劉茂盛

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

0 引言

動(dòng)車組受電弓在夏季炎熱狀態(tài)及冬季結(jié)冰狀態(tài)會(huì)偶發(fā)無(wú)法升起故障。夏季炎熱情況下，當(dāng)弓體表面存在污物或其他雜質(zhì)時(shí)，橡膠堆與弓體接觸面會(huì)產(chǎn)生一定的黏滯力，該黏滯力產(chǎn)生阻尼力，導(dǎo)致受電弓無(wú)法升弓。冬季結(jié)冰情況下，受電弓弓體隨著積冰不斷增加，弓體自身重力逐漸增大，導(dǎo)致受電弓無(wú)法升弓。受電弓能夠升起的一個(gè)必要條件是其初始升弓力大于其落弓保持力，線導(dǎo)板作為受電弓的一個(gè)傳動(dòng)部件，與鋼絲繩共同將來(lái)自受電弓氣囊的動(dòng)力轉(zhuǎn)換為升弓力，因此理論上可以通過(guò)改變線導(dǎo)板作用力臂大小來(lái)達(dá)到增加升弓初始力大小的目的。

本文通過(guò)分析受電弓升弓機(jī)構(gòu)計(jì)算模型和線導(dǎo)板算法，針對(duì)DSA250受電弓設(shè)計(jì)了幾種調(diào)整現(xiàn)有線導(dǎo)板力臂的方案，通過(guò)試驗(yàn)研究線導(dǎo)板與初始升弓力的關(guān)系。

1 DSA250 受電弓升弓原理

圖1 DSA250 受電弓結(jié)構(gòu)

圖2 升弓機(jī)構(gòu)

DSA250 受電弓結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要部件包括底架組成、阻尼器、氣囊、下臂組裝、弓裝配、下導(dǎo)桿、上臂組裝、平衡桿、弓頭懸掛、碳滑板及絕緣子。受電弓升弓機(jī)構(gòu)如圖2所示，主要部件包括氣囊、線導(dǎo)板、桁架及鋼絲繩，鋼絲繩纏繞在桁架及下臂上。受電弓初始升弓時(shí)，一定氣壓的壓縮空氣進(jìn)入氣囊后，氣囊由自由狀態(tài)開(kāi)始伸展，產(chǎn)生推力通過(guò)線導(dǎo)板力臂的調(diào)整使得鋼絲繩產(chǎn)生足夠的拉力，推動(dòng)桁架帶動(dòng)下臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，下臂將力通過(guò)四聯(lián)桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)上臂和弓頭上升，受電弓正常升弓[1-2]。

DSA250受電弓在靜態(tài)接觸力滿足標(biāo)準(zhǔn)要求70 ±10 N 情況下的最小升弓風(fēng)壓為0.32 MPa左右，受電弓的升弓初始力是指在升弓初始高度時(shí)對(duì)應(yīng)的上升靜態(tài)接觸力值，在靜態(tài)接觸力曲線圖可以直接讀出；在0.32 MPa風(fēng)壓下測(cè)得的初始升弓力為25 N。

2 DSA250 受電弓升弓機(jī)構(gòu)計(jì)算模型及線導(dǎo)板算法

初始升弓力可以在一定程度上等效于升弓轉(zhuǎn)矩，升弓轉(zhuǎn)矩需要使用虛位移原理來(lái)進(jìn)行等效計(jì)算。虛位移的物理意義為：作用于系統(tǒng)的主動(dòng)力在系統(tǒng)平衡位置的任何虛位移中所做功的總和等于0[3]。

受電弓升弓轉(zhuǎn)矩是匹配初始升弓力和力臂參數(shù)的主要依據(jù)。升弓轉(zhuǎn)矩跟隨升弓角度的變化而變化，實(shí)際的升弓轉(zhuǎn)矩是由氣囊產(chǎn)生的推力提供，升弓轉(zhuǎn)矩與力臂密不可分。力臂的設(shè)計(jì)是通過(guò)調(diào)整線導(dǎo)板實(shí)現(xiàn)的，因此，升弓轉(zhuǎn)矩與調(diào)整線導(dǎo)板聯(lián)系在一起。

DSA250受電弓升弓機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，需要進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，以便得出其計(jì)算模型。鋼絲繩具有一定的重量和直徑，但是實(shí)際中受到的拉力遠(yuǎn)大于其自身重量，因此重量可忽略。假設(shè)鋼絲繩的拉力集中在鋼絲繩的橫截面中心且鋼絲繩的柔性足夠好，在計(jì)算中可將其簡(jiǎn)化為一條柔性線。等效計(jì)算時(shí)的輪廓線為鋼絲繩中心線。氣囊通過(guò)桁架進(jìn)行固定，可以保證氣囊在伸縮時(shí)，延直線運(yùn)動(dòng)，因此，升弓機(jī)構(gòu)整體可認(rèn)為只有延軸線運(yùn)動(dòng)的自由度。

DSA250受電弓升弓機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型如圖3 所示[4-6]。其中，點(diǎn)A為下臂組裝與底架組成間的連接點(diǎn)，AB為下臂組裝，點(diǎn)C為升弓機(jī)構(gòu)與底架組成的連接點(diǎn)，DE之間代表氣囊，F(xiàn)為桁架上鋼絲繩的固定點(diǎn)；CDEF四點(diǎn)共線。

