侯獻軍　余立軒　阮　杰

(現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1)　武漢　430070)(汽車零部件技術湖北省協同創(chuàng)新中心2)　武漢　430070)

?

磁浮軌道交通車輛某型受流器有限元分析及靴軌壓力測試*

侯獻軍1,2)余立軒1,2)阮杰1,2)

(現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室1)武漢430070)(汽車零部件技術湖北省協同創(chuàng)新中心2)武漢430070)

磁浮軌道車輛受流器的靴軌接觸壓力實時檢測，與其在靴軌接觸時承受隨機振幅載荷的疲勞耐久性能，直接影響到磁浮車輛動力系統(tǒng)工作的安全性能與可靠性.采用有限元分析方法進行受流器靜力學分析，并指導靴軌接觸壓力檢測方案設計，應用疲勞分析模塊進行隨機振幅疲勞分析，通過試驗驗證結論正確性.靜力學應變分析表明，應變片粘貼處應變值數量級小于電阻應變片靈敏度，該方案難以準確測量靴軌接觸力.靜力學應力分析表明，力傳感器位置處應力對于靴軌接觸壓力變化響應非常明顯，力傳感器測量方案更具有可行性.疲勞分析指出，滑靴支架下方螺栓齒形墊圈處、上擺臂與下擺臂軸連接螺栓墊圈處、上擺臂與連接桿軸連接銷釘處為不同工況下的疲勞危險部位，同時得出結論，受流器在隨機振幅載荷條件下較易疲勞失效，少量的結構高應力循環(huán)就能引起較大的疲勞破壞.試驗表明，力傳感器方案結果準確合理，與仿真結論一致.

磁浮軌道交通；受流器；靴軌接觸壓力；疲勞分析

0　引　　言

磁懸浮列車系統(tǒng)在速度、舒適度、安全度，以及環(huán)保等各方面都明顯優(yōu)于輪軌列車系統(tǒng)，被譽為21世紀理想的交通工具，是城市軌道交通系統(tǒng)的一個有益補充[1-2].

受流器作為磁浮列車供電系統(tǒng)的重要輔助裝備，在整個磁浮軌道交通系統(tǒng)中扮演著重要的角色[3].受流器通過與供電軌接觸將電能引到磁浮列車上，保證磁浮列車動力系統(tǒng)的正常運作.因此受流器的性能將直接影響磁浮列車運行的安全性、可靠性.目前對于受流器的研究主要集中于研究受流器與供電軌的接觸和振動關系，以及它們的材質對受流質量的影響.王振云等[4]建立受流器與供電軌接觸匹配特性模型，對不同控制方式的滑靴運動接觸特性進行了研究.Vera等[5]對剛性接觸網受流系統(tǒng)進行了動力學分析，運用有限元軟件ANSYS和多體動力學仿真軟件SIMPACK優(yōu)化了一種供電軌結構，并進行了實驗.Stewart等[6]研究了受流器與供電軌的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)接觸特性，對接觸力、扭轉彈簧的轉矩和滑靴的振動位移等數據進行分析，得出影響受流器振動的主要因素.然而，對于受流器靴軌壓力檢測方法，以及受流器的疲勞耐久性能缺乏研究.

文中使用Ansysworkbench軟件，建立受流器有限元靜力學模型和疲勞耐久性能模型，以受流器不同工況為約束條件進行有限元靜力學分析，應用分析結果指導受流器接觸壓力檢測方案的設計，同時在靜力學分析的基礎上研究受流器在隨機振幅載荷下的疲勞耐久性能.

1　受流器/供電軌接觸壓力檢測的必要性

受流器工作的穩(wěn)定可靠性主要取決于車輛能否正?？煽康貜墓╇娷壣先×鳎×鞯年P鍵是受流器滑靴與供電軌之間是否存在合適的接觸壓力.靴軌之間接觸壓力過大或過小都不利于受流器可靠運行.接觸壓力過大將造成供電軌上不銹鋼層與滑靴的磨損過大，尤其是滑靴的磨損更大；壓力過小，將會產生離線，引起電弧對供電軌和滑靴的燒蝕，也會加大損壞.目前靴軌接觸壓力無法直接測量，而且沒有定量分析方法和專用靴軌測試方案及測試設備，因此需要設計專有靴軌接觸壓力檢測方案.文中針對某型號受流器開展研究，其三維模型，見圖1.

圖1　某型號受流器三維模型

2　受流器有限元分析

2.1模型的建立

由于在后續(xù)靴軌壓力檢測試驗中受流器將采用2種不同的結構方案，因此需分別建立受流器方案一與方案二的三維幾何模型.其中方案一模型包括滑靴、滑靴底座、滑靴支座、上擺臂、下擺臂、連接桿、支撐座、抬升彈簧.方案二模型與方案一的區(qū)別為單滑靴支座支撐改為鋁板與滑靴支座用切邊螺栓連接的方式.將幾何模型分別導入Ansysworkbench中，設置各個零件材料屬性.對于該模型定義2種材料，材料屬性見表1.

表1　材料屬性

劃分網格策略為對整個結構起非主導作用和非重點關注部位采用一般網格尺寸劃分，對上擺臂、下擺臂、各個軸、螺栓等重點關注零件進行局部網格尺寸加密控制，對倒圓、曲面之間曲率較大連接處進行局部網格細化處理.劃分好網格的方案一及方案二有限元模型見圖2.

圖2　劃分網格后的方案一與方案二有限元模型

2.2施加邊界條件與載荷

對受流器底座端面施加固定約束，約束其三維空間中平移及轉動共6個自由度.由于在Ansysworkbench 的疲勞分析模塊中，對于成比例載荷情況下接觸區(qū)域只能包含綁定和不分離的線性接觸，其他類型的接觸可能會導致計算結果不收斂，因此根據模型真實接觸情況，以及后續(xù)疲勞分析，接觸區(qū)域設置為綁定接觸.對于所有軸連接和螺栓連接設置為轉動連接關系.抬升彈簧處用彈簧約束代替，設置彈性系數，以及彈簧預緊力.

受流器在列車運行時有2個運動極限位置，大多數情況下介于2個極限位置之間工作.為充分、全面反映受流器在工作時應力應變以及后續(xù)分析疲勞耐久性能，根據受流器實際工作情況，設立3種不同工況及其相對應載荷條件：工況1為伸展極限工況，施加垂直與靴頭表面向下130 N的作用力；工況2為中間位置正常工作情況下的工況，在上述同樣位置與方向施加150 N作用力；工況3為壓縮極限工況，在上述同樣位置與方向施加180 N作用力.

2.3靜力學應力分析

針對上述3種工況，分別進行靜力學仿真分析，獲得不同工況下的受流器應力分布.受流器的鋁合金結構件呈現明顯的脆性材料特性，因此采用最大主應力作為強度校核的評價指標.方案一與方案二在各個工況下的應力云圖見圖3～圖4.

圖3　方案一應力云圖

圖4　方案二應力云圖

根據應力云圖可以看到，方案一在3種工況下最大應力均位于滑靴支座底面靠近支撐座方向齒形墊圈內側，其最大應力值分別為19.844，24.431，31.311 MPa；方案二在工況1與工況2下最大應力位于上擺臂內側墊圈處，工況3下位于上擺臂與連接桿軸連接的銷釘下方，其最大應力值分別為15.674，18.155，22.413 MPa.以上最大應力值均遠小于鋁合金許用應力[τ]=124 MPa，因此2種方案強度均符合要求.同時對比2種方案可知在同樣工況下方案二主應力值更小.

考查對比方案二有限元模型中鋁板與滑靴支座間壓力傳感器所在位置中間固定點處應力值，見表2.

表2　壓力傳感器處應力值

由表2可知，接觸壓力從工況1到工況2、工況2到工況3增幅依次為15%,20%，而固定點應力值相應增幅依次為69%,26%，可見力傳感器所在位置處應力對于靴軌壓力變化響應非常明顯，預計實測時采用方案二力傳感器方案能很好地測出鋁板與滑靴支座傳遞作用力，即能間接測得靴軌接觸壓力的微小變化.

