栗木功，王永超，張永波

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

武廣高鐵動車組受電弓裂紋故障分析及改進措施

栗木功，王永超，張永波

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

針對武廣高鐵動車組雙滑板受電弓發(fā)生的上臂頂管裂紋故障，分析正線運營工況，拆解故障受電弓研究其設(shè)計結(jié)構(gòu)，通過改進焊接方式，采用新工藝，大大降低了焊接處的應(yīng)力值，經(jīng)仿真分析和靜應(yīng)力試驗驗證方案可行。

武廣高鐵；動車組；受電弓；上框架頂管；裂紋故障

1 故障概述

受電弓是動車組的唯一受流部件，是動車組將接觸網(wǎng)電能平穩(wěn)引入到車輛高壓系統(tǒng)，為整列動車組牽引和輔助設(shè)備提供持續(xù)動力的重要高壓設(shè)備[1]。武廣高鐵動車組所用的雙滑板受電弓，專為高速動車組設(shè)計，可以滿足時速350km的高標(biāo)準(zhǔn)要求，整體運營效果良好。但經(jīng)過幾年的動態(tài)運營后，部分受電弓發(fā)生了上臂頂管裂紋故障。通過對發(fā)生故障的受電弓進行拆解檢查發(fā)現(xiàn)：（1）從裂紋發(fā)生的位置來看，呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，裂紋均是在同一位置和方向，均在平衡桿一側(cè)（見圖1）。（2）將受電弓上框架拆解后，發(fā)現(xiàn)存在上臂頂管壁厚不均勻現(xiàn)象，部分區(qū)域壁厚2.7mm，有的僅2.0mm。

上臂頂管是連接受電弓弓頭與框架部分的重要部件，承載著受電弓弓頭與接觸網(wǎng)的沖擊振動。如果發(fā)生裂紋，將給整個弓體的運行安全性帶來很大隱患。

2 原因分析

動車組運行過程中，受電弓會受到弓網(wǎng)不良關(guān)系的沖擊，同時動車組受運行速度、輪軌關(guān)系等因素影響產(chǎn)生的振動也會對受電弓造成沖擊。頻繁的碰撞和沖擊會令受電弓框架在焊接部位等薄弱點出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，縮短其使用壽命。同時，上框架焊接部位焊接質(zhì)量也是影響框架開裂的重要因素[2-4]。通過拆解故障受電弓，并對受電弓運營工況進行詳細分析，總結(jié)造成上框架頂管發(fā)生裂紋故障的可能原因。

圖1 裂紋位置

（1）出現(xiàn)應(yīng)力點且頻繁受力所致。故障受電弓在武廣高鐵運營，因線路情況非常復(fù)雜，隧道多，共237座，全長178.858km，占線路長度的18.5%。動車組運行時需要反復(fù)完成進出隧道動作，弓頭在大導(dǎo)流板作用下會有瞬間垂直作用力，而此時上拉桿反應(yīng)會相應(yīng)滯后，從而導(dǎo)致在上框架頂管處出現(xiàn)一個應(yīng)力點。在動車組正常運營過程中，該部位由于頻繁受力，超過其疲勞壽命，最終導(dǎo)致在應(yīng)力集中點發(fā)生平衡桿上框架頂管裂紋故障。

（2）焊接變形所致。焊接熱變形導(dǎo)致上框架頂管端面不規(guī)則變形，焊后上框架頂管向肘接方向收縮（圖2中A處紅色箭頭方向），同時頂管端面向焊縫區(qū)域收縮（圖2中B處紅色箭頭方向）。并且上臂頂管是整體焊接，變形后導(dǎo)致受力不均，增加頂管裂紋的概率。

3 優(yōu)化方案制定

針對故障制定2個優(yōu)化解決方案，并通過仿真分析及地面靜態(tài)載荷試驗比較方案的優(yōu)劣。

優(yōu)化方案一：增加上框架頂管內(nèi)壁厚度，提高加工余量0.3mm，改善焊接變形導(dǎo)致后期鏜孔偏差，同時頂管采用冷拉工藝的鋁合金頂管，以提高應(yīng)力的傳導(dǎo)，從而避免應(yīng)力積聚。

優(yōu)化方案二：對上框架頂管端部采用焊接接頭形式（見圖3），接頭采用鋁合金鍛造塊進行數(shù)控機床加工，保證壁厚的均勻性，同時采用冷拉工藝的鋁合金頂管，取消頂管端部焊縫，消除焊接變形。采用加粗加厚的端部頂管可以有效分散應(yīng)力，便于應(yīng)力傳導(dǎo)到上框架處。

4 仿真分析

為驗證方案的可行性，對原型受電弓、優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二進行靜強度仿真分析，對其在相同載荷下的應(yīng)力進行對比。原型受電弓上框架與優(yōu)化方案一結(jié)構(gòu)外形相同。優(yōu)化方案二僅上框架組焊結(jié)構(gòu)有變化，其與襯套、弓角組焊組裝方式和原型方案及優(yōu)化方案一相同。

