基金項目：廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“城軌列車齒輪傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性及其影響因素分析”（編號：2023KY1433）

作者簡介：翟朝凱（1996—），主要從事機車車輛制造與維護(hù)技術(shù)研究工作。

摘要：受電弓作為我國電氣化鐵路的主要受載部件，其工況穩(wěn)定性直接關(guān)系到列車的安全運行，在日常檢修中，發(fā)現(xiàn)碳滑板極易出現(xiàn)裂紋、掉塊、破損等情況，其主要影響因素有弓網(wǎng)滑動摩擦損失大、接觸壓力不穩(wěn)定、風(fēng)阻變化等。文章通過對TSG15B型受電弓建模，將裂紋以時變剛度函數(shù)的形式引入模型，探究了列車在120 km/h的時速下，碳滑板裂紋故障對受電弓造成的動力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明：碳滑板裂紋對于受電弓產(chǎn)生的周期性沖擊信號以及速度沖擊特性的影響較為明顯，在周期性沖擊信號影響下，裂紋缺陷會對機車受電弓主要部件造成周期性的低幅高頻振動。

關(guān)鍵詞：受電弓；裂紋故障；振動；動力學(xué)；TSG15B型

中圖分類號：U264.3⁺4

0 引言

受電弓作為我國電氣化鐵路的主要車載受流設(shè)備，可將接觸網(wǎng)上的25 kV單相工頻交流電導(dǎo)入機車，從而為機車主輔電路供電。電力機車的受電弓結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其工作方式為通過受電弓碳滑板與接觸網(wǎng)復(fù)合滑動摩擦接觸進(jìn)行受電，在長期復(fù)雜工況的運行過程中常會出現(xiàn)碳滑板異常磨耗、機械結(jié)構(gòu)裂紋、電氣腐蝕、軟管漏風(fēng)等故障狀況，情況較輕時，可在日常檢修作業(yè)中及時發(fā)現(xiàn)并通過更換碳滑板、軟管等方法解決。但情況較為嚴(yán)重時，例如在運行途中出現(xiàn)刮弓、拉弧等故障，會造成列車的緊急降弓、停車，進(jìn)而造成不必要的安全及經(jīng)濟損失。

本文通過搭建TSG15B型受電弓模型試驗平臺，根據(jù)實際故障情況構(gòu)建出合理的受電弓故障模型，研究機車在正常運行時速下，常見的裂紋故障特性對于受電弓的動力學(xué)特性響應(yīng)。

1 TSG15B型受電弓建模

TSG15B型受電弓設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，易于維修，目前主要應(yīng)用于我國HXD1系列機車。其主要結(jié)構(gòu)有弓頭、上框架、下臂桿、拉桿、底架、升弓動力裝置等。弓頭與上框架通過鉸鏈連接，上框架與下臂桿、導(dǎo)桿通過鉸鏈連接組成四連桿機構(gòu)。需要升弓時，通過按下司機室升弓按鈕，使得升弓電磁閥得電，壓縮空氣通過氣路進(jìn)入氣囊裝置，氣囊膨脹通過鋼絲繩帶動四連桿機構(gòu)上升，使得受電弓碳滑板與接觸網(wǎng)接觸。如圖1所示。

TSG15B型受電弓的最大工作高度為2 250 mm，弓網(wǎng)的靜態(tài)接觸壓力為70±10 N，總重110 kg。其中底架為方鋼焊接，組成鉸鏈機構(gòu)中的下臂桿材料為無縫鋼管，上框架為鋁合金，弓頭主要有石墨磨損件以及鋁托架組成。本文通過SolidWorks軟件對受電弓進(jìn)行建模，圖2為建模圖，表1為TSG15B型受電弓主要參數(shù)表。

2 受電弓動態(tài)特性仿真

碳滑板作為受電弓受流系統(tǒng)的重要組成部分，與接觸網(wǎng)通過滑動摩擦直接接觸，將接觸網(wǎng)的25 kV單相工頻交流電導(dǎo)入機車，所以弓網(wǎng)之間的可靠接觸是列車安全穩(wěn)定的重要因素。由于碳滑板與接觸網(wǎng)的接觸方式屬于動態(tài)接觸，碳滑板的工作狀況與接觸壓力直接相關(guān)，接觸力的大小主要通過升弓氣囊壓力控制，還受到列車在高速運行時的空氣阻力、軌道不平順力等。當(dāng)弓網(wǎng)的接觸壓力不均勻時，很容易造成碳滑板的損傷，為了降低由于磨損造成的碳滑板損傷破裂，將接觸網(wǎng)線設(shè)置為“之”字形，可以使碳滑板的磨耗大幅降低。

據(jù)鐵路相關(guān)單位的檢修數(shù)據(jù)統(tǒng)計，有超過48%的受電弓在運行過程中出現(xiàn)過裂紋故障，在動車組受電弓的故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計中，這一比例甚至＞50%。其主要原因為受電弓工況運行環(huán)境復(fù)雜多變，常因為受到接觸網(wǎng)壓力的動態(tài)變化、軌道不平順因素，以及外部環(huán)境變化等情況，造成受電弓碳滑板產(chǎn)生偏磨、掉塊、裂紋等，此類故障對于機車的安全行駛造成了較大的影響，其中裂紋缺陷較為常見。

通過分析研究機車的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳滑板出現(xiàn)裂紋故障時，裂紋區(qū)域的接觸剛度會發(fā)生明顯的變化。要探究裂紋產(chǎn)生的時變剛度特性對于弓網(wǎng)接觸關(guān)系的動態(tài)響應(yīng)，需考慮建立碳滑板裂紋狀態(tài)下造成時變接觸剛度的弓網(wǎng)耦合動力學(xué)模型，再通過動力學(xué)模型相關(guān)的計算求解方法，求出受電弓在列車正常運行時速下，裂紋碳滑板的時變剛度特性對于弓網(wǎng)振動的動力學(xué)行為。如圖3、圖4所示。在計算之前，需求得TSG15B型受電弓模型各個部件的剛度以及阻尼參數(shù)。

將建立的TSG15B型受電弓三維實體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)實際情況設(shè)置材料密度屬性、彈性模量等，如表2所示。本文采用Solidworks三維軟件建立受電弓模型，并通過應(yīng)力分析模塊求解其剛度、阻尼等參數(shù)。如圖5～10及下頁表3所示。

3 受電弓碳滑板裂紋故障分析

3.1 裂紋故障下的弓網(wǎng)模型數(shù)值求解

為了探究碳滑板裂紋處與接觸網(wǎng)的時變接觸特性，將裂紋以時變剛度函數(shù)的形式引入數(shù)學(xué)模型中，可以通過函數(shù)關(guān)系式的形式表示裂紋與接觸網(wǎng)接觸狀況。建立質(zhì)量塊模型，省略次要部分，將受電弓的主要部件簡化為等效彈性質(zhì)量塊，在建立動力學(xué)模型時，僅考慮弓網(wǎng)接觸在豎直方向的振動位移。將受電弓的弓頭、上框架、下臂桿分別簡化為三個等效的質(zhì)量塊，如圖11所示。

受電弓弓頭由于存在裂紋缺陷，由模型可以看出其屬于非瑞利阻尼模型，質(zhì)量矩陣與剛度矩陣不具有正交性，并且由于接觸網(wǎng)與碳滑板為“之”字形的運行方式，接觸網(wǎng)與裂紋可以采用分段線性的方式將碳滑板裂紋模型分為接觸區(qū)域與非接觸區(qū)域，其周期性接觸區(qū)域可以通過一個時變間隙函數(shù)進(jìn)行描述。

因為裂紋與接觸網(wǎng)發(fā)生周期性接觸，在模型中表現(xiàn)為時變剛度K₂，與質(zhì)量塊M₁發(fā)生時變接觸，由牛頓第二定律可表示出系統(tǒng)的矩陣表達(dá)式：

接觸網(wǎng)與碳滑板裂紋是否發(fā)生接觸的判定條件為：

式中：k′₂（x₂-x₃+D₁+D₂）——接觸網(wǎng)與碳滑板裂紋接觸時的接觸剛度。

矩陣表達(dá)式（1）中的P（t）可表示為：

3.2 裂紋故障下的弓網(wǎng)接觸系統(tǒng)Simulink仿真

通過Simulink軟件對受電弓的弓頭、上框架、下臂桿進(jìn)行仿真分析，裂紋深度設(shè)為1 mm，選取步長為h=2π÷ω÷100，設(shè)定機車速度為120 km/h，選取裂紋激勵頻率ω為0.36，振幅為0.12。圖12～17為弓頭、上框架、下臂桿的位移及速度時間歷程圖。

由圖12～17可知，當(dāng)機車以120 km/h的速度運行時，碳滑板裂紋對于受電弓產(chǎn)生的周期性沖擊信號較為明顯，裂紋缺陷會對機車受電弓主要部件造成周期性的低幅高頻振動，振動幅度約為0.2 mm。受電弓弓頭振幅與上框架振幅都在13.8～14 mm，基本保持同步，下臂桿振幅位移略微滯后，在14.5～14.7 mm。

通過弓頭、上框架、以及下臂桿的速度時間歷程圖可以看出，機車在運行過程中，碳滑板裂紋缺陷對于受電弓的速度沖擊特性較為明顯，振動的頻率以及振幅明顯增高，弓頭的振動幅度在10 mm左右，上框架的振動幅度在5～6 mm左右，下臂桿的振動幅度在2 mm的范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

本文以TSG15B型受電弓為例，建立了以弓頭、上框架、下臂桿為主的彈性質(zhì)量塊模型，通過軟件建模并進(jìn)行應(yīng)力分析得到了弓頭、上框架、下臂桿的剛度以及阻尼，并通過牛頓力學(xué)定律建立了受電弓在弓網(wǎng)接觸狀態(tài)下的力學(xué)方程，通過龍格-庫塔法對方程進(jìn)行數(shù)值求解。同時，通過Simulink仿真軟件分別對受電弓各個部件的位移速度進(jìn)行數(shù)值分析，得到了受電弓弓頭、上框架、下臂桿的速度、位移時間歷程圖。通過對圖像進(jìn)行對比分析，可以得到列車在工況速度運行過程中受電弓在裂紋故障狀態(tài)下各個部件的幅頻響應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]石邦羽.DSA250受電弓弓網(wǎng)動態(tài)行為研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2021.

[2]趙光偉.高速受電弓結(jié)構(gòu)特性仿真分析[D].大連：大連交通大學(xué)，2017.

[3]范怡哲.軌道交通受電弓三維建模與故障分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2018.

[4]張 煜.含受電弓裂紋的地鐵弓網(wǎng)動靜態(tài)特性仿真研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2019.

[5]王江文.受電弓非線性動力學(xué)建模方法及應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2016.

[6]孫 智.受電弓/接觸網(wǎng)參數(shù)的動力學(xué)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2017.