新型城軌受電弓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析

薛浩飛,李明剛,何 超,陳 奎,袁 力

(中車青島四方車輛研究所有限公司 重慶研發(fā)中心,重慶 401133)

受電弓是安裝于軌道列車車頂?shù)囊环N從接觸網(wǎng)上集取列車運(yùn)行所需電能的專門裝置,是軌道列車牽引和輔助設(shè)備等安全穩(wěn)定運(yùn)行的最重要高壓集電設(shè)備[1-3],其可靠性與穩(wěn)定性是軌道列車持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的最關(guān)鍵影響因素之一。受電弓受流性能主要受其運(yùn)動(dòng)學(xué)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、弓網(wǎng)耦合動(dòng)力學(xué)性能以及空氣動(dòng)力學(xué)性能等的影響[4]。目前我國地鐵列車受電弓多為國外同類型產(chǎn)品引進(jìn),通常在高網(wǎng)狀態(tài)下具有較優(yōu)的工作性能,而在我國實(shí)際地鐵線路架設(shè)情況中常以較低升弓高度運(yùn)行,故對(duì)受電弓的動(dòng)力學(xué)性能以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等有著更嚴(yán)格的要求。

本文以國內(nèi)某軌道裝備廠商自主研發(fā)的某型號(hào)受電弓為研究對(duì)象,對(duì)其結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了分析;基于有限元方法,依靠有限元軟件,對(duì)其固有特性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及橫向剛度等進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)[5-8];基于Goodman疲勞極限圖對(duì)受電弓的結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)[9];總結(jié)了受電弓弓體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分布特點(diǎn),確定了其危險(xiǎn)部位以及高設(shè)計(jì)余量區(qū)域,為后續(xù)同類型受電弓的強(qiáng)度優(yōu)化以及輕量化設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 受電弓結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

本文研究的受電弓為單臂雙滑板式受電弓,該型受電弓主要由底架、下臂桿、上臂桿、拉桿、平衡桿、弓頭、ADD控制箱、控制箱以及升弓氣囊組件等組成(圖1)。通過縱置氣囊的充排氣伸縮為下臂桿提供升弓轉(zhuǎn)矩,從而帶動(dòng)弓體雙四連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)(圖2),以實(shí)現(xiàn)受電弓升弓和降弓動(dòng)作。同時(shí)通過精密調(diào)壓閥以及輔助供風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)置,使得氣囊氣壓一直在某一恒定小范圍內(nèi)波動(dòng),從而使得弓頭滑板與接觸網(wǎng)接觸力一直保持恒定。

圖1 受電弓結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 受電弓運(yùn)動(dòng)桿系簡(jiǎn)化示意圖

2 受電弓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

2.1 有限元建模

對(duì)受電弓結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析,同時(shí)對(duì)已建立的三維受電弓模型中不必要構(gòu)件以及特征進(jìn)行簡(jiǎn)化,然后運(yùn)用有限元軟件對(duì)簡(jiǎn)化后受電弓三維模型進(jìn)行離散建模處理。該型受電弓主要桿系構(gòu)件多采用管材或薄壁型材,故而離散單元多以四邊形殼單元為主,采用殼單元與體單元相混合的方式進(jìn)行有限元網(wǎng)格離散處理,形成受電弓有限元模型。然后對(duì)有限元模型賦予材料特性(主要材料力學(xué)性能見表1)以及施加載荷及約束邊界條件,建立受電弓有限元模型如圖3所示。

圖3 受電弓有限元模型

2.2 工況選取

在列車運(yùn)行過程中,受電弓主要載荷有弓網(wǎng)接觸力及空氣阻力,對(duì)其工作特性進(jìn)行分析,得出5種典型工作高度,分別為最低工作高度(400 mm)、常用工作高度(剛性接觸網(wǎng)800 mm,柔性接觸網(wǎng)1 200 mm)、75%工作高度(2 045 mm)、最高工作高度(2 700 mm)。結(jié)合GB/T 21561—2018《軌道交通 機(jī)車車輛受電弓特性和試驗(yàn)》中關(guān)于地鐵車輛受電弓相關(guān)規(guī)定,得出該型受電弓靜強(qiáng)度及橫向剛度計(jì)算工況如表2所示。