4.1 載荷工況

考慮武廣高鐵受電弓工作高度約為900mm，本模型設(shè)置受電弓單邊垂向力300N，頂管水平載荷300N，原方案、優(yōu)化方案一、優(yōu)化方案二仿真計算輸入條件見圖4。

4.2 分析結(jié)論

圖2 焊接變形示意圖

圖3 優(yōu)化方案二

原方案、優(yōu)化方案一、優(yōu)化方案二上框架頂管等效應(yīng)力分析結(jié)果見圖5。原方案上框架頂管最大應(yīng)力為56.760MPa，頂管邊緣的最大應(yīng)力約為49.267MPa；優(yōu)化方案一上框架頂管最大應(yīng)力為49.303MPa；優(yōu)化方案二上框架頂管最大應(yīng)力為42.107MPa，位于上框架階梯管上，上框架頂管及接頭最大應(yīng)力為18.167MPa。

對比可知，優(yōu)化方案一與優(yōu)化方案二的頂管兩端應(yīng)力值均相對于原方案有所降低，優(yōu)化方案二應(yīng)力值降低最多，效果較明顯。

5 地面靜應(yīng)力試驗

在模擬工況下對原型受電弓、優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二進行地面靜態(tài)載荷試驗，通過測定的應(yīng)力數(shù)值分布情況，為確定最終優(yōu)化方案提供依據(jù)。

5.1 測試方法

圖4 模型仿真計算輸入條件

根據(jù)線路運行工況及受電弓強度理論分析結(jié)果，在故障點及關(guān)鍵測點貼片（見圖6），通過測得的多組應(yīng)力數(shù)據(jù)，對各方案的強度性能進行評估[5]。試驗?zāi)M工況為3種：

工況一：升弓900mm，垂向載荷100N、200N、300N、400N、500N；

工況二：升弓900mm，橫向載荷100N、200N、300N、400N、500N；

工況三：升弓—降弓過程，垂向載荷100N、200N、300N、400N、500N。

5.2 測試結(jié)論

部分測試點應(yīng)力對比見圖7。

圖5 上框架頂管等效應(yīng)力云圖

圖6 受電弓應(yīng)力測試貼片示意圖

圖7 部分測試點應(yīng)力對比

原型受電弓、優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二測試結(jié)果顯示，優(yōu)化方案二的受電弓在3種工況下均表現(xiàn)出較低的應(yīng)力水平，表明優(yōu)化方案二能有效降低上框架頂管端部的應(yīng)力水平。

6 結(jié)束語

武廣高鐵交路繁忙，線路惡劣復(fù)雜，對動車組和受電弓的穩(wěn)定性和安全性要求非常高。自雙滑板受電弓上臂頂管發(fā)生裂紋故障以來，通過分析受電弓的運營工況，拆解故障受電弓進行設(shè)計結(jié)構(gòu)剖析，查找出故障原因。后改進焊接工藝，采用新結(jié)構(gòu)彌補原方案的缺陷。通過仿真分析和對樣弓進行地面靜應(yīng)力測試，確定最優(yōu)方案可行，并提交鐵路行業(yè)專家評審，得到了專家肯定。下一步計劃將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的受電弓裝車動態(tài)測試，通過與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)對比動應(yīng)力測試結(jié)果，進一步驗證優(yōu)化方案的有效性。該方案的研究和制定對其他焊接相關(guān)部件結(jié)構(gòu)改進有借鑒意義。

[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)對策[J]．中國鐵路，2015(2)：38-41．

[2]陳剛，林杰．動車組受電弓故障分析及改進[J]．中國鐵路，2013(5)：94-96．

[3]龍木勇．廣州地鐵三號線受電弓上框架裂紋原因分析及處理措施[J]．機電工程技術(shù)，2012，41(7)：197-200．

[4]孫云嵩，董江東，曹秀峰．關(guān)于高速受電弓弓頭某管件靜強度及管壁裂紋故障分析[J]．湖南農(nóng)機，2014(5)：80-81．

[5]謝力．基于圖像處理的受電弓狀態(tài)檢測技術(shù)研究[D]．成都：西南交通大學(xué)，2009．

責(zé)任編輯高紅義

Analysis on Pantograph Cracks of Wuhan-Guangzhou High Speed EMU and Countermeasures

Li Mugong，Wang Yongchao，Zhang Yongbo
（CRRC Tangshan Co Ltd，Tangshan Hebei 063035，China）

Targeting on the cracks on the top pipe of the upper arm of dual-strip pantograph for Wuhan-Guangzhou high speed EMU, the paper analyzes the operation conditions of the main line and reviews the design structure of the faulted pantograph after dismantlement. By improving welding method and adopting new technology, the stress value of the welding point is dramatically decreased. The feasibility of this plan is validated by simulation analysis and static stress test.

Wuhan-Guangzhou high speed railway；EMU；pantograph；top pipe of upper arm；cracks

U264.3+4

A

1001-683X（2017）05-0028-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.05.028

2016-12-20

栗木功（1975—），男，高級工程師。

王永超（1981—），男，工程師，碩士。

E-mail：wyc465789@163.com