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        受電弓等效參數(shù)識別及結(jié)構(gòu)強度研究

        2020-11-11 10:25:32王俊勇辜晨亮
        鐵道機車車輛 2020年5期
        關(guān)鍵詞:弓頭上臂電弓

        賈 榮,王俊勇,辜晨亮

        (1 北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司,北京 100176;2 西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院,成都 610031)

        受電弓是位于電力機車和動車組車頂?shù)氖芰餮b置,是網(wǎng)線將電能傳輸?shù)杰囕v的唯一途徑。機車車輛的正常運行離不開受電弓的穩(wěn)定受流,受電弓的穩(wěn)定受流主要取決于受電弓的動態(tài)性能和自身結(jié)構(gòu)強度,而且受電弓等效參數(shù)是反映受電弓動態(tài)性能的重要參數(shù)[1],等效參數(shù)的識別可以為弓網(wǎng)動力學(xué)研究提供基礎(chǔ)。

        考慮受電弓上導(dǎo)桿和弓頭的運動,建立受電弓機構(gòu)的平面運動數(shù)學(xué)模型,對受電弓框架歸算質(zhì)量、等效阻尼和弓頭等效剛度進行計算。基于相關(guān)弓網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),對受電弓結(jié)構(gòu)靜強度進行分析,并計算分析受電弓焊縫疲勞強度,為今后受電弓結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

        1 受電弓力學(xué)模型

        DSA200型受電弓為氣囊式受電弓,主要結(jié)構(gòu)見圖1。該型受電弓工作原理為:在升弓時,氣囊通過鋼絲繩產(chǎn)生升弓力矩,使得下臂繞長軸轉(zhuǎn)動,通過下臂、下導(dǎo)桿、上臂和上導(dǎo)桿組成的連桿機構(gòu)將下臂轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為弓頭垂向運動;在降弓時,氣囊排氣,受電弓依靠部件自身重力下降到落弓位。

        受電弓的力學(xué)模型主要包括:多剛體模型、歸算質(zhì)量模型、剛?cè)峄旌夏P秃腿崮P蚚2];由于歸算質(zhì)量模型具有較高的計算效率和計算精度,所以這類模型使用最廣泛。

        以2質(zhì)量模型作為DSA受電弓的力學(xué)模型,如圖2所示,m1、k1、c1分別為弓頭的歸算質(zhì)量、等效剛度和等效阻尼;m2、k2、c2分別為框架的歸算質(zhì)量、等效剛度和等效阻尼。一般來說,弓頭歸算質(zhì)量m1為弓頭自重,弓頭等效阻尼c1趨近于0;受電弓靜態(tài)接觸力為定值的特性使得框架等效剛度k2的理論值為0,由于關(guān)節(jié)摩擦力和氣囊的存在,經(jīng)驗值一般取70 N/m。所以,只需要計算出k1、m2和c2的值就能得到DSA2000受電弓2質(zhì)量模型的等效參數(shù)。

        1-底架; 2-阻尼器; 3-氣囊; 4-下臂;5-弓頭緩沖器; 6-下導(dǎo)桿; 7-上臂;8-上導(dǎo)桿; 9-弓頭; 10-碳滑板。圖1 DSA200受電弓

        圖2 受電弓2質(zhì)量模型

        2 受電弓等效參數(shù)識別

        2.1 桿件運動方程

        考慮上導(dǎo)桿、弓頭和阻尼器的運動,將各部件視為桿件,得到受電弓平面運動模型。如圖3所示,AD、BC、CE、FG、EF和HI代表下臂、下導(dǎo)桿、上臂、上導(dǎo)桿、弓頭和阻尼器;Q1~Q5分別代表各主要部件質(zhì)心;α、β、γ、λ、μ分別表示下臂、下導(dǎo)桿、上臂、上導(dǎo)桿和弓頭與水平線之間的夾角。

        以下臂轉(zhuǎn)角α為自變量,由受電弓各桿件位置關(guān)系可得B、D的距離為:

        (1)

        根據(jù)余弦定理求得∠CBD、∠ABD、∠BCD和∠AD,下導(dǎo)桿轉(zhuǎn)角β與上臂轉(zhuǎn)角γ分別為:

        β=π-∠CBD-∠ABD-ε

        (2)

        γ=∠CBD+∠BCD-∠ADB-α-δ

        (3)

        圖3 受電弓平面運動模型

        E、G兩點的坐標(biāo)分別為:

        (4)

        (5)