表2 受電弓靜強(qiáng)度及橫向剛度計(jì)算工況

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)受電弓各工況下有限元模型進(jìn)行仿真求解,得到最低工作高度下,上臂桿拉桿支座焊接處(全熔焊透)出現(xiàn)最大應(yīng)力291.8 MPa,存在一定危險(xiǎn)隱患,安全系數(shù)約為1.2,其余各強(qiáng)度工況下受電弓各部件應(yīng)力分布均小于其材料屈服強(qiáng)度,同時(shí)在300 N橫向載荷作用下,發(fā)生最大橫向位移為18.19 mm,低于GB/T 21561.2—2018《軌道交通 機(jī)車車輛 受電弓特性和試驗(yàn) 第2部分:地鐵和輕軌車輛受電弓》中規(guī)定的30 mm。綜上其結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度及橫向剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

通過分析可得,該型受電弓應(yīng)力分布隨升弓高度的變化呈一定規(guī)律性變化。在其工作范圍內(nèi),工作高度越低,其應(yīng)力越大,在高網(wǎng)工作狀態(tài)下有較優(yōu)的應(yīng)力分布,而在其低網(wǎng)時(shí)應(yīng)力分布則較差。城軌車輛運(yùn)行線路多為隧道線路,因此接觸網(wǎng)為剛性接觸網(wǎng)占比較大,柔性接觸網(wǎng)占比較小,故而地鐵車輛受電弓多處于低高度差應(yīng)力分布狀態(tài)下運(yùn)行,后續(xù)可對(duì)受電弓小尺寸化進(jìn)行研究,使其在常用工作高度下保持較優(yōu)應(yīng)力分布。同時(shí)從各工況應(yīng)力云圖的分析可知,上臂桿拉桿支座焊接處均出現(xiàn)較大的應(yīng)力分布,在后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)該部分進(jìn)行加強(qiáng),同時(shí)下臂桿具有較大的設(shè)計(jì)強(qiáng)度余量,在后續(xù)研究中可對(duì)該區(qū)域進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),從而有效減少受電弓桿系質(zhì)量,也可提升受電弓耦合動(dòng)力學(xué)性能。

3 受電弓結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

依據(jù)GB/T 21561.2—2018標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于受電弓模態(tài)計(jì)算的相關(guān)規(guī)定,選擇本文研究的受電弓75%工作高度(2 045 mm)作為研究高度,并對(duì)其結(jié)構(gòu)模態(tài)進(jìn)行仿真提取,通過仿真求解得出低階模態(tài)頻率及相應(yīng)振型如圖4所示[10]。從圖4中可知,第一階與第二階模態(tài)振型為弓頭上框架橫向扭轉(zhuǎn);第三階模態(tài)振型為弓頭及上框架繞垂向扭轉(zhuǎn);第四階模態(tài)振型為弓頭及框架繞橫向扭轉(zhuǎn);第五階模態(tài)振型為弓頭及上框架繞側(cè)向扭轉(zhuǎn)。

圖4 低階模態(tài)頻率及振型

4 疲勞強(qiáng)度評(píng)價(jià)

在城軌車輛運(yùn)行過程中受電弓主要受力為弓網(wǎng)耦合接觸力和空氣阻力,其受力為多軸應(yīng)力狀態(tài)。本文通過修正Goodman-Smith疲勞極限圖,對(duì)受電弓上臂桿組件、下臂桿組件以及底架組件的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

