接觸網(wǎng)整體成型絕緣腕臂試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究*

彭立群，林達(dá)文，陳增紅，王 進(jìn)，陳 剛

（1 株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007；2 國家軌道交通高分子材料及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（湖南），湖南株洲412007）

腕臂作為接觸網(wǎng)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的支撐部件，在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用，傳統(tǒng)的腕臂是由金屬管和絕緣子構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)的腕臂制造成本高、安裝維護(hù)不便、絕緣性能差。新型腕臂是一種由復(fù)合材料整體成型工藝實(shí)現(xiàn)，具有成本低、安裝維護(hù)方便、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)。為了檢驗(yàn)新型腕臂的靜態(tài)、模態(tài)、疲勞和極限性能，以確保機(jī)車在高速運(yùn)行狀態(tài)下，弓網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和良好的受流質(zhì)量，因此非常有必要對腕臂的力學(xué)性能進(jìn)行研究［1-3］。

1 腕 臂

新型腕臂通過復(fù)合材料整體成型工藝實(shí)現(xiàn)，由固定座、防護(hù)罩、支撐體組成，具有結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，耐腐蝕，整體絕緣好等優(yōu)點(diǎn)，如圖1 所示。與傳統(tǒng)金屬腕臂相比，省去了絕緣子，安裝維護(hù)更方便。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

腕臂試驗(yàn)主要參照原鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2074-2003《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗(yàn)方法》、TB/T 1042-2003《鐵路電力牽引供電工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》、鐵路建設(shè)［2006］167 號《客運(yùn)專線鐵路電力牽引供電工程質(zhì)量驗(yàn)收暫行標(biāo)準(zhǔn)》，具體按《某型接觸網(wǎng)腕臂試驗(yàn)大綱》執(zhí)行。

圖1 腕臂結(jié)構(gòu)

2.2 試驗(yàn)方案

腕臂力學(xué)性能試驗(yàn)方案分傳統(tǒng)的單點(diǎn)法碼加載試驗(yàn)和新型雙向復(fù)合加載試驗(yàn)、新型單向疲勞試驗(yàn)。

單點(diǎn)法碼加載試驗(yàn)是指設(shè)計(jì)規(guī)定質(zhì)量的法碼通過鋼絲繩固定于腕臂的承載處，測試腕臂的靜強(qiáng)度。雙向復(fù)合加載試驗(yàn)是指通過設(shè)計(jì)兩套手葫蘆加載荷傳感器的加力裝置，同時對腕臂上下承力處正反兩個方向施加拉力，對腕臂進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。單向疲勞試驗(yàn)是指對腕臂下部沿水平方向施加正反交變位移，測試腕臂的耐久性能。

單點(diǎn)法碼加載：設(shè)計(jì)夾持裝置固定腕臂上橫梁承載處，分別沿水平方向和向下垂直方向懸掛同等質(zhì)量的法碼，并通過滑輪導(dǎo)向轉(zhuǎn)向成水平拉力和垂向拉力，測試腕臂在雙向承載條件下的靜態(tài)強(qiáng)度，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，試驗(yàn)成本低、滿足小載荷靜載試驗(yàn)要求，但安裝不便，測試精度低，始終是一種恒定載荷加載，無法實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)、載荷顯示等功能，同時法碼在吊裝過程中存在較小的風(fēng)險，如圖2 所示。

圖2 單點(diǎn)法碼加載

雙向復(fù)合加載：分正定位和反定位2 種加載方式，分別如圖3（a）和圖3（b）所示。指設(shè)計(jì)手葫蘆、載荷傳感器、專用工裝串聯(lián)形成加力裝置，分別夾持或安裝于被測試樣的上、下2 個加力點(diǎn)，可同時或單獨(dú)對試樣施加靜載荷，同時設(shè)計(jì)一種兩半結(jié)構(gòu)的夾塊，通過螺栓鎖緊試樣，同時在試樣的兩端設(shè)計(jì)好預(yù)偏角度，通過加載連接與端部配合，形成帶角度的加載裝置，利用手葫蘆和柔性吊帶來解決試驗(yàn)涉及的難題，同時實(shí)現(xiàn)斜拉（帶角度）加載試驗(yàn)。

圖3 雙向復(fù)合加載

單向疲勞試驗(yàn)：將腕臂固定于試驗(yàn)裝置反力座，油缸尾部帶鉸鏈安裝于試驗(yàn)平臺的反力座，沿腕臂下端輔助承力索通過鋼絲繩與油缸活塞桿連接，通過液壓油缸施加拉伸位移，測試腕臂的彎曲耐久性，如圖4 所示。

