新型高速鐵路接觸網(wǎng)腕臂與定位裝置研究

羅 健，莫繼良，韓凌青，閆軍芳，張 琦

(1.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251；2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.寶雞保德利電氣設(shè)備有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000)

高速鐵路的維護(hù)、安全及高效運(yùn)營(yíng)對(duì)于整個(gè)鐵路網(wǎng)的發(fā)展有著至關(guān)重要的意義[1]。接觸網(wǎng)系統(tǒng)作為鐵路供電系統(tǒng)的重要組成部分，其性能以及裝置的狀態(tài)直接影響著列車的運(yùn)行安全[2]。

在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，腕臂和定位裝置的作用至關(guān)重要，其主要為承力索和接觸線提供支持和定位作用[3]。接觸網(wǎng)在自然環(huán)境中還受到多種環(huán)境因素的影響，這些因素以動(dòng)載荷的形式傳遞到腕臂和定位裝置上，對(duì)接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性存在一定威脅[4]。因此，腕臂和定位裝置的結(jié)構(gòu)性能影響列車運(yùn)行時(shí)的受流質(zhì)量和安全[5-6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在對(duì)現(xiàn)有腕臂結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析時(shí)普遍采用簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)后的公式推導(dǎo)手段以及有限元計(jì)算[7-10]。但公式推導(dǎo)過(guò)程繁瑣，且結(jié)果不夠全面準(zhǔn)確。一般用有限元方法對(duì)腕臂及其定位裝置進(jìn)行靜力、動(dòng)力學(xué)分析[11]，為優(yōu)化其零部件結(jié)構(gòu)提供理論基礎(chǔ)指導(dǎo)。接觸網(wǎng)腕臂和定位裝置安裝結(jié)構(gòu)型式、零部件規(guī)格型號(hào)繁多，給運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)不便[12]。但鮮有研究人員針對(duì)現(xiàn)有腕臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并提出新型腕臂整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

本文對(duì)現(xiàn)有4種腕臂及定位裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并結(jié)合有限元計(jì)算方法對(duì)各個(gè)腕臂及定位裝置的靜力學(xué)特性進(jìn)行分析。在設(shè)計(jì)原則指導(dǎo)下，綜合考慮各方面影響因素后提出簡(jiǎn)統(tǒng)化的新型腕臂和定位裝置，具有自主化特征，力爭(zhēng)打造具有創(chuàng)新性、簡(jiǎn)約化、安全性、經(jīng)濟(jì)性和便捷性的新型接觸網(wǎng)裝備，為打造簡(jiǎn)統(tǒng)化的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)接觸網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)有4種腕臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

針對(duì)現(xiàn)有4種典型腕臂及定位裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，包括水平鋼腕臂、鋁合金腕臂、拉桿式腕臂和整體式腕臂。

水平鋼腕臂結(jié)構(gòu)呈三角形，腕臂管采用外徑60 mm、壁厚5 mm的碳素結(jié)構(gòu)鋼，連接件為金屬模鍛鋼件。該結(jié)構(gòu)型式比較簡(jiǎn)單，整體強(qiáng)度和剛度較好，但鋼材質(zhì)量較重，且需熱浸鍍鋅防腐，不能隨意切割，不易預(yù)配組裝；連接件和緊固件數(shù)量較多，易松脫；定位裝置采用帶限位功能的直形鋁合金定位器，與受電弓包絡(luò)線之間匹配程度一般，可能造成安全余量小甚至余量不足而打弓的后果；定位器與定位支座為鉤環(huán)連接，易磨損。

鋁合金腕臂結(jié)構(gòu)在我國(guó)350 km/h高速鐵路中應(yīng)用廣泛，腕臂使用外徑70 mm、壁厚6 mm的鋁合金管(6082-T6)，連接件同樣為鑄造鋁合金材料。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與水平鋼腕臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)類似。其材料采用鋁合金，質(zhì)量較輕，易于切割和安裝，防腐性能較好，但鑄造件工藝質(zhì)量要求較高。

拉桿式腕臂結(jié)構(gòu)呈銳角三角形，穩(wěn)定性較好。腕臂支撐采用方鋼型材，加工工序少，生產(chǎn)成本低，且現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單可靠。連接件材料選用銅合金并使用鑄造工藝，強(qiáng)度較高且塑性大，但對(duì)工藝要求高，需逐件探傷檢驗(yàn)。銅合金電偶性能良好，因此定位器與定位支座之間不需要電氣連接線連接。定位器采用弧形結(jié)構(gòu)，與定位支底座連接采用銷軸結(jié)構(gòu)，定位器可在定位管立柱上進(jìn)行位置調(diào)整。

