羅 健，莫繼良，韓凌青，閆軍芳，張 琦

(1.中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251；2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.寶雞保德利電氣設(shè)備有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721000)

高速鐵路的維護(hù)、安全及高效運(yùn)營對于整個鐵路網(wǎng)的發(fā)展有著至關(guān)重要的意義[1]。接觸網(wǎng)系統(tǒng)作為鐵路供電系統(tǒng)的重要組成部分，其性能以及裝置的狀態(tài)直接影響著列車的運(yùn)行安全[2]。

在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，腕臂和定位裝置的作用至關(guān)重要，其主要為承力索和接觸線提供支持和定位作用[3]。接觸網(wǎng)在自然環(huán)境中還受到多種環(huán)境因素的影響，這些因素以動載荷的形式傳遞到腕臂和定位裝置上，對接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性存在一定威脅[4]。因此，腕臂和定位裝置的結(jié)構(gòu)性能影響列車運(yùn)行時的受流質(zhì)量和安全[5-6]。

國內(nèi)外學(xué)者在對現(xiàn)有腕臂結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析時普遍采用簡化結(jié)構(gòu)后的公式推導(dǎo)手段以及有限元計(jì)算[7-10]。但公式推導(dǎo)過程繁瑣，且結(jié)果不夠全面準(zhǔn)確。一般用有限元方法對腕臂及其定位裝置進(jìn)行靜力、動力學(xué)分析[11]，為優(yōu)化其零部件結(jié)構(gòu)提供理論基礎(chǔ)指導(dǎo)。接觸網(wǎng)腕臂和定位裝置安裝結(jié)構(gòu)型式、零部件規(guī)格型號繁多，給運(yùn)營維護(hù)帶來不便[12]。但鮮有研究人員針對現(xiàn)有腕臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并提出新型腕臂整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

本文對現(xiàn)有4種腕臂及定位裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并結(jié)合有限元計(jì)算方法對各個腕臂及定位裝置的靜力學(xué)特性進(jìn)行分析。在設(shè)計(jì)原則指導(dǎo)下，綜合考慮各方面影響因素后提出簡統(tǒng)化的新型腕臂和定位裝置，具有自主化特征，力爭打造具有創(chuàng)新性、簡約化、安全性、經(jīng)濟(jì)性和便捷性的新型接觸網(wǎng)裝備，為打造簡統(tǒng)化的中國標(biāo)準(zhǔn)接觸網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)有4種腕臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

針對現(xiàn)有4種典型腕臂及定位裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析，包括水平鋼腕臂、鋁合金腕臂、拉桿式腕臂和整體式腕臂。

水平鋼腕臂結(jié)構(gòu)呈三角形，腕臂管采用外徑60 mm、壁厚5 mm的碳素結(jié)構(gòu)鋼，連接件為金屬模鍛鋼件。該結(jié)構(gòu)型式比較簡單，整體強(qiáng)度和剛度較好，但鋼材質(zhì)量較重，且需熱浸鍍鋅防腐，不能隨意切割，不易預(yù)配組裝；連接件和緊固件數(shù)量較多，易松脫；定位裝置采用帶限位功能的直形鋁合金定位器，與受電弓包絡(luò)線之間匹配程度一般，可能造成安全余量小甚至余量不足而打弓的后果；定位器與定位支座為鉤環(huán)連接，易磨損。

鋁合金腕臂結(jié)構(gòu)在我國350 km/h高速鐵路中應(yīng)用廣泛，腕臂使用外徑70 mm、壁厚6 mm的鋁合金管(6082-T6)，連接件同樣為鑄造鋁合金材料。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與水平鋼腕臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)類似。其材料采用鋁合金，質(zhì)量較輕，易于切割和安裝，防腐性能較好，但鑄造件工藝質(zhì)量要求較高。

拉桿式腕臂結(jié)構(gòu)呈銳角三角形，穩(wěn)定性較好。腕臂支撐采用方鋼型材，加工工序少，生產(chǎn)成本低，且現(xiàn)場安裝簡單可靠。連接件材料選用銅合金并使用鑄造工藝，強(qiáng)度較高且塑性大，但對工藝要求高，需逐件探傷檢驗(yàn)。銅合金電偶性能良好，因此定位器與定位支座之間不需要電氣連接線連接。定位器采用弧形結(jié)構(gòu)，與定位支底座連接采用銷軸結(jié)構(gòu)，定位器可在定位管立柱上進(jìn)行位置調(diào)整。