        上導(dǎo)桿轉(zhuǎn)角λ為:

        (6)

        弓頭轉(zhuǎn)角μ為:

        (7)

        受電弓工作高度H為:

        H=YE+540

        (8)

        令A(yù)H連線與x軸負方向的夾角為θ,根據(jù)余弦定理,可得阻尼器長度S為:

        2lAHlAIcos(∠BAI-θ-α)

        (9)

        根據(jù)DSA200各部件參數(shù),可以得到在升弓過程中各主要部件角度以及阻尼器長度與下臂轉(zhuǎn)角的關(guān)系,如圖4、圖5所示。根據(jù)計算結(jié)果可知,在升弓過程中,只有下導(dǎo)桿轉(zhuǎn)角β和阻尼器長度S與下臂轉(zhuǎn)角α與較好的線性關(guān)系,而上臂、上導(dǎo)桿、弓頭的轉(zhuǎn)角γ、λ、μ與下臂轉(zhuǎn)角α為非線性關(guān)系。

        圖4 主要部件轉(zhuǎn)角與下臂轉(zhuǎn)角的關(guān)系

        圖5 阻尼器長度與下臂轉(zhuǎn)角的關(guān)系

        2.2 框架等效參數(shù)計算

        (10)

        (11)

        (12)

        (13)

        同理可得:

        (14)

        (15)

        根據(jù)文獻[3]對受電弓各部件動能T的推導(dǎo)和動能能等效原理,可得框架歸算質(zhì)量為:

        (16)

        根據(jù)阻尼器耗散能等效原則,可得框架等效阻尼為:

        (17)

        DSA200工作高度在1~3 m范圍內(nèi),結(jié)合式(1)~式(17)以及各部件結(jié)構(gòu)參數(shù),可以得到受電弓在不同工況下,框架歸算質(zhì)量、框架等效阻尼的值,如圖6和圖7所示。從計算結(jié)果可得,框架歸算質(zhì)量與工作高度為正相關(guān),在1~3 m的工作高度范圍內(nèi),框架歸算質(zhì)量的值在9.5~13.9 kg范圍內(nèi)??蚣艿刃ё枘嵩?~2.4 m范圍內(nèi)與工作高度正相關(guān),在2.4~3 m范圍內(nèi)與工作高度負相關(guān)。

        圖6 受電弓框架歸算質(zhì)量

        圖7 受電弓框架等效阻尼

        根據(jù)式(10)~式(16),還可以得出各個部件對框架歸算質(zhì)量的影響,如圖8所示。上、下導(dǎo)桿在框架歸算質(zhì)量中的占比很小,而上臂、下臂和弓頭支撐對框架歸算質(zhì)量的貢獻較大,所以在今后受電弓參數(shù)優(yōu)化中,應(yīng)該把 弓頭支撐、上臂和下臂作為主要對象。

        圖8 各部件對框架歸算質(zhì)量的影響

        2.3 弓頭等效剛度計算

        DSA200弓頭彈簧兩端分別與弓頭支撐和鋁支架鉸接,鋁支架通過螺栓連接支撐碳滑板。根據(jù)弓頭結(jié)構(gòu)建立弓頭等效剛度計算模型,見圖9,其中l(wèi)AB、lCD表示彈簧長度,lBC表示鋁支架,θ表示彈簧與水平方向的夾角。

        圖9 弓頭彈簧計算模型

        設(shè)彈簧原長為l0,彈簧剛度為k0,由于弓頭限位結(jié)構(gòu)的存在,使得鋁支架在z方向的運動范圍為[24,89],相對應(yīng)的碳滑板的垂向位移范圍為0~65 mm。以BC與AD的距離為自變量,根據(jù)幾何關(guān)系可得:

        (18)

        彈簧對鋁支架的作用力在z向的分量Fz為:

        Fz=2k0(lAB-l0)sinθ

        (19)

        DSA200弓頭為4根彈簧的對稱結(jié)構(gòu),等效剛度keq為:

        (20)

        聯(lián)立式(18)~式(20)可得,弓頭等效剛度取決于鋁支架的垂向位置,如圖10所示。弓頭等效剛度呈非線性,其大小隨鋁支架在z向位移的增加而增加,在鋁支架垂向有效活動范圍內(nèi),弓頭等效剛度的值在4 019~8 981 N/m之間。