整體式腕臂結(jié)構(gòu)在腕臂和定位管的連接處采用了單耳與雙耳連接的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，雙耳焊接在腕臂管上，再與單耳進(jìn)行連接。其平腕臂為彎型結(jié)構(gòu)，取代了傳統(tǒng)的腕臂支撐及吊線結(jié)構(gòu)，連接簡(jiǎn)單可靠，使腕臂結(jié)構(gòu)在大風(fēng)區(qū)的復(fù)雜環(huán)境下可靠性較高。零部件連接處為合頁(yè)結(jié)構(gòu)，減少了螺紋副連接可能造成的松動(dòng)現(xiàn)象。定位器外形為弧形，與定位支座連接采用銷軸結(jié)構(gòu)，定位器具備彈性功能。

2 現(xiàn)有腕臂結(jié)構(gòu)靜力學(xué)特性分析

2.1 有限元模型

使用Solid Works軟件，根據(jù)4種腕臂真實(shí)結(jié)構(gòu)建立三維模型，建模時(shí)均依據(jù)真實(shí)情況簡(jiǎn)化了連接部位，螺栓變?yōu)殇N釘，不考慮螺栓預(yù)緊力，將定位鉤、環(huán)連接處變?yōu)殂q接。利用ABAQUS6.14對(duì)建立好的模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，網(wǎng)格劃分采用C3D8R單元。4種腕臂的有限元模型與邊界條件如圖1所示，主要部件的材料參數(shù)見(jiàn)表1。有限元模型中固定連接部分均使用Tie連接，在絕緣子螺栓孔處施加三向撓度約束，定位器與定位器支座之間使用面-面接觸方式，圖1中紅色圈出部分使用鉸接，為了避免銷釘剛性撓度，約束銷釘繞自身軸轉(zhuǎn)動(dòng)。其中鋁合金腕臂結(jié)構(gòu)中無(wú)定位管支撐，通過(guò)吊線將定位管與平腕臂上的承力索座連接起來(lái)，圖1中藍(lán)色虛線為吊線位置。在有限元模型中將吊線簡(jiǎn)化為L(zhǎng)ink連接，見(jiàn)圖1中藍(lán)色圈出部分，使得兩連接部分通過(guò)約束獲得相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

本文的加載模式分為兩種，參照OCS-3[13]技術(shù)條件要求，使用非工作支最大工作載荷對(duì)模型加載，校驗(yàn)腕臂(包括平腕臂、斜腕臂和腕臂支撐)以及定位管的撓度水平，具體數(shù)值為在承力索座處施加水平載荷(Fh1)4 000 N，豎直載荷(Fv1)4 000 N；在定位器線夾位置施加水平載荷(Fh2)4 500 N；并按非工作支最大工作載荷的1.5倍對(duì)模型加載，校驗(yàn)腕臂的應(yīng)力水平。

部件名稱材料彈性模量/MPa泊松比密度/(kg·m-3)水平、整體鋼腕臂的斜腕臂/平腕臂/定位管20號(hào)鋼2.05×1050.37 800水平鋼腕臂的定位支座Q235A鋼2.07×1050.37 850鋁合金腕臂的斜腕臂/平腕臂/定位管水平、拉桿式和鋁合金腕臂的定位器6082鋁合金7×1040.32 750拉桿式腕臂的斜腕臂/平腕臂/定位管Q3452.06×1050.287 850整體式腕臂的定位器A5052TD-H7×1040.352 750

2.2 水平鋼腕臂

計(jì)算得到的水平鋼腕臂應(yīng)力和撓度結(jié)果如圖2所示。從圖2(a)可以看出，該腕臂結(jié)構(gòu)中水平腕臂應(yīng)力比斜腕臂大，且腕臂支撐處應(yīng)力較小，腕臂支撐可以適當(dāng)減輕主要連接位置的應(yīng)力集中情況，應(yīng)力最大值在定位器鉤、定位支座環(huán)接觸位置處的定位支座上，其值為155.5 MPa。該應(yīng)力值小于其使用的Q235A鋼材的許用應(yīng)力156.7 MPa，滿足文獻(xiàn)[14]要求。