圖4 疲勞試驗(yàn)

2.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要由加力裝置和采集系統(tǒng)兩部分組成，如圖5（a）和圖5（b）所示。其中加力裝置由固定裝置和拉力裝置組成，采集系統(tǒng)由載荷傳感器和顯示儀組成，如圖5 所示。

圖5 試驗(yàn)裝置

固定裝置：由固定座、安裝座、銷釘、腕臂組成，如圖6 所示。其中固定座固定試驗(yàn)平臺，在上端和下端設(shè)計(jì)有中心距U 型槽，通過安裝座和銷釘完成整個腕臂的端部固定，并在腕臂中間位置安裝導(dǎo)向座，防止左右產(chǎn)生過大的橫向位移。

加力裝置：由腕臂、上拉力裝置、反力座、下拉力裝置組成，如圖7 所示。其中上拉力裝置設(shè)計(jì)一種兩半結(jié)構(gòu)的45°斜拉塊，將水平和垂向雙向載荷擬合成單一拉力加載。

下拉力裝置設(shè)計(jì)有夾緊塊和力臂裝置，通過力臂將水平拉力轉(zhuǎn)換成對腕臂下橫梁的偏轉(zhuǎn)力矩。

上拉力裝置由夾塊、擋塊、側(cè)板、顯示儀、傳感器、拉力環(huán)、手葫蘆組成，如圖8 所示。其中夾塊夾持于上橫梁，兩端安裝側(cè)板通過擋塊固定，傳感器和手葫蘆串聯(lián)安裝并固定于反力座。

圖6 固定裝置

圖7 加力裝置

下拉力裝置由夾塊、螺栓、力臂、固定銷、傳感器、顯儀器、拉力環(huán)和手葫蘆組成，如圖9 所示。其中夾塊固定于下橫梁，通過下置力和手葫蘆對腕臂施加偏轉(zhuǎn)力矩，并利用傳感器和顯示儀記錄載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用百分表記錄腕臂的整體變形。

2.4 分析計(jì)算

對腕臂進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析，獲取腕臂的最大應(yīng)力、變形以及固有頻率。

圖8 上拉力裝置

圖9 下拉力裝置

靜態(tài)分析：從圖10 得知腕臂最大應(yīng)力為130 MPa，產(chǎn)生在下橫梁承載處；最大變形11.9 mm，產(chǎn)生在懸掛處最前端，其中最大應(yīng)力小于允許值400 MPa，最大變形小于要求值25 mm，靜態(tài)分析結(jié)果滿足要求。

模態(tài)分析：為獲取腕臂的固有頻率和腕臂結(jié)構(gòu)件的振型，對腕臂進(jìn)行模態(tài)分析，圖11（a）為腕臂的第1 階振型，模態(tài)頻率為14.2 Hz，腕臂產(chǎn)生Y方向偏擺；圖11（b）為腕臂的第2 階振型，模態(tài)頻率為20 Hz，腕臂Z方向有較大偏擺；圖11（c）為腕臂的第3 階振型，模態(tài)頻率為22 Hz，腕臂Y方向有較大偏擺；圖11（d）為腕臂的第4 階振型圖，模態(tài)頻率為46 Hz，腕臂下橫梁Z方向有較大彎曲變形。結(jié)果表明腕臂最低固有頻率大于接觸網(wǎng)固有頻率2 Hz，因此腕臂不會與接觸網(wǎng)發(fā)生共振［4］。

3 結(jié)果與討論

3.1 靜強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)方法

正定位加載：設(shè)計(jì)將上橫梁水平和垂直加載的4 kN 載荷擬合成45°的斜拉合力4.5 kN，同時與下置橫梁水平拉力4.5 kN 協(xié)調(diào)加載，以4.5 kN/mm加載速度加載至4.5 kN，增加0.5 kN 保持10 s 并記錄變形，記錄0～4.5 kN 間的載荷與變形曲線。