2.4靜力學應變分析

在方案一有限元模型的基礎上進行全局應變分析，查看分析結果，對于滑靴支座側面應變片粘貼處中間固定點處應變值進行重點考查對比.在靴軌壓力依次為130，150和180 N的情況下，相應該點應變值依次為7.83×10-7,9.002×10-7，11.688×10-7，說明受流器材料剛度相對較大，靴軌壓力變化對此處應變量造成影響非常小.而電阻應變片測量靈敏度為(1～2)×10-6，數量級為10-6，大于此處應變量變化的數量級，很難準確測量出如此微小的應變量變化.由此可以判斷應用方案一難以準確有效地測出靴軌壓力值.

2.5隨機振幅載荷疲勞耐久分析

Ansysworkbench的疲勞分析模塊Fatigue Tool是基于線性靜力學分析模塊進行仿真計算的，通過設置應力的變化幅度模擬載荷作用過程，靜力學分析得到的結構應力結果是疲勞耐久分析的基礎.受流器在工作中與供電軌接觸，靴頭的實際位置隨列車運動不斷變化，因此受到隨機不等幅的載荷.加載在模型上的隨機幅載荷譜見圖5.該載荷譜為在磁浮列車一個工作周期中所取得的靴頭振動幅值譜.

圖5　隨機振幅載荷譜

材料S-N曲線方面考慮到實際部件在疲勞性能方面與實驗材料的差異，對Ansys材料庫中S-N曲線進行修正，疲勞強度因子Kf值取0.8.

文中基于有限元分析運用雨流計數法求出各循環(huán)應力的疲勞損傷，并使用Palmgren-Miner累積損傷法則分析受流器變幅疲勞性能[7].

疲勞耐久性能分析中不同工況下的載荷值采用2.2節(jié)中相關設定值.

經過計算，方案一與方案二在不同工況下的疲勞壽命分析結果見表3.

表3　2種方案在不同工況下最小疲勞壽命　次

其中方案一受流器疲勞壽命薄弱部位在3種工況下均在滑靴支架下方螺栓齒形墊圈處；方案二在工況1與工況2下薄弱部位處于上擺臂與下擺臂軸連接螺栓墊圈處，在工況3下疲勞壽命薄弱部位處于上擺臂與連接桿軸連接銷釘處，受流器的疲勞破壞有極大可能首先發(fā)生在這些部位.

假設磁懸浮列車一個工作循環(huán)為靜懸浮—當前指定工況—靜懸浮，循環(huán)周期為5 min，每天工作16 h，1年工作360 d，那么方案一中受流器在工況1下疲勞壽命為

同理可得方案一在工況2下疲勞壽命為4.58年，在工況3下為2.02年.方案二在工況1下為4.87年，在工況2下為4.82年，在工況3下為4.78年.

由上述結果可知，雖然在靜力學分析中受流器最大應力值遠小于材料許用應力，材料強度符合要求，但是受流器零部件在不等幅隨機變化載荷長期、反復作用下受到的破壞作用非常明顯.受流器疲勞壽命不長，較易發(fā)生疲勞失效，因此從整個磁懸浮列車系統(tǒng)安全、可靠運行的角度出發(fā)應定期檢查、更換受流器各零部件.

工況變化對受流器疲勞壽命同樣存在影響，在同種方案中，從工況1到工況3疲勞壽命有逐漸減小的趨勢，因此為了盡量減少在工況3附近工作，軌道安裝精度、軌道表面平整度、軌道接觸彎頭的布置位置,以及受流器本身在空氣動力學作用下振動情況都是可以考慮優(yōu)化改進的因素.

方案二在同種工況下與方案一相比疲勞壽命相對較長，說明通過改進結構應力分布的改善可以延長受流器的使用疲勞壽命.

基于Ansysworkbench的疲勞分析模塊還可計算得到受流器在不同工況下的雨流陣列、損傷陣列、疲勞敏感曲線.計算結果以方案一有限元模型為例，經仿真計算方案二疲勞耐久分析結果與方案一有同樣規(guī)律，不再復述.

受流器在不同工況下雨流陣列見圖6.

