吳榮平

(北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司 北京 100176)

DSA380受電弓是一種應(yīng)用于動車組的單臂高速受電弓，以其輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、良好的空氣動力學(xué)性能，在德國、法國、芬蘭、西班牙等歐洲多條鐵路線路得到了廣泛運(yùn)用，進(jìn)入國內(nèi)以來主要應(yīng)用在CRH380A(L)型動車組上。2010年12月3日，在京滬高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試和綜合試驗(yàn)中，裝用DA380受電弓的CRH380AL型高速動車組最高運(yùn)行時速達(dá)到486.1 km，創(chuàng)世界鐵路運(yùn)營試驗(yàn)最高速。

1 問題的提出

CRH380A(L)型動車組自投入運(yùn)行以來，在隧道、大風(fēng)等特殊工況下高速運(yùn)行時，偶發(fā)備用DSA380受電弓在落弓位閉口狀態(tài)非正常自行升起的故障現(xiàn)象。為解決這一故障問題，通過調(diào)查受電弓車頂安裝布置、隧道、大風(fēng)等氣流影響因素，對受電弓在落弓位閉口狀態(tài)進(jìn)行氣動抬升力仿真，提出的解決方案在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

2 原因分析

在列車高速運(yùn)行時，備用折疊受電弓各個活動部件均受到氣動力的作用，其受到的氣動力合力可以分解為垂向分力(氣動抬升力)和水平分力(氣動阻力)。

氣動阻力對下臂鉸點(diǎn)的作用力臂較短，落弓狀態(tài)影響較小，對異常升起作用可忽略其影響；而氣動抬升力則對落弓狀態(tài)產(chǎn)生較大的直接作用。當(dāng)備用折疊受電弓受到的氣動抬升力大于落弓保持力時，受電弓易異常升起。

受電弓落弓保持力由受電弓本身結(jié)構(gòu)特性決定，閉口狀態(tài)下備用受電弓下臂軸線與水平面的夾角越大，下臂迎風(fēng)受力面積越大，受到的氣動抬升力則越大(見圖1)。

圖1 受電弓氣動升力示意圖

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，偶發(fā)異常升起故障均發(fā)生在隧道、大風(fēng)等特殊工況且備用折疊受電弓處于閉口狀態(tài)時，且不同車型車頂設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)及布置的影響程度不同。統(tǒng)計(jì)分析故障狀態(tài)受電弓，其下臂軸線與水平夾角大于1.4°的設(shè)計(jì)參考值。該值并非受電弓性能關(guān)鍵控制參數(shù)，在受電弓調(diào)試過程中，由于裝配誤差等個體制造差異因素該值最大可達(dá)到2.0°，該角度變化加大了在閉口狀態(tài)下下臂的迎風(fēng)面積，導(dǎo)致偶發(fā)特殊工況下受電弓氣動抬升力加大超過落弓保持力引發(fā)異常升起。

3 解決方案的提出

通過在受電弓與絕緣子安裝間的3處連接部位加裝調(diào)整墊片，將受電弓落弓狀態(tài)的下臂與水平方向調(diào)節(jié)至完全平行，以降低閉口狀態(tài)下臂迎風(fēng)面積，減少其受到的氣動抬升力。

經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，將連接部位2和3相對連接部位1的高度差補(bǔ)償22 mm，受電弓安裝后可保證下臂處于水平狀態(tài)；連接部位原3處相同等高墊片變更為存在22 mm高度差的墊片1、墊片2，具體如圖2所示。

圖2 墊片調(diào)整方案效果示意圖

4 仿真評估

4.1 氣動抬升力分析

針對調(diào)整前后安裝方式，計(jì)算在落弓狀態(tài)下，備用受電弓在閉口方向特定速度運(yùn)行時，可活動部件包括下臂、上臂、弓頭、下導(dǎo)桿等受到的氣動抬升力和氣動阻力[1]，然后計(jì)算出該工況下的3處安裝約束點(diǎn)的垂向支反力，該垂向支反力是由于受電弓受風(fēng)壓作用下產(chǎn)生的氣動抬升力及受電弓自重的合力導(dǎo)致的，故氣動抬升力即為約束點(diǎn)的垂向支反力與自重的差值。這種計(jì)算方案由于經(jīng)過簡化，相對比較簡單，并沒有將各種影響因素考慮得很全面，但對兩種方案對比分析發(fā)現(xiàn)，通過同樣的加載方式來反映兩種方案受空氣壓力影響的變化情況是可行的。

按照上述計(jì)算工況進(jìn)行仿真，針對調(diào)整前后的DSA380受電弓在CRH380A車型上的安裝方式，計(jì)算時速300 km下受電弓在落弓位所受的氣動抬升力應(yīng)力分布，仿真結(jié)果云圖如圖3所示。

圖3 調(diào)整前、后的受電弓氣動抬升力應(yīng)力云圖

通過氣動抬升力仿真結(jié)果，進(jìn)一步分析受電弓三處安裝支座在調(diào)整前、后所受的支反力變化，將支反力的垂直分量(FZ)進(jìn)行比較可以看出，優(yōu)化受電弓調(diào)整墊片將下臂調(diào)至水平狀態(tài)后，受電弓在時速300 km下所受的氣動抬升力比調(diào)整前減小約30.9 N，調(diào)整后的方案，受電弓受氣流影響優(yōu)于原有受電弓的安裝方式(見表1)。

表1 方案調(diào)整前后支反力計(jì)算結(jié)果 /N

4.2 強(qiáng)度校核

對連接部位進(jìn)行強(qiáng)度校核，受電弓在升至最大工作高度下，其受到的載荷工況最惡劣，應(yīng)在該工況校核其連接螺栓的應(yīng)力水平。根據(jù)計(jì)算需求，如圖3所示，對受電弓絕緣子與支架連接處進(jìn)行X、Y、Z三個方向的平動約束。本次分析中受電弓受到的載荷主要有3個方面，包括：風(fēng)阻、弓網(wǎng)垂向接觸力和弓頭橫向偏移力(見表2)；其中風(fēng)阻載荷數(shù)據(jù)來源于DSA380風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，弓網(wǎng)垂向接觸力和弓頭橫向偏移力依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[2-3]。

表2 連接強(qiáng)度校核計(jì)算參考載荷 /N

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提取出安裝角度調(diào)整前、后底架絕緣子連接部位的螺栓的應(yīng)力云圖，并進(jìn)行對比(見圖4)。

圖4 調(diào)整前、后的螺栓應(yīng)力云圖

安裝調(diào)整前、后底架絕緣子連接部位各螺栓最大應(yīng)力結(jié)果如表3所示。調(diào)整前、后的底架絕緣子主要連接螺栓最大應(yīng)力均小于其材料的屈服強(qiáng)度，強(qiáng)度滿足要求；安裝角度調(diào)整后對主要連接部件強(qiáng)度幾乎沒有影響。

表3 連接螺栓最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 /MPa

5 結(jié)束語

經(jīng)過對2842列CRH380A型動車組，在“合—福線”近半年的運(yùn)行考核跟蹤，DSA380受電弓未再發(fā)生備用時異常升起的故障現(xiàn)象。調(diào)整方案已通過客戶技術(shù)評審，將結(jié)合高級修批量實(shí)施。