反定位加載：試驗(yàn)原理與正定位一致，加載方向轉(zhuǎn)180°，記錄反向0～4.5 kN 間的載荷與變形曲線。

圖11 腕臂四階振型圖

3.1.2 結(jié)果及分析

正定位加載屬于腕臂外側(cè)斜拉承載工況，此時腕臂上橫梁承受向下彎曲和向外拉力，下橫梁主要承受向外偏矩，使腕臂整體產(chǎn)生一種向下的變形，上、下橫梁夾持點(diǎn)是試樣最關(guān)鍵受力點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)的局部破壞會導(dǎo)致整個腕臂發(fā)生斷裂或異常變形，從而失去支撐和懸掛作用，從試驗(yàn)加載過程來分析，隨著載荷增加，腕臂變形增加，同時在加載初期除向下變形外，左右方向也有一定偏擺位移，隨著載荷的斷續(xù)增加，腕臂承載趨于穩(wěn)定，后期的變形基本上是腕壁的彈性變形，且卸載后能恢復(fù)到自由狀態(tài)。圖12 給出了2 件腕臂正定位靜強(qiáng)度載荷與變形曲線，其中加載到4.5 kN 時，1#和2#樣品總變形分別為11.47 mm 和11.7 mm，綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)描述，表明該結(jié)構(gòu)的腕臂具有較好的正定位靜態(tài)強(qiáng)度特性，且樣品生產(chǎn)和制作工藝穩(wěn)定，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

反定位加載屬于腕臂內(nèi)側(cè)斜拉承載工況，此時腕臂上橫梁承受向下彎曲和向內(nèi)拉力，加載載荷相同，只是方向相反，卸載后腕臂同樣能恢復(fù)到自由狀態(tài)。圖13 給出了2 件腕臂反定位靜強(qiáng)度載荷與變形曲線，其中加載到4.5 kN 時，1#和2#樣品總變形分別為11.67 mm 和12.15 mm，綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)描述，表明該結(jié)構(gòu)的腕臂具有較好的反定位靜態(tài)強(qiáng)度特性，同時有限元分析得出腕臂整體變形為11.9 mm，因此分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖12 腕臂正定位載荷與變形曲線

圖13 腕臂反定位載荷與變形曲線

3.2 極限性能

3.2.1 試驗(yàn)方法

極限性能采用正定位加載進(jìn)行，以6 kN/mm 加載速度對腕臂施加1.5 倍載荷6.75 kN，在6.75 kN保持30 s，觀察腕臂是否破壞或出現(xiàn)其他異常。

3.2.2 結(jié)果及分析

極限性能是檢驗(yàn)腕臂在超載條件下的承載特性。圖14 給出了2 件腕臂極限靜強(qiáng)度載荷與變形曲線，其中加載到6.75 kN 時，1#和2#樣品變形分別為15.87 mm 和16.21 mm，且曲線載荷隨位移增加而遞增，樣品未破壞和出現(xiàn)異常變形。這表明該結(jié)構(gòu)腕臂具有較好的極限承載特性。

3.3 疲勞性能

3.3.1 試驗(yàn)方法

疲勞試驗(yàn)采用下拉力裝置施加純水平拉力進(jìn)行試驗(yàn)，如圖4 所示，水平載荷為（2.5±1.75）kN，頻率2 Hz，循環(huán)加載50 萬次，疲勞試驗(yàn)后腕臂局部不能出現(xiàn)斷裂，整體不能出現(xiàn)破壞和其他異常。

3.3.2 結(jié)果及分析

疲勞試驗(yàn)是模擬腕臂安裝于接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，由于風(fēng)載、列車通過時的動載產(chǎn)生的交變動態(tài)載荷對腕臂耐久性的影響，判定腕臂疲勞性能最直接的參數(shù)主要是動載穩(wěn)定性和疲勞后的狀態(tài)。腕臂在疲勞載荷的作用下，加載穩(wěn)定性較好，沒有出現(xiàn)共振和大幅度偏擺現(xiàn)象，且疲勞試驗(yàn)后樣品狀態(tài)良好，夾持點(diǎn)和主要承載的上下支撐橫梁，均未出現(xiàn)異常和塑性變形，這表明該結(jié)構(gòu)腕臂具有較好的疲勞特性，試驗(yàn)結(jié)果和有限元分析結(jié)果基本一致，見表1。

圖14 腕臂極限特性曲線

表1 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

（1）分析了腕臂的承載工況，設(shè)計(jì)了新型靜強(qiáng)度、極限和疲勞性能方案，并與傳統(tǒng)試驗(yàn)方案進(jìn)行分析比對，為腕臂及同類產(chǎn)品的試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。

（2）研究表明：新型方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、滿足試驗(yàn)要求，更能準(zhǔn)確反映出腕臂的力學(xué)性能，腕臂的靜態(tài)、模態(tài)、極限和疲勞性能滿足要求，且與分析結(jié)果基本一致。