由圖6可知,受流器在各個工況下的應力循環(huán)絕大多數為低應力循環(huán).

受流器在不同工況下損傷陣列見圖7.

圖6　受流器雨流陣列

圖7　受流器損傷陣列

由圖7可知,受流器在工況1下疲勞損傷絕大多數由低應力循環(huán)造成.在工況2下高應力循環(huán)開始在整個疲勞損傷中占2.1%.在工況3下中、高應力循環(huán)占據整個疲勞損傷的絕大部分比重，其中高應力循環(huán)比重達到10.88%，說明在較高的靴軌接觸壓力條件下，少量的高應力循環(huán)就能造成足夠大的疲勞破壞.

受流器在不同工況下疲勞敏感曲線見圖8.

圖8　受流器疲勞敏感曲線

由圖8a)可知，當變幅比例載荷小于90%結構應力時，結構疲勞壽命一直處于穩(wěn)定狀態(tài)；當變幅比例載荷大于1.25倍結構應力時，結構疲勞開始變得比較敏感，隨著結構應力倍數逐漸增大，結構剩余疲勞壽命迅速減小，當結構應力倍數為1.5倍時，剩余疲勞壽命減小到只有1.87×105，可知此時結構疲勞敏感系數很高.同時對比3種工況疲勞敏感曲線可知隨著靴軌接觸壓力的增加，結構的疲勞敏感性逐漸升高，在工況3中較小的結構應力倍數變化就能引起較大的疲勞壽命下降.

3　靴軌接觸壓力檢測方案的設計與試驗

3.1接觸壓力檢測方案的設計

方案一為應變片測量方案.受流器靴頭在實際工作中與供電軌接觸時，受到垂直于靴頭表面向下的正壓力，該正壓力隨受流器工況變化而不斷變化.靴頭的正壓力會引起滑靴支座側面的形變，且該形變量與接觸壓力呈正相關的關系.因此在不同工況下測量滑靴支座側面的應變值，建立應變值與接觸壓力的對應關系，在受流器實際工作中測量應變值，通過接觸壓力與應變值的標定曲線推算出靴軌接觸壓力.

方案二為力傳感器測量方案.圖9為受流器簡化模型，靴軌接觸壓力雖不能直接測得，但可以通過測量質量m1及其加速度a和傳遞力f間接計算獲得.其中:F=f+m1×am1為滑靴、滑靴底座和上鋁板的質量和;m2為支座質量;m3為受流器其余部分的等效質量.布置4個力傳感器在鋁板與支座之間測量傳遞力f，在滑靴處布置加速度傳感器測量加速度a，經過計算,即可得到接觸壓力F.

圖9　受流器簡化模型

3.2應變片測量方案試驗

將應變片按粘貼在滑靴支座側面相應位置上，見圖10.應變片所測得的信號由專有數據采集系統(tǒng)采集處理.通過在靴頭表面加載不同重量的砝碼模擬不同靴軌接觸壓力，砝碼重量從130 N逐漸加載到180 N.由此可得，增益放大倍數為100時應變實測曲線.

圖10　應變片的粘貼

在增益放大100倍的情況下，模擬受流器從伸展極限到壓縮極限的工況.試驗結果表明應變量幅值變化有限，峰值不明顯，曲線較為平坦，因此無法將不同靴軌接觸壓力值與應變量精確一一對應.試驗結果與靜力學應變仿真結論一致，方案一應變片測量方案不可行.

3.3力傳感器測量方案

所用力傳感器為動態(tài)力傳感器，只能測量力動態(tài)部分，同時為了能模擬出規(guī)律的靴軌作用力，試驗采用單擺激振方式：將4個動態(tài)力傳感器與靴頭支座、鋁板一起固定在支架上，通過信號線將傳感器信號引入數據采集系統(tǒng)，靴頭支座下方安裝一單擺裝置，試驗時激勵單擺裝置做標準單擺運動，傳感器記錄傳遞力的信號數據.根據計算，此激振單擺理論周期為2.332 s，實際周期為2.355 s，誤差為0.99%；理論合力幅值為0.724 0 N，實際合力幅值為0.702 5 N，誤差為2.97%.誤差均在合理范圍內，由此試驗結果表明方案二力傳感器方案靈敏度、精度均符合要求，試驗結果與靜力學應力仿真結論一致，該方案能準確測量傳遞力從而間接測算靴軌接觸力.