4.1 Goodman疲勞極限圖評(píng)價(jià)流程

Goodman疲勞曲線的表現(xiàn)形式有Haigh圖和Smith圖2種,其中Smith疲勞極限圖較其他疲勞極限圖具有形式簡(jiǎn)單,信息包含豐富,能直觀顯示疲勞極限的最大值和最小值,同時(shí)能清晰反映出疲勞極限應(yīng)力和平均應(yīng)力與應(yīng)力幅值關(guān)系等優(yōu)點(diǎn)。故而選用Goodman-Smith疲勞極限圖作為評(píng)價(jià)依據(jù),其評(píng)價(jià)流程如下:首先依據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)應(yīng)的材料屈服極限、強(qiáng)度極限以及疲勞極限繪制Goodman-Smith疲勞極限圖[6];然后遵循優(yōu)先選取原則選擇評(píng)價(jià)對(duì)象應(yīng)力變化較大、位移較大的點(diǎn)(極易發(fā)生疲勞損傷破壞的危險(xiǎn)點(diǎn))作為評(píng)估點(diǎn);其次通過靜強(qiáng)度分析結(jié)果,確定評(píng)估點(diǎn)在各工況下的等效應(yīng)力的最大值和最小值,從而確定其平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值;最后將平均應(yīng)力及最大應(yīng)力、最小應(yīng)力在評(píng)價(jià)曲線中描點(diǎn)。若所有點(diǎn)均落在Goodman-Smith疲勞極限圖內(nèi),則證明其滿足疲勞強(qiáng)度要求。

4.2 疲勞強(qiáng)度仿真分析

依據(jù)地鐵車輛受電弓疲勞載荷工況(表3),對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算。對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析并得出各部件評(píng)價(jià)點(diǎn)的等效應(yīng)力的最大值、最小值,同時(shí)在Goodman-Smith圖中進(jìn)行描點(diǎn),得到上臂桿、下臂桿以及底架評(píng)價(jià)點(diǎn)的Goodman-Smith疲勞評(píng)價(jià)圖,如圖5～圖7所示。同時(shí)選取評(píng)價(jià)點(diǎn)的最小安全系數(shù)如表4所示。

表3 疲勞載荷仿真計(jì)算工況

表4 各部件疲勞安全系數(shù)最小的節(jié)點(diǎn)

圖5 上臂桿評(píng)估點(diǎn)疲勞評(píng)價(jià)

圖6 下臂桿評(píng)估點(diǎn)疲勞評(píng)價(jià)

圖7 底架評(píng)估點(diǎn)疲勞評(píng)價(jià)

由圖5～圖7可知,所選擇的評(píng)價(jià)點(diǎn)的最大應(yīng)力及最小應(yīng)力均落在Goodman疲勞評(píng)價(jià)圖的封閉區(qū)間內(nèi),說明該受電弓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足其疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

5 總結(jié)

本文以某型城軌車輛受電弓為研究對(duì)象,對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析,并采用有限元仿真方法,通過有限元軟件對(duì)其進(jìn)行離散處理,完成了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、橫向剛度以及結(jié)構(gòu)動(dòng)特性的仿真分析,基于Goodman疲勞極限圖對(duì)其結(jié)構(gòu)疲勞性能進(jìn)行了評(píng)價(jià),得出以下結(jié)論:

(1) 各工作高度下受電弓的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求,各部件的最大應(yīng)力均小于對(duì)應(yīng)材料的屈服極限,其應(yīng)力分布隨著工作高度趨于線性特性,工作高度越低,其應(yīng)力分布越差。后續(xù)受電弓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其常用工作高度為高工位狀態(tài),可較大程度改善受電弓在使用過程中的應(yīng)力水平;

(2) 該型受電弓前五階模態(tài)均為10 Hz以內(nèi)低頻

模態(tài),其第一階與第二次模態(tài)振型為弓頭上框架橫向扭轉(zhuǎn),第三階模態(tài)振型為弓頭及上框架繞垂向扭轉(zhuǎn),第四階模態(tài)振型為弓頭及框架繞橫向扭轉(zhuǎn),第五階模態(tài)振型為弓頭及上框架繞側(cè)向扭轉(zhuǎn);

(3) 受電弓上臂桿、下臂桿以及底架的評(píng)價(jià)點(diǎn)在Goodman-Smith疲勞極限圖的描點(diǎn)均落在封閉區(qū)域內(nèi),其結(jié)構(gòu)疲勞特性滿足設(shè)計(jì)要求。但其中底架氣囊座處疲勞安全系數(shù)較低,在后續(xù)設(shè)計(jì)過程中可進(jìn)行加強(qiáng),在運(yùn)行過程中應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。