整體式腕臂結(jié)構(gòu)在腕臂和定位管的連接處采用了單耳與雙耳連接的簡化結(jié)構(gòu)，雙耳焊接在腕臂管上，再與單耳進(jìn)行連接。其平腕臂為彎型結(jié)構(gòu)，取代了傳統(tǒng)的腕臂支撐及吊線結(jié)構(gòu)，連接簡單可靠，使腕臂結(jié)構(gòu)在大風(fēng)區(qū)的復(fù)雜環(huán)境下可靠性較高。零部件連接處為合頁結(jié)構(gòu)，減少了螺紋副連接可能造成的松動現(xiàn)象。定位器外形為弧形，與定位支座連接采用銷軸結(jié)構(gòu)，定位器具備彈性功能。

2 現(xiàn)有腕臂結(jié)構(gòu)靜力學(xué)特性分析

2.1 有限元模型

使用Solid Works軟件，根據(jù)4種腕臂真實(shí)結(jié)構(gòu)建立三維模型，建模時均依據(jù)真實(shí)情況簡化了連接部位，螺栓變?yōu)殇N釘，不考慮螺栓預(yù)緊力，將定位鉤、環(huán)連接處變?yōu)殂q接。利用ABAQUS6.14對建立好的模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，網(wǎng)格劃分采用C3D8R單元。4種腕臂的有限元模型與邊界條件如圖1所示，主要部件的材料參數(shù)見表1。有限元模型中固定連接部分均使用Tie連接，在絕緣子螺栓孔處施加三向撓度約束，定位器與定位器支座之間使用面-面接觸方式，圖1中紅色圈出部分使用鉸接，為了避免銷釘剛性撓度，約束銷釘繞自身軸轉(zhuǎn)動。其中鋁合金腕臂結(jié)構(gòu)中無定位管支撐，通過吊線將定位管與平腕臂上的承力索座連接起來，圖1中藍(lán)色虛線為吊線位置。在有限元模型中將吊線簡化為Link連接，見圖1中藍(lán)色圈出部分，使得兩連接部分通過約束獲得相同的運(yùn)動狀態(tài)。

本文的加載模式分為兩種，參照OCS-3[13]技術(shù)條件要求，使用非工作支最大工作載荷對模型加載，校驗(yàn)腕臂(包括平腕臂、斜腕臂和腕臂支撐)以及定位管的撓度水平，具體數(shù)值為在承力索座處施加水平載荷(Fh1)4 000 N，豎直載荷(Fv1)4 000 N；在定位器線夾位置施加水平載荷(Fh2)4 500 N；并按非工作支最大工作載荷的1.5倍對模型加載，校驗(yàn)腕臂的應(yīng)力水平。

部件名稱材料彈性模量/MPa泊松比密度/(kg·m-3)水平、整體鋼腕臂的斜腕臂/平腕臂/定位管20號鋼2.05×1050.37 800水平鋼腕臂的定位支座Q235A鋼2.07×1050.37 850鋁合金腕臂的斜腕臂/平腕臂/定位管水平、拉桿式和鋁合金腕臂的定位器6082鋁合金7×1040.32 750拉桿式腕臂的斜腕臂/平腕臂/定位管Q3452.06×1050.287 850整體式腕臂的定位器A5052TD-H7×1040.352 750

2.2 水平鋼腕臂

計(jì)算得到的水平鋼腕臂應(yīng)力和撓度結(jié)果如圖2所示。從圖2(a)可以看出，該腕臂結(jié)構(gòu)中水平腕臂應(yīng)力比斜腕臂大，且腕臂支撐處應(yīng)力較小，腕臂支撐可以適當(dāng)減輕主要連接位置的應(yīng)力集中情況，應(yīng)力最大值在定位器鉤、定位支座環(huán)接觸位置處的定位支座上，其值為155.5 MPa。該應(yīng)力值小于其使用的Q235A鋼材的許用應(yīng)力156.7 MPa，滿足文獻(xiàn)[14]要求。