4　結　　論

1) 建立受流器有限元模型，進行靜力學應力分析，方案一中滑靴支座底面靠近支撐座方向齒形墊圈內側、方案二中上擺臂內側墊圈處以及上擺臂與連接桿軸連接的銷釘處為應力集中部位，方案二中改進結構后應力值有所降低；力傳感器處應力值與靴軌接觸壓力值呈良好正相關性；應變分析表明靴軌壓力變化對于滑靴支座側面應變量影響較小.

2) 對受流器進行疲勞耐久分析，受流器在隨機振幅載荷條件下較易疲勞失效，需定期檢查和更換零部件；滑靴支架下方螺栓齒形墊圈處、上擺臂與下擺臂軸連接螺栓墊圈處以及上擺臂與連接桿軸連接銷釘處是疲勞危險部位，其結構可重點優(yōu)化改進；少量的結構高應力循環(huán)就能引起較大的疲勞破壞.

3) 靴軌接觸壓力檢測應變片測量方案實測表明應變曲線無法精確對應靴軌接觸壓力；傳感器測量方案靈敏度、精度均符合要求；實驗結果與仿真結論一致.

[1]毛順茂.城市軌道交通MC發(fā)展模式研究[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2015,39(5):954-957.

[2]李寧.中低速磁浮列車側向受流器設計與分析[D].長沙：國防科學技術大學，2006.

[3]滕騰.隨機振動下受電靴與第三軌接觸振動規(guī)律研究[D].北京：北京交通大學，2012.

[4]王振云，王振全，李相泉.受流器與接觸軌匹配特性研究[J].現代城市軌道交通,2011(1):55-60.

[5]VERA C, SUAREZ B, PAULIN J, et al. Simulation model for the study of overhead rail current collector systems dynamics,focused on the design of a new conductor rail[J].Vehicle System Dynamics,2006(6):595-614.

[6]STEWART E, WESTON P, HILLMANSEN S, et al.Using bogie-mounted sensors to understand the dynamics of third rail current collection systems[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F Journal of Rail & Rapid Transit,2011(1):1-9.

[7]倪侃．隨機疲勞累積損傷理論研究進展[J]．力學進展，1999，29(1)：43-65．

Maglev Rail Traffic Collector Finite Element Analysis and Research on Detection Scheme

HOU Xianjun1,2)YU Lixuan1,2)RUAN Jie1,2)

(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyforAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)1)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)2)

The real-time detection on contact force between collector shoe and trail and the fatigue durability under random amplitude loading can directly influence the safety and reliability of the work of the maglev train power system. This paper performs a finite element static analysis on the collector which can guide the design of detection scheme. Based on the static analysis, fatigue analysis module is used to analyze the fatigue durability under random amplitude loading. At last, experimental results prove that the conclusion is correct. Statics strain analysis shows that strain magnitude in the position of strain gauge pasting is less than the resistance strain gauge sensitivity. Thus, the strain gauge program is difficult to accurately measure the contact force. Static stress analysis shows that the response of stress in the position of the force sensor is very obvious, which can conclude that force sensors scheme is more feasible. Fatigue analysis points out that the dangerous positions of fatigue are the toothed washers of the bolt under the shoe bracket, shaft bolt washer of upper arm and lower arm, the pin of shaft of upper arm and connecting rod. It can conclude that collectors can become fatigue invalid on the conditions of random amplitude loading, and a small amount of high structural stress cycle can cause greater fatigue damage. Experiments show that the results of force sensors scheme are accurate and reasonable, which is consistent with the simulation results.

maglev rail traffic; collector; contact force between collector shoe and trail; fatigue analysis

2016-06-23

U270.7

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.04.007

侯獻軍 (1973- )：男，博士，教授，主要研究領域為汽車及發(fā)動機CAD/CAE、發(fā)動機排放控制及電控技術

*中鐵第四勘察設計院校企合作項目資助(2015K54)