圖2(b)為水平鋼腕臂結(jié)構(gòu)在施加載荷后的撓度云圖，可見(jiàn)最大撓度出現(xiàn)在定位器上，這是因?yàn)樵趯?shí)際工作時(shí)，定位器與接觸線拉力平衡，定位器受兩側(cè)拉力作用，導(dǎo)致最大撓度出現(xiàn)在其中部。根據(jù)OCS-3[13]技術(shù)條件要求規(guī)定，在最大工作荷重條件下，鋼腕臂或定位管的撓度不大于0.7%L，分析結(jié)果表明構(gòu)件中最大撓度值出現(xiàn)在斜腕臂上，經(jīng)計(jì)算滿足文獻(xiàn)[14]要求(定位器撓度并未在技術(shù)要求考察范圍內(nèi)，因此本文僅對(duì)腕臂、定位管和定位管支撐進(jìn)行了校核，圖中所示為校核部件中出現(xiàn)的最大撓度值，并未包括定位器上的撓度值。以下其他3種腕臂結(jié)構(gòu)撓度校核分析與此處遵循相同原則)。

(a)應(yīng)力分布

(b)撓度分布圖2 水平鋼腕臂應(yīng)力分布和撓度結(jié)果

2.3 鋁合金腕臂

計(jì)算得到的鋁合金腕臂應(yīng)力和撓度結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知，在1.5倍最大工作載荷作用下，其應(yīng)力分布情況及應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置與水平鋼腕臂結(jié)構(gòu)類似，最大值在定位器鉤、定位支座環(huán)接觸位置處的定位器鉤上，其值為166 MPa，該值低于定位器使用的鋁合金的許用應(yīng)力值175.3 MPa，強(qiáng)度符合文獻(xiàn)[14]要求。

圖3(b)為鋁合金腕臂結(jié)構(gòu)在施加載荷后的撓度分布情況，最大撓度出現(xiàn)在定位器與接觸線接觸位置。根據(jù)OCS-3[13]技術(shù)條件要求，在最大工作荷重條件下，鋁合金腕臂和定位管撓度不大于1.0%L。分析結(jié)果表明構(gòu)件中最大撓度值出現(xiàn)在定位管上，經(jīng)計(jì)算滿足文獻(xiàn)[14]要求。

(a)應(yīng)力分布

(b)撓度分布圖3 鋁合金腕臂應(yīng)力分布和撓度結(jié)果

2.4 拉桿式腕臂

計(jì)算得到的拉桿式腕臂應(yīng)力和撓度情況如圖4所示。由圖4(a)可知，水平拉桿應(yīng)力比斜腕臂小，受力以斜腕臂為主。腕臂支撐處應(yīng)力較小，支撐可以適當(dāng)減小。應(yīng)力主要分布于腕臂結(jié)構(gòu)的連接處，最大值在定位管與定位器調(diào)節(jié)柱連接位置處的定位管上，其值為191.6 MPa。這是因?yàn)槎ㄎ黄髡{(diào)節(jié)柱較長(zhǎng)，與定位管連接位置承受大彎矩，所以此處應(yīng)力水平較高。但該值遠(yuǎn)低于調(diào)節(jié)支柱所使用的Q345鋼的許用應(yīng)力230 MPa[14]。

圖4(b)為拉桿式腕臂結(jié)構(gòu)在施加載荷后的撓度分布情況，最大撓度出現(xiàn)在定位器管上，由于定位器兩端受拉力，且定位調(diào)節(jié)柱屬于懸臂梁，撓度加到定位管上，導(dǎo)致定位器管與接觸線接觸處撓度最大。根據(jù)OCS-3[13]技術(shù)條件要求，在最大工作荷重條件下，鋼腕臂、定位管和定位管支撐的撓度不大于0.7%L。分析結(jié)果表明構(gòu)件中最大撓度值出現(xiàn)在定位管上，經(jīng)計(jì)算滿足文獻(xiàn)[14]要求。