圖2(b)為水平鋼腕臂結(jié)構(gòu)在施加載荷后的撓度云圖，可見最大撓度出現(xiàn)在定位器上，這是因?yàn)樵趯?shí)際工作時，定位器與接觸線拉力平衡，定位器受兩側(cè)拉力作用，導(dǎo)致最大撓度出現(xiàn)在其中部。根據(jù)OCS-3[13]技術(shù)條件要求規(guī)定，在最大工作荷重條件下，鋼腕臂或定位管的撓度不大于0.7%L，分析結(jié)果表明構(gòu)件中最大撓度值出現(xiàn)在斜腕臂上，經(jīng)計(jì)算滿足文獻(xiàn)[14]要求(定位器撓度并未在技術(shù)要求考察范圍內(nèi)，因此本文僅對腕臂、定位管和定位管支撐進(jìn)行了校核，圖中所示為校核部件中出現(xiàn)的最大撓度值，并未包括定位器上的撓度值。以下其他3種腕臂結(jié)構(gòu)撓度校核分析與此處遵循相同原則)。

(a)應(yīng)力分布

(b)撓度分布圖2 水平鋼腕臂應(yīng)力分布和撓度結(jié)果

2.3 鋁合金腕臂

計(jì)算得到的鋁合金腕臂應(yīng)力和撓度結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知，在1.5倍最大工作載荷作用下，其應(yīng)力分布情況及應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置與水平鋼腕臂結(jié)構(gòu)類似，最大值在定位器鉤、定位支座環(huán)接觸位置處的定位器鉤上，其值為166 MPa，該值低于定位器使用的鋁合金的許用應(yīng)力值175.3 MPa，強(qiáng)度符合文獻(xiàn)[14]要求。

圖3(b)為鋁合金腕臂結(jié)構(gòu)在施加載荷后的撓度分布情況，最大撓度出現(xiàn)在定位器與接觸線接觸位置。根據(jù)OCS-3[13]技術(shù)條件要求，在最大工作荷重條件下，鋁合金腕臂和定位管撓度不大于1.0%L。分析結(jié)果表明構(gòu)件中最大撓度值出現(xiàn)在定位管上，經(jīng)計(jì)算滿足文獻(xiàn)[14]要求。

(a)應(yīng)力分布

(b)撓度分布圖3 鋁合金腕臂應(yīng)力分布和撓度結(jié)果

2.4 拉桿式腕臂

計(jì)算得到的拉桿式腕臂應(yīng)力和撓度情況如圖4所示。由圖4(a)可知，水平拉桿應(yīng)力比斜腕臂小，受力以斜腕臂為主。腕臂支撐處應(yīng)力較小，支撐可以適當(dāng)減小。應(yīng)力主要分布于腕臂結(jié)構(gòu)的連接處，最大值在定位管與定位器調(diào)節(jié)柱連接位置處的定位管上，其值為191.6 MPa。這是因?yàn)槎ㄎ黄髡{(diào)節(jié)柱較長，與定位管連接位置承受大彎矩，所以此處應(yīng)力水平較高。但該值遠(yuǎn)低于調(diào)節(jié)支柱所使用的Q345鋼的許用應(yīng)力230 MPa[14]。

圖4(b)為拉桿式腕臂結(jié)構(gòu)在施加載荷后的撓度分布情況，最大撓度出現(xiàn)在定位器管上，由于定位器兩端受拉力，且定位調(diào)節(jié)柱屬于懸臂梁，撓度加到定位管上，導(dǎo)致定位器管與接觸線接觸處撓度最大。根據(jù)OCS-3[13]技術(shù)條件要求，在最大工作荷重條件下，鋼腕臂、定位管和定位管支撐的撓度不大于0.7%L。分析結(jié)果表明構(gòu)件中最大撓度值出現(xiàn)在定位管上，經(jīng)計(jì)算滿足文獻(xiàn)[14]要求。

(a)應(yīng)力分布

(b)撓度分布圖4 拉桿式腕臂應(yīng)力分布和撓度結(jié)果

2.5 整體式腕臂

計(jì)算得到的整體式腕臂應(yīng)力和撓度分布情況如圖5所示。從圖5(a)可知該結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力在斜腕臂雙耳與平腕臂連接位置，其值為127.7 MPa，數(shù)值遠(yuǎn)低于其材料20號鋼的許用應(yīng)力183.33 MPa[14]。由于結(jié)構(gòu)高度較小且連接件較少，整體鋼腕臂應(yīng)力水平稍小于其他腕臂結(jié)構(gòu)。

