受電弓上框架改進分析

孫 寧，林 平，李 軍，馮 葉，王秋紅

（南車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001）

受電弓上框架改進分析

孫 寧，林 平，李 軍，馮 葉，王秋紅

（南車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001）

在地鐵受電弓使用過程中，受電弓上框架頂管端部出現了裂紋問題，為解決上述問題，以受電弓上框架為研究對象，對上框架頂管和階梯管之間的連接形式進行改進，通過對改進形式進行仿真分析，上框架的性能大大優于原來結構形式。

受電弓；上框架；改進；仿真

1 引言

某型地鐵用受電弓上在段運行一定時期后，上框架頂管端部出現裂紋，上框架頂管裂紋位置如圖1所示。

為解決上框架頂管端部裂紋問題，對上框架頂管與階梯管連接處的結構形式進行改進，并對改進結構進行仿真分析。

圖1 上框架頂管裂紋位置

2 上框架結構改進

2.1 改進概述

原上框架頂管和階梯管采用對接焊接的形式，焊接完成后頂管端部焊接變形較為嚴重，使頂管端部受力不均，同時原對接焊接的形式不利于頂管端部承力并且頂管端部在焊接熱影響下力學性能下降，在上述因素下，受電弓上框架頂管在長期工作載荷下出現疲勞裂紋。為加強上框架頂管與階梯管連接處的強度，將在受電弓上框架頂管和階梯管之間采用頂管支撐結構進行過渡連接，頂管支撐結構采用整體加工的方式，此結構將大幅度增加頂管的支撐厚度，提高頂管整體剛度，改善頂管力學性能，頂管支撐結構及改進后的上框架如圖2和圖3所示。

圖2 頂管支撐結構

圖3 上框架改進示意圖

2.2 仿真分析

對改進后的上框架結構和原上框架結構進行仿真對比分析，考慮到上框架頂管為對稱結構，為簡化計算模型，降低模型不收斂性，仿真模型采用對稱接觸型模型進行計算。上框架頂管承受弓網的垂向接觸力最大動態接觸力不超過300N，加上受電弓弓頭自身重量約14kg，頂管雙邊承受的垂向力不超過450N，單邊垂向力不超過225N,仿真計算模型設置受電弓的單邊垂向力250N，同時分別設置水平沖擊為5g、10g（進行線路弓網試驗時水平沖擊在5g以下），并特取出頂管支撐結構與頂管及階梯管連接處的應力值，取值點如圖4所示，具體分析對比結果如下所示。

（1）水平沖擊5g，水平力700N,垂向力250N：如圖5所示為原上框架應力分布云圖，如圖6所示為改進上框架應力分布云圖，原上框架在上述載荷下的最大應力46MPa，改進上框架的最大應力值為30MPa，原上框架在取值點1處的應力值為8.5MPa，改進框架在取值點1處的應力值為3.8Mpa，原上框架在取值點2處的應力值為9.7MPa，改進框架在取值點2處的應力值為6.2MPa。

圖4 頂管支撐結構與上框架連接處應力取值位置

圖5 原上框架應力分布

圖6 改進上框架應力分布

（2）水平沖擊10g，水平力1400N,垂向力250N：如圖7所示為原上框架應力分布云圖，如圖8所示為改進上框架應力分布云圖。原上框架在上述載荷下的最大應力64.5MPa，改進上框架的最大應力值為47.9MPa，原上框架在取值點1處的應力值為 17MPa，改進框架在取值點 1處的應力值為6.6MPa，原上框架在取值點2處的應力值為16MPa，改進框架在取值點2處的應力值為11.4Mpa。

圖7 原上框架應力分布

圖8 改進上框架應力分布

2.3 仿真結果

仿真結果如表1所示：

表1 仿真計算結果

通過上述仿真可知改進上框架較原上框架在整體結構上呈現出應力分布減小的趨勢，同時在相同載荷下改進頂管支撐結構與上框架連接處較原上框架相同位置應力也有明顯改善，通過上述改進有效提高了原上框架性能。

3 結語

通過對上框架結構改進進行仿真分析，改進后的上框架較原上框架在力學性能上有了較大提升，通過此種改進方式可以有效解決原上框架在段運行過程出現的頂管端部裂紋問題，提高受電弓在線運行的可靠性、安全性。

[1]安孝廉.編.受電器[M].北京：中國鐵道出版社，1984.

[2]劉惟信.機械最優化設計[M].北京：清華大學出版社，1993.

[3]馬良驥.受電弓機構綜合及優化設計[D].成都：西南交通大學.1988.

An Analysis of Improvement for Upper Frame of Pantograph

SUN Ning，LIN Ping,LI Jun,FENG Ye,WANG Qiu-hong,Et al
(CSR Zhuzhou Electric Locomotive co.,LTD.,Zhuzhou,Hunan 412001，China).

The end of top pipe of upper frame on pantograph may crack when the pantograph of subway is working，to solve this problem above，this paper took the uper frame of pantograph as the study object and improved the connection form between top pipe and ladder pipe，the improved performance of upper frame is greatly better than the original through simulation analysis.

pantograph;upper frame;improvement;simulation

U264.34

A

2095-980X（2015）02-0051-02

2015-01-15

孫寧，助理工程師，長期從事受電弓的開發設計工作。