(a)應(yīng)力分布

(b)撓度分布圖4 拉桿式腕臂應(yīng)力分布和撓度結(jié)果

2.5 整體式腕臂

計(jì)算得到的整體式腕臂應(yīng)力和撓度分布情況如圖5所示。從圖5(a)可知該結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力在斜腕臂雙耳與平腕臂連接位置，其值為127.7 MPa，數(shù)值遠(yuǎn)低于其材料20號(hào)鋼的許用應(yīng)力183.33 MPa[14]。由于結(jié)構(gòu)高度較小且連接件較少，整體鋼腕臂應(yīng)力水平稍小于其他腕臂結(jié)構(gòu)。

(a)應(yīng)力分布

(b)撓度分布圖5 整體式腕臂應(yīng)力分布和撓度結(jié)果

圖5(b)為整體式腕臂結(jié)構(gòu)在施加載荷后的撓度分布情況，最大變形位置在定位器管中間處。根據(jù)OCS-3[13]技術(shù)條件要求，在最大工作荷重條件下，鋼腕臂及其定位管的撓度不大于0.7% L。分析結(jié)果表明構(gòu)件中最大撓度值出現(xiàn)在定位管上，經(jīng)計(jì)算滿足文獻(xiàn)[14]要求。

3 腕臂和定位裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)原則

基于對(duì)上述現(xiàn)有腕臂結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)分析，結(jié)合我國(guó)不斷提高的接觸網(wǎng)要求，對(duì)新型腕臂和定位裝置的優(yōu)化方案提出以下設(shè)計(jì)原則：

(1)腕臂結(jié)構(gòu)應(yīng)安全穩(wěn)定可靠，局部和整體變形均滿足規(guī)定要求。

(2)腕臂結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，視覺(jué)效果好，集成零部件的結(jié)構(gòu)和功能，減少零部件數(shù)量。

(3)腕臂結(jié)構(gòu)應(yīng)便于現(xiàn)場(chǎng)施工安裝，既要有下料、組裝、調(diào)整的靈活性，又要有較高的安裝精度。

(4)定位裝置在輕量化的前提下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有較好的靜態(tài)和耐疲勞性能。

(5)定位器與受電弓外形及動(dòng)態(tài)包絡(luò)線應(yīng)具有良好的匹配性，有較大的抬升空間，保證空間安全距離。

(6)定位器與定位支座應(yīng)連接可靠，盡量增大連接接觸面積，減少相互磨損，提高電氣連接性能。

(7)腕臂和定位裝置本體應(yīng)采用通用型材，連接件優(yōu)先采用型材制造，采用穩(wěn)定可靠的模鍛、沖壓等工藝。

(8)腕臂和定位裝置應(yīng)具有較好環(huán)境適應(yīng)性，提高防腐性能，連接件應(yīng)具有較好的防松性能，減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量。

3.2 方案設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

在設(shè)計(jì)原則的指導(dǎo)下，吸納現(xiàn)有腕臂和定位裝置的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種新型腕臂和定位裝置，其主要特點(diǎn)如下：

(1)集成承力索座與套管座、定位環(huán)與支撐卡子的功能結(jié)構(gòu)，采用組合式零件。

(2)腕臂支撐、定位管支撐采用實(shí)心型材代替管材+單耳結(jié)構(gòu)，減少零件數(shù)量。

(3)承力索座、定位環(huán)、定位底座等連接件采用少螺栓、安裝便捷、帶獨(dú)立雙耳的鉸鏈?zhǔn)奖Ч拷Y(jié)構(gòu)，大幅度減少螺紋連接數(shù)量。

(4)鋁合金連接件用鍛造工藝代替鑄造，避免鑄造缺陷，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

(5)定位器采用與受電弓包絡(luò)線匹配性好、空間安全裕度大的弓形結(jié)構(gòu)，與定位底座連接采用非限位、銷軸鉸接方式，定位線夾雙夾板配套T型定位銷釘，電氣導(dǎo)通和耐磨性好。

上述新型腕臂和定位裝置正定位結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示，反定位結(jié)構(gòu)示意圖如圖6(b)所示。

(a)正定位結(jié)構(gòu)