(a)應(yīng)力分布

(b)撓度分布圖5 整體式腕臂應(yīng)力分布和撓度結(jié)果

圖5(b)為整體式腕臂結(jié)構(gòu)在施加載荷后的撓度分布情況，最大變形位置在定位器管中間處。根據(jù)OCS-3[13]技術(shù)條件要求，在最大工作荷重條件下，鋼腕臂及其定位管的撓度不大于0.7% L。分析結(jié)果表明構(gòu)件中最大撓度值出現(xiàn)在定位管上，經(jīng)計(jì)算滿足文獻(xiàn)[14]要求。

3 腕臂和定位裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)原則

基于對上述現(xiàn)有腕臂結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)分析，結(jié)合我國不斷提高的接觸網(wǎng)要求，對新型腕臂和定位裝置的優(yōu)化方案提出以下設(shè)計(jì)原則：

(1)腕臂結(jié)構(gòu)應(yīng)安全穩(wěn)定可靠，局部和整體變形均滿足規(guī)定要求。

(2)腕臂結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，視覺效果好，集成零部件的結(jié)構(gòu)和功能，減少零部件數(shù)量。

(3)腕臂結(jié)構(gòu)應(yīng)便于現(xiàn)場施工安裝，既要有下料、組裝、調(diào)整的靈活性，又要有較高的安裝精度。

(4)定位裝置在輕量化的前提下保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有較好的靜態(tài)和耐疲勞性能。

(5)定位器與受電弓外形及動態(tài)包絡(luò)線應(yīng)具有良好的匹配性，有較大的抬升空間，保證空間安全距離。

(6)定位器與定位支座應(yīng)連接可靠，盡量增大連接接觸面積，減少相互磨損，提高電氣連接性能。

(7)腕臂和定位裝置本體應(yīng)采用通用型材，連接件優(yōu)先采用型材制造，采用穩(wěn)定可靠的模鍛、沖壓等工藝。

(8)腕臂和定位裝置應(yīng)具有較好環(huán)境適應(yīng)性，提高防腐性能，連接件應(yīng)具有較好的防松性能，減少運(yùn)營維護(hù)工作量。

3.2 方案設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

在設(shè)計(jì)原則的指導(dǎo)下，吸納現(xiàn)有腕臂和定位裝置的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種新型腕臂和定位裝置，其主要特點(diǎn)如下：

(1)集成承力索座與套管座、定位環(huán)與支撐卡子的功能結(jié)構(gòu)，采用組合式零件。

(2)腕臂支撐、定位管支撐采用實(shí)心型材代替管材+單耳結(jié)構(gòu)，減少零件數(shù)量。

(3)承力索座、定位環(huán)、定位底座等連接件采用少螺栓、安裝便捷、帶獨(dú)立雙耳的鉸鏈?zhǔn)奖Ч拷Y(jié)構(gòu)，大幅度減少螺紋連接數(shù)量。

(4)鋁合金連接件用鍛造工藝代替鑄造，避免鑄造缺陷，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

(5)定位器采用與受電弓包絡(luò)線匹配性好、空間安全裕度大的弓形結(jié)構(gòu)，與定位底座連接采用非限位、銷軸鉸接方式，定位線夾雙夾板配套T型定位銷釘，電氣導(dǎo)通和耐磨性好。

上述新型腕臂和定位裝置正定位結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示，反定位結(jié)構(gòu)示意圖如圖6(b)所示。

(a)正定位結(jié)構(gòu)

(b)反定位結(jié)構(gòu)圖6 新型腕臂和定位裝置方案結(jié)構(gòu)示意圖

新型腕臂結(jié)構(gòu)與常用腕臂結(jié)構(gòu)零件數(shù)量、螺紋副數(shù)量、緊固力矩種類對比見表2。從表2可以看出，新型腕臂支撐及定位裝置通過采用鉸鏈抱箍連接和相近功能組合方案，大幅度提高了零部件的一體化程度和集成度，結(jié)構(gòu)更加簡潔合理，防松、耐磨，可靠性大幅度提高。與鋁合金腕臂裝置相比每套裝置零部件數(shù)量由23件減少為14件，減少了39%；螺紋副數(shù)量由原裝置的30套減少為13套，減少了57%；螺紋副緊固力矩種類由6種減少為3種，減少了50%。同樣與拉桿式和整體式腕臂相比，連接件數(shù)量均不同程度減少?？梢钥闯鲂滦屯蟊劢Y(jié)構(gòu)有效降低了施工安裝和運(yùn)營維護(hù)的工作量。