        圖10 DSA200弓頭等效剛度

        結(jié)合2.1~2.3節(jié)的計算分析結(jié)果,得到工作高度1.9 m時,DSA200受電弓2質(zhì)量模型的等效參數(shù),見表1。

        表1 DSA200等效參數(shù)

        3 結(jié)構(gòu)強度計算分析

        根據(jù)相關(guān)弓網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),利用有限元軟件,對DSA200受電弓的靜強度和疲勞強度進行校核。

        3.1 有限元模型及邊界條件

        利用Hypermesh將受電弓三維模型離散為包含184 692個節(jié)點和216 768個單元的有限元模型,并賦予主要部件相應(yīng)的材料屬性,底架和下臂材料分別為碳鋼和不銹鋼,上臂和弓頭支架為鋁合金,受電弓3個底架安裝座添加固定約束,如圖11所示。

        圖11 DSA200有限元模型

        表2 靜強度計算載荷工況 N

        受電弓運行時,主要承受空氣阻力和弓網(wǎng)接觸力的共同作用,根據(jù)TB/T 3271-2011[4]和EN 50367[5],并結(jié)合DSA200運行方向、弓網(wǎng)接觸力作用點的位置和空氣阻力與受電弓迎風(fēng)面積的關(guān)系,得到DSA200受電弓的靜強度載荷工況和疲勞載荷工況,分別見表3和表4。

        表3 疲勞強度計算載荷工況 N

        3.2 靜強度結(jié)果分析

        采用ANSYS對受電弓結(jié)構(gòu)靜強度進行計算,受電弓在各工況下的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖。見圖12~圖13基于第四強度理論計算主要部件的安全系數(shù),結(jié)果表明:所有部件的安全系數(shù)均大于1,改性受電弓結(jié)構(gòu)靜強度滿足要求;其中,閉口工況各部件的安全系數(shù)基本都小于開口工況,說明受電弓閉口運行時更為安全。

        圖12 開口工況應(yīng)力云圖

        圖13 閉口工況應(yīng)力云圖

        表4 靜強度結(jié)果

        3.3 焊縫疲勞強度分析

        DSA200框架結(jié)構(gòu)主要采用管材、型材和板材的焊接結(jié)構(gòu),而受電弓運行中處于多軸應(yīng)力狀態(tài),需要將多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力,并結(jié)合相應(yīng)的疲勞曲線來進行疲勞評價。采用將多軸應(yīng)力轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力的方法[6]和材料的Goodman疲勞曲線來評價結(jié)構(gòu)的疲勞強度。

        根據(jù)上述方法將焊縫節(jié)點的最大和最小應(yīng)力在Goodman圖上描點,得到受電弓上臂、下臂和底架焊縫的疲勞評價結(jié)果。如圖14~圖16所示,所有點均落在Goodman曲線的封閉區(qū)域內(nèi),上臂、下臂和底架所有焊縫節(jié)點的安全系數(shù)均大于1,說明該受電弓結(jié)構(gòu)疲勞強度滿足要求,且碳鋼底架和不銹鋼下臂的疲勞強度安全系數(shù)較大。

        圖14 上臂焊縫疲勞評價

        圖15 下臂焊縫疲勞評價

        圖16 底架焊縫疲勞評價

        4 結(jié) 論

        (1)通過的受電弓平面運動模型和等效參數(shù)的計算方法,完成了DSA200受電弓2質(zhì)量模型等效參數(shù)的識別,該方法具有一定的通用性,可為后續(xù)弓網(wǎng)動態(tài)特性研究提供基礎(chǔ)。

        (2)受電弓框架歸算質(zhì)量和等效阻尼隨受電弓座高度的變化而變化,兩者取值范圍分別為9.5~13.9 kg和12.0~27.5 N·m·s-1,且上臂弓頭支撐和下臂對框架歸算質(zhì)量的貢獻最大;而弓頭等效剛度取決于鋁支架和弓頭支撐之間的垂向位移,其值在4 019~8 981 N·m-1之間。

        (3)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)得到受電弓靜強度載荷工況和疲勞載荷工況,在靜載荷作用下,受電弓主要部件的最大應(yīng)力小于材料屈服強度,安全系數(shù)的最小值為2.1,受電弓結(jié)構(gòu)靜強度滿足要求。

        (4)在疲勞載荷作用下,各焊縫節(jié)點應(yīng)力結(jié)果均落在Goodman封閉曲線內(nèi),安全系數(shù)均大于1,DSA200受電弓疲勞強度滿足要求,且上臂疲勞強度具有較大的安全裕量。

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