(b)反定位結(jié)構(gòu)圖6 新型腕臂和定位裝置方案結(jié)構(gòu)示意圖

新型腕臂結(jié)構(gòu)與常用腕臂結(jié)構(gòu)零件數(shù)量、螺紋副數(shù)量、緊固力矩種類對(duì)比見(jiàn)表2。從表2可以看出，新型腕臂支撐及定位裝置通過(guò)采用鉸鏈抱箍連接和相近功能組合方案，大幅度提高了零部件的一體化程度和集成度，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔合理，防松、耐磨，可靠性大幅度提高。與鋁合金腕臂裝置相比每套裝置零部件數(shù)量由23件減少為14件，減少了39%；螺紋副數(shù)量由原裝置的30套減少為13套，減少了57%；螺紋副緊固力矩種類由6種減少為3種，減少了50%。同樣與拉桿式和整體式腕臂相比，連接件數(shù)量均不同程度減少。可以看出新型腕臂結(jié)構(gòu)有效降低了施工安裝和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的工作量。

表2 零件、螺紋副數(shù)量、緊固力矩種類對(duì)比

3.3 靜力校核

同樣對(duì)新型腕臂和定位裝置結(jié)構(gòu)建立三維模型，建模時(shí)均依據(jù)真實(shí)情況簡(jiǎn)化了連接部位，螺栓變?yōu)殇N釘，不考慮螺栓預(yù)緊力，將定位鉤、環(huán)連接處變?yōu)殂q接。利用有限元軟件對(duì)建立好的模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，網(wǎng)格劃分采用C3D8R單元。有限元模型中固定連接部分均使用Tie連接，在絕緣子螺栓孔處施加三向撓度約束，定位器與定位器支座之間使用面-面接觸方式，為了避免銷釘剛性撓度，約束銷釘繞自身軸轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣按非工作支最大載荷對(duì)模型加載，具體數(shù)值與計(jì)算驗(yàn)證現(xiàn)有典型腕臂結(jié)構(gòu)時(shí)加載數(shù)值相同(參照OCS-3[13]技術(shù)條件要求)。

圖7所示為計(jì)算得到的新型腕臂應(yīng)力分布情況，可以看到應(yīng)力整體分布均勻，正定位時(shí)最大應(yīng)力為114 MPa，反定位最大應(yīng)力為145 MPa，均位于定位管上，小于6082(T6)鋁合金的許用應(yīng)力167 MPa；同樣對(duì)撓度分布情況進(jìn)行了校核，正定位時(shí)最大撓度為5.3 mm，位于斜腕臂上，反定位時(shí)最大撓度18 mm，位于定位管上，均不大于1.0%L。因此新型腕臂結(jié)構(gòu)方案的整體強(qiáng)度和剛度均滿足要求。

(a)正定位

(b)反定位圖7 新型腕臂和定位裝置方案應(yīng)力分布校核結(jié)果

4 結(jié)論

本文對(duì)4種腕臂和定位裝置的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、連接件等以及結(jié)構(gòu)靜力學(xué)特性進(jìn)行分析，根據(jù)腕臂和定位裝置的功能需求和現(xiàn)狀中存在問(wèn)題的分析，設(shè)計(jì)了一種新型腕臂和定位裝置的結(jié)構(gòu)。通過(guò)計(jì)算與分析，得到如下結(jié)論：

(1)各典型腕臂結(jié)構(gòu)均能滿足鐵路標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的應(yīng)力和撓度要求；3種鋼腕臂結(jié)構(gòu)撓度相近，鋁合金腕臂撓度稍大；腕臂支撐處應(yīng)力較??；平腕臂結(jié)構(gòu)中水平腕臂應(yīng)力較斜腕臂大，拉桿腕臂結(jié)構(gòu)中水平拉桿應(yīng)力較斜腕臂小；應(yīng)力在連接件處較大。

(2)新型腕臂和定位裝置的結(jié)構(gòu)方案采用集約化的組合式連接件，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔、合理，并具有較高的防松、耐磨和可靠性，弓網(wǎng)匹配好，安全裕度大，電氣導(dǎo)通和耐磨性好。新型接觸網(wǎng)裝置不僅內(nèi)在質(zhì)量和外觀品質(zhì)有所提升，其服役性能和使用壽命同樣有較大提升。利用有限元靜態(tài)分析方法對(duì)所提出的新型腕臂和定位裝置的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

本文僅對(duì)現(xiàn)有高速鐵路典型腕臂結(jié)構(gòu)和所提出新型腕臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)特性分析，不足以全面說(shuō)明腕臂結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。筆者正在研究基于工作載荷譜的新型腕臂結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性分析，以豐富腕臂結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的理論基礎(chǔ)，并在未來(lái)提出基于靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真綜合分析的接觸網(wǎng)系統(tǒng)腕臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。