動車組受電弓異常升起原因分析及解決方案

吳榮平

(北京中車賽德鐵道電氣科技有限公司 北京 100176)

DSA380受電弓是一種應用于動車組的單臂高速受電弓，以其輕量化結構設計、良好的空氣動力學性能，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用，進入國內以來主要應用在CRH380A(L)型動車組上。2010年12月3日，在京滬高鐵聯調聯試和綜合試驗中，裝用DA380受電弓的CRH380AL型高速動車組最高運行時速達到486.1 km，創世界鐵路運營試驗最高速。

1 問題的提出

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

2 原因分析

在列車高速運行時，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的作用力臂較短，落弓狀態影響較小，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產生較大的直接作用。當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構特性決定，閉口狀態下備用受電弓下臂軸線與水平面的夾角越大，下臂迎風受力面積越大，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

調查發現，偶發異常升起故障均發生在隧道、大風等特殊工況且備用折疊受電弓處于閉口狀態時，且不同車型車頂設備安裝結構及布置的影響程度不同。統計分析故障狀態受電弓，其下臂軸線與水平夾角大于1.4°的設計參考值。該值并非受電弓性能關鍵控制參數，在受電弓調試過程中，由于裝配誤差等個體制造差異因素該值最大可達到2.0°，該角度變化加大了在閉口狀態下下臂的迎風面積，導致偶發特殊工況下受電弓氣動抬升力加大超過落弓保持力引發異常升起。

3 解決方案的提出

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

經過設計計算，將連接部位2和3相對連接部位1的高度差補償22 mm，受電弓安裝后可保證下臂處于水平狀態；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

針對調整前后安裝方式，計算在落弓狀態下，備用受電弓在閉口方向特定速度運行時，可活動部件包括下臂、上臂、弓頭、下導桿等受到的氣動抬升力和氣動阻力[1]，然后計算出該工況下的3處安裝約束點的垂向支反力，該垂向支反力是由于受電弓受風壓作用下產生的氣動抬升力及受電弓自重的合力導致的，故氣動抬升力即為約束點的垂向支反力與自重的差值。這種計算方案由于經過簡化，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現，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。

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

圖3 調整前、后的受電弓氣動抬升力應力云圖

通過氣動抬升力仿真結果，進一步分析受電弓三處安裝支座在調整前、后所受的支反力變化，將支反力的垂直分量(FZ)進行比較可以看出，優化受電弓調整墊片將下臂調至水平狀態后，受電弓在時速300 km下所受的氣動抬升力比調整前減小約30.9 N，調整后的方案，受電弓受氣流影響優于原有受電弓的安裝方式(見表1)。

表1 方案調整前后支反力計算結果 /N

4.2 強度校核

對連接部位進行強度校核，受電弓在升至最大工作高度下，其受到的載荷工況最惡劣，應在該工況校核其連接螺栓的應力水平。根據計算需求，如圖3所示，對受電弓絕緣子與支架連接處進行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：風阻、弓網垂向接觸力和弓頭橫向偏移力(見表2)；其中風阻載荷數據來源于DSA380風洞實驗，弓網垂向接觸力和弓頭橫向偏移力依據相關標準要求[2-3]。

表2 連接強度校核計算參考載荷 /N

根據計算結果，提取出安裝角度調整前、后底架絕緣子連接部位的螺栓的應力云圖，并進行對比(見圖4)。

圖4 調整前、后的螺栓應力云圖

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

表3 連接螺栓最大應力計算結果 /MPa

5 結束語

經過對2842列CRH380A型動車組，在“合—福線”近半年的運行考核跟蹤，DSA380受電弓未再發生備用時異常升起的故障現象。調整方案已通過客戶技術評審，將結合高級修批量實施。