表2 零件、螺紋副數(shù)量、緊固力矩種類對比

3.3 靜力校核

同樣對新型腕臂和定位裝置結(jié)構(gòu)建立三維模型，建模時均依據(jù)真實(shí)情況簡化了連接部位，螺栓變?yōu)殇N釘，不考慮螺栓預(yù)緊力，將定位鉤、環(huán)連接處變?yōu)殂q接。利用有限元軟件對建立好的模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，網(wǎng)格劃分采用C3D8R單元。有限元模型中固定連接部分均使用Tie連接，在絕緣子螺栓孔處施加三向撓度約束，定位器與定位器支座之間使用面-面接觸方式，為了避免銷釘剛性撓度，約束銷釘繞自身軸轉(zhuǎn)動。同樣按非工作支最大載荷對模型加載，具體數(shù)值與計(jì)算驗(yàn)證現(xiàn)有典型腕臂結(jié)構(gòu)時加載數(shù)值相同(參照OCS-3[13]技術(shù)條件要求)。

圖7所示為計(jì)算得到的新型腕臂應(yīng)力分布情況，可以看到應(yīng)力整體分布均勻，正定位時最大應(yīng)力為114 MPa，反定位最大應(yīng)力為145 MPa，均位于定位管上，小于6082(T6)鋁合金的許用應(yīng)力167 MPa；同樣對撓度分布情況進(jìn)行了校核，正定位時最大撓度為5.3 mm，位于斜腕臂上，反定位時最大撓度18 mm，位于定位管上，均不大于1.0%L。因此新型腕臂結(jié)構(gòu)方案的整體強(qiáng)度和剛度均滿足要求。

(a)正定位

(b)反定位圖7 新型腕臂和定位裝置方案應(yīng)力分布校核結(jié)果

4 結(jié)論

本文對4種腕臂和定位裝置的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、連接件等以及結(jié)構(gòu)靜力學(xué)特性進(jìn)行分析，根據(jù)腕臂和定位裝置的功能需求和現(xiàn)狀中存在問題的分析，設(shè)計(jì)了一種新型腕臂和定位裝置的結(jié)構(gòu)。通過計(jì)算與分析，得到如下結(jié)論：

(1)各典型腕臂結(jié)構(gòu)均能滿足鐵路標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的應(yīng)力和撓度要求；3種鋼腕臂結(jié)構(gòu)撓度相近，鋁合金腕臂撓度稍大；腕臂支撐處應(yīng)力較?。黄酵蟊劢Y(jié)構(gòu)中水平腕臂應(yīng)力較斜腕臂大，拉桿腕臂結(jié)構(gòu)中水平拉桿應(yīng)力較斜腕臂?。粦?yīng)力在連接件處較大。

(2)新型腕臂和定位裝置的結(jié)構(gòu)方案采用集約化的組合式連接件，結(jié)構(gòu)更加簡潔、合理，并具有較高的防松、耐磨和可靠性，弓網(wǎng)匹配好，安全裕度大，電氣導(dǎo)通和耐磨性好。新型接觸網(wǎng)裝置不僅內(nèi)在質(zhì)量和外觀品質(zhì)有所提升，其服役性能和使用壽命同樣有較大提升。利用有限元靜態(tài)分析方法對所提出的新型腕臂和定位裝置的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

本文僅對現(xiàn)有高速鐵路典型腕臂結(jié)構(gòu)和所提出新型腕臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)特性分析，不足以全面說明腕臂結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。筆者正在研究基于工作載荷譜的新型腕臂結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性分析，以豐富腕臂結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的理論基礎(chǔ)，并在未來提出基于靜力學(xué)、動力學(xué)仿真綜合分析的接觸網(wǎng)系統(tǒng)腕臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。