TSG15B型受電弓裂紋故障振動特性研究

基金項目：廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“城軌列車齒輪傳動系統的動態特性及其影響因素分析”（編號：2023KY1433）

作者簡介：翟朝凱（1996—），主要從事機車車輛制造與維護技術研究工作。

摘要：受電弓作為我國電氣化鐵路的主要受載部件，其工況穩定性直接關系到列車的安全運行，在日常檢修中，發現碳滑板極易出現裂紋、掉塊、破損等情況，其主要影響因素有弓網滑動摩擦損失大、接觸壓力不穩定、風阻變化等。文章通過對TSG15B型受電弓建模，將裂紋以時變剛度函數的形式引入模型，探究了列車在120 km/h的時速下，碳滑板裂紋故障對受電弓造成的動力學響應。結果表明：碳滑板裂紋對于受電弓產生的周期性沖擊信號以及速度沖擊特性的影響較為明顯，在周期性沖擊信號影響下，裂紋缺陷會對機車受電弓主要部件造成周期性的低幅高頻振動。

關鍵詞：受電弓；裂紋故障；振動；動力學；TSG15B型

中圖分類號：U264.3⁺4

0 引言

受電弓作為我國電氣化鐵路的主要車載受流設備，可將接觸網上的25 kV單相工頻交流電導入機車，從而為機車主輔電路供電。電力機車的受電弓結構較為復雜，其工作方式為通過受電弓碳滑板與接觸網復合滑動摩擦接觸進行受電，在長期復雜工況的運行過程中常會出現碳滑板異常磨耗、機械結構裂紋、電氣腐蝕、軟管漏風等故障狀況，情況較輕時，可在日常檢修作業中及時發現并通過更換碳滑板、軟管等方法解決。但情況較為嚴重時，例如在運行途中出現刮弓、拉弧等故障，會造成列車的緊急降弓、停車，進而造成不必要的安全及經濟損失。

本文通過搭建TSG15B型受電弓模型試驗平臺，根據實際故障情況構建出合理的受電弓故障模型，研究機車在正常運行時速下，常見的裂紋故障特性對于受電弓的動力學特性響應。

1 TSG15B型受電弓建模

TSG15B型受電弓設計結構緊湊，易于維修，目前主要應用于我國HXD1系列機車。其主要結構有弓頭、上框架、下臂桿、拉桿、底架、升弓動力裝置等。弓頭與上框架通過鉸鏈連接，上框架與下臂桿、導桿通過鉸鏈連接組成四連桿機構。需要升弓時，通過按下司機室升弓按鈕，使得升弓電磁閥得電，壓縮空氣通過氣路進入氣囊裝置，氣囊膨脹通過鋼絲繩帶動四連桿機構上升，使得受電弓碳滑板與接觸網接觸。如圖1所示。

TSG15B型受電弓的最大工作高度為2 250 mm，弓網的靜態接觸壓力為70±10 N，總重110 kg。其中底架為方鋼焊接，組成鉸鏈機構中的下臂桿材料為無縫鋼管，上框架為鋁合金，弓頭主要有石墨磨損件以及鋁托架組成。本文通過SolidWorks軟件對受電弓進行建模，圖2為建模圖，表1為TSG15B型受電弓主要參數表。

2 受電弓動態特性仿真

碳滑板作為受電弓受流系統的重要組成部分，與接觸網通過滑動摩擦直接接觸，將接觸網的25 kV單相工頻交流電導入機車，所以弓網之間的可靠接觸是列車安全穩定的重要因素。由于碳滑板與接觸網的接觸方式屬于動態接觸，碳滑板的工作狀況與接觸壓力直接相關，接觸力的大小主要通過升弓氣囊壓力控制，還受到列車在高速運行時的空氣阻力、軌道不平順力等。當弓網的接觸壓力不均勻時，很容易造成碳滑板的損傷，為了降低由于磨損造成的碳滑板損傷破裂，將接觸網線設置為“之”字形，可以使碳滑板的磨耗大幅降低。

據鐵路相關單位的檢修數據統計，有超過48%的受電弓在運行過程中出現過裂紋故障，在動車組受電弓的故障數據統計中，這一比例甚至＞50%。其主要原因為受電弓工況運行環境復雜多變，常因為受到接觸網壓力的動態變化、軌道不平順因素，以及外部環境變化等情況，造成受電弓碳滑板產生偏磨、掉塊、裂紋等，此類故障對于機車的安全行駛造成了較大的影響，其中裂紋缺陷較為常見。

通過分析研究機車的運行狀態，發現當碳滑板出現裂紋故障時，裂紋區域的接觸剛度會發生明顯的變化。要探究裂紋產生的時變剛度特性對于弓網接觸關系的動態響應，需考慮建立碳滑板裂紋狀態下造成時變接觸剛度的弓網耦合動力學模型，再通過動力學模型相關的計算求解方法，求出受電弓在列車正常運行時速下，裂紋碳滑板的時變剛度特性對于弓網振動的動力學行為。如圖3、圖4所示。在計算之前，需求得TSG15B型受電弓模型各個部件的剛度以及阻尼參數。

將建立的TSG15B型受電弓三維實體模型進行網格劃分，根據實際情況設置材料密度屬性、彈性模量等，如表2所示。本文采用Solidworks三維軟件建立受電弓模型，并通過應力分析模塊求解其剛度、阻尼等參數。如圖5～10及下頁表3所示。

3 受電弓碳滑板裂紋故障分析

3.1 裂紋故障下的弓網模型數值求解

為了探究碳滑板裂紋處與接觸網的時變接觸特性，將裂紋以時變剛度函數的形式引入數學模型中，可以通過函數關系式的形式表示裂紋與接觸網接觸狀況。建立質量塊模型，省略次要部分，將受電弓的主要部件簡化為等效彈性質量塊，在建立動力學模型時，僅考慮弓網接觸在豎直方向的振動位移。將受電弓的弓頭、上框架、下臂桿分別簡化為三個等效的質量塊，如圖11所示。

受電弓弓頭由于存在裂紋缺陷，由模型可以看出其屬于非瑞利阻尼模型，質量矩陣與剛度矩陣不具有正交性，并且由于接觸網與碳滑板為“之”字形的運行方式，接觸網與裂紋可以采用分段線性的方式將碳滑板裂紋模型分為接觸區域與非接觸區域，其周期性接觸區域可以通過一個時變間隙函數進行描述。

因為裂紋與接觸網發生周期性接觸，在模型中表現為時變剛度K₂，與質量塊M₁發生時變接觸，由牛頓第二定律可表示出系統的矩陣表達式：

接觸網與碳滑板裂紋是否發生接觸的判定條件為：

式中：k′₂（x₂-x₃+D₁+D₂）——接觸網與碳滑板裂紋接觸時的接觸剛度。

矩陣表達式（1）中的P（t）可表示為：

3.2 裂紋故障下的弓網接觸系統Simulink仿真

通過Simulink軟件對受電弓的弓頭、上框架、下臂桿進行仿真分析，裂紋深度設為1 mm，選取步長為h=2π÷ω÷100，設定機車速度為120 km/h，選取裂紋激勵頻率ω為0.36，振幅為0.12。圖12～17為弓頭、上框架、下臂桿的位移及速度時間歷程圖。

由圖12～17可知，當機車以120 km/h的速度運行時，碳滑板裂紋對于受電弓產生的周期性沖擊信號較為明顯，裂紋缺陷會對機車受電弓主要部件造成周期性的低幅高頻振動，振動幅度約為0.2 mