載荷工況和約束的設(shè)定

結(jié)合受電弓實(shí)際固定位置，將受電弓3個(gè)絕緣子安裝座設(shè)置為固定約束，見(jiàn)圖3。

圖2 新型受電弓結(jié)構(gòu)的有限元模型

圖3 新型受電弓固定約束示意

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)結(jié)合實(shí)際接觸網(wǎng)在碳滑板基本在車體中心左右最大偏移400 mm范圍內(nèi)滑動(dòng)，所以本模型設(shè)置受電弓單邊垂向載荷350 N，橫向載荷300 N。

目前國(guó)內(nèi)接觸網(wǎng)高度分為5 300 mm和6 500 mm兩種，折算到新型受電弓升弓高度約為900 mm和2 100 mm。所以在上述兩種工作高度下對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。

3.3 強(qiáng)度分析結(jié)果

對(duì)新型受電弓在升弓高度900 mm和2 100 mm兩種高度下進(jìn)行強(qiáng)度分析，結(jié)果如下。

(1) 升弓高度900 mm的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

由圖4中應(yīng)力云圖可知，上臂中心連接板處最大應(yīng)力89.137 MPa，弓頭交叉管處最大應(yīng)力62.827 MPa，下臂縱支柱與主軸管連接處最大應(yīng)力91.216 MPa。

(2) 升弓高度2 100 mm的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

由圖5中應(yīng)力云圖可知，上臂中心連接板處最大應(yīng)力70.274 MPa，弓頭交叉管處最大應(yīng)力63.646 MPa，下臂縱支柱與主軸管連接處最大應(yīng)力99.312 MPa。

4 焊縫疲勞強(qiáng)度分析

4.1 焊縫疲勞的分析方法

有資料顯示，焊接結(jié)構(gòu)的破壞往往是從焊縫處開(kāi)始出現(xiàn)疲勞裂紋進(jìn)而引起破壞。這是由于焊接區(qū)域中母材強(qiáng)度高于焊縫強(qiáng)度導(dǎo)致的。所以焊縫的最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在焊趾附近[2]。

采用美國(guó)華裔學(xué)者Pingsha Dong(董平沙)發(fā)明的一種網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力法和基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主S-N曲線疲勞壽命預(yù)測(cè)法[3-4]對(duì)新型受電弓進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度及性能分析。

圖4 升弓高度900 mmVon.Mises應(yīng)力云圖

工況位置應(yīng)力值/MPa許用應(yīng)力/MPa安全系數(shù)升弓900mm上臂89.1371251.40弓頭62.8271251.99下臂91.2162052.25升弓2100mm上臂70.2741251.77弓頭63.6461251.96下臂99.3122052.06

由新型受電弓結(jié)構(gòu)的材料組成可知，該受電弓僅涉及不銹鋼焊接接頭和鋁合金焊接接頭兩種類型。通過(guò)對(duì)新型受電弓模型進(jìn)行疲勞載荷加載，利用ANSYS軟件對(duì)其焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。根據(jù)部件在疲勞載荷作用下的有限元分析結(jié)果[5]，進(jìn)一步計(jì)算各焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

圖5 升弓高度2 100 mm的Von.Mises應(yīng)力云圖

4.2 結(jié)構(gòu)焊縫評(píng)估及應(yīng)力分析結(jié)果

按照焊接圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，利用軟件將各焊縫定義加載至模型中，并選擇新型受電弓結(jié)構(gòu)的21條關(guān)鍵焊縫(即42條焊線)進(jìn)行評(píng)估。

通過(guò)計(jì)算兩種不同升弓高度工況下，發(fā)現(xiàn)在所評(píng)估的焊縫中共有6條焊線的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較大，焊線具體位置如圖6所示。

對(duì)新型受電弓所評(píng)估的21條焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布曲線見(jiàn)圖7(僅以第36號(hào)焊線的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布曲線為例)。其中橫座標(biāo)是第36條焊線的起點(diǎn)到焊線終點(diǎn)，即焊線長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)是焊線相應(yīng)位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，其單位為MPa。

根據(jù)載荷及兩種不同工況的要求進(jìn)行邊界條件設(shè)定，然后計(jì)算各焊縫等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，選用98%可靠度-2σ主S-N曲線(不打磨)計(jì)算出不同升弓高度下焊縫的試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)，即焊縫的壽命，結(jié)果如表3所示(注：表3僅給出圖6所示焊線的壽命計(jì)算結(jié)果)。

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，在不同升弓高度工況下，焊線24、25、36、37、39、40的理論計(jì)算壽命次數(shù)在十萬(wàn)次以內(nèi)，而其他焊線的壽命次數(shù)均在百萬(wàn)次。相比之下，上述焊線成為薄弱區(qū)，容易最先出現(xiàn)問(wèn)題，需引起關(guān)注。

圖6 結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大的焊線

圖7 第36號(hào)焊線的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布曲線

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司自主

研制的新型受電弓進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和焊縫疲勞強(qiáng)度的分析，可得出如下結(jié)論和建議：

(1) 在兩種不同的升弓高度工況下，該新型受電弓的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度均可滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 在兩種不同的升弓高度工況下，存在少量焊縫的疲勞壽命較低的情況。建議設(shè)計(jì)者要重點(diǎn)考慮如何提高該處的疲勞壽命，如適當(dāng)增加上臂連接板厚度或優(yōu)化焊縫設(shè)計(jì)。

表3 結(jié)構(gòu)焊縫壽命次數(shù)

(3) 建議制造商及設(shè)計(jì)者對(duì)實(shí)物進(jìn)行應(yīng)力貼片測(cè)試，將實(shí)際測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，進(jìn)而對(duì)該部位進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

[1] 杜廣林，劉克思，張 哲.降低高速受電弓碳滑板磨耗的技術(shù)對(duì)策[J].中國(guó)鐵路，2015(2)：38-41.

[2] 陳 璟，胡單妮，等.基于焊縫疲勞壽命預(yù)測(cè)的后橋設(shè)計(jì)改進(jìn)[J].上海汽車，2011(9)：27-30.

[3] 李明高，兆文忠，等.基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估[J].現(xiàn)代制造工程，2013(5)：118-121.

[4] 楊鑫華，趙 峰，等.基于網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力的鋁合金焊接接頭疲勞性能分析[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013(12)：74-78.

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