圖3 升弓機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

圖4 升弓機(jī)構(gòu)初始升弓狀態(tài)簡(jiǎn)化的受力分析圖

在初始升弓狀態(tài)下，升弓機(jī)構(gòu)的軸線與鋼絲繩之間存在夾角，簡(jiǎn)化的受力分析如圖4 所示[7-8]。其中P為線導(dǎo)板與鋼絲繩的切點(diǎn)，Q為升弓機(jī)構(gòu)重心，β 為升弓機(jī)構(gòu)軸線與鋼絲繩之間的夾角。

升弓機(jī)構(gòu)受力平衡時(shí)的計(jì)算公式如下：

式中：M1為升弓機(jī)構(gòu)重力；M2為鋼絲繩拉力；l1為鋼絲繩拉力的力臂；l2為升弓機(jī)構(gòu)重力力臂。

工作狀態(tài)下，升弓機(jī)構(gòu)重力對(duì)比鋼絲繩拉力約等于0，通過(guò)分析可得β極小，可忽略不計(jì)，鋼絲繩可認(rèn)為與升弓機(jī)構(gòu)共線。圖4可簡(jiǎn)化為如圖5所示。

圖5 受電弓平衡狀態(tài)簡(jiǎn)化示意圖

圖6 受電弓落弓位時(shí)鋼絲繩作用力臂示意圖

受電弓升弓轉(zhuǎn)矩為：

式中：M1為鋼絲繩拉力；L1為點(diǎn)A到直線CF的距離，L1等同于線導(dǎo)板有效作用力臂Ly。

因此可得：

受電弓的初始升弓力矩取決于鋼絲繩的拉力（氣壓大小）與線導(dǎo)板有效作用力臂。

理論上可以通過(guò)改變線導(dǎo)板有效作用力臂大小來(lái)達(dá)到增加初始升弓力大小的目的，前提是工作高度范圍內(nèi)的靜態(tài)接觸力還保持不變，所以圖6 中陰影部分線導(dǎo)板輪廓不變，改變的是從落弓位鋼絲繩與線導(dǎo)板作用點(diǎn)與最小工作高度區(qū)間鋼絲繩與線導(dǎo)板作用點(diǎn)區(qū)間的輪廓。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

驗(yàn)證的基本條件為在DSA250 受電弓氣囊中充入0.32 MPa的壓縮空氣，通過(guò)改變線導(dǎo)板的有效作用力臂觀察初始升弓力的變化情況。

（1）方案1

保持DSA250 受電弓線導(dǎo)板輪廓不變，將線導(dǎo)板初始接觸力臂沿線導(dǎo)板長(zhǎng)度方向加長(zhǎng)10 mm（圖7（a）陰影部位），測(cè)試此時(shí)受電弓初始升弓力為32 N，相對(duì)線導(dǎo)板原始狀態(tài)下25 N增加7 N。

圖7 DSA250 既有線導(dǎo)板加長(zhǎng)10 mm

選擇便于調(diào)節(jié)的CED160 氣囊式受電弓線導(dǎo)板加裝于DSA250受電弓上，在該線導(dǎo)板水平方向加長(zhǎng)130 mm，保持與DSA250受電弓線導(dǎo)板在下臂轉(zhuǎn)軸中心位置距離線導(dǎo)板初始作用點(diǎn)水平長(zhǎng)度相當(dāng)。為便于調(diào)試線導(dǎo)板，將加長(zhǎng)版CED160受電弓線導(dǎo)板鋼絲繩接觸部位每隔40 mm 間距加工螺紋孔并插入螺栓，如圖8 所示，以便通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓長(zhǎng)度改變線導(dǎo)板的有效作用力臂。通過(guò)不斷向下調(diào)節(jié)編號(hào)為1 的螺栓，如圖9所示，使得受電弓的初始升功力達(dá)到25 N。

圖8 加裝5 顆螺栓的CED160受電弓線導(dǎo)板

圖9 調(diào)節(jié)編號(hào)為1 的螺栓

（2）方案2

將編號(hào)為1的螺栓在既有基礎(chǔ)上再向下頂出45 mm，改變線導(dǎo)板的有效作用力臂，此時(shí)測(cè)得受電弓初始升弓力為35 N。

（3）方案3

在方案2的基礎(chǔ)上將編號(hào)為2 的螺栓長(zhǎng)度頂出48 mm，此時(shí)受電弓初始升弓力增加為65 N。

（4）方案4

在方案3的基礎(chǔ)上依次嘗試頂出編號(hào)為3、4 和5 的螺栓長(zhǎng)度48 mm，測(cè)得受電弓初始升弓力均為65 N，不再增加。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)改變落弓位鋼絲繩與線導(dǎo)板作用點(diǎn)與最小工作高度區(qū)間鋼絲繩與線導(dǎo)板作用點(diǎn)區(qū)間輪廓，可有效調(diào)整線導(dǎo)板有效作用力臂，增加受電弓初始升弓力；

（2）試驗(yàn)驗(yàn)證了DSA250 受電弓升弓機(jī)構(gòu)計(jì)算模型及線導(dǎo)板算法的正確性，提出了增加受電弓初始升弓力的有效方法；

（3）研究過(guò)程中試驗(yàn)測(cè)得的靜態(tài)接觸力曲線卻無(wú)法滿足70 ±10 N的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，需開(kāi)展進(jìn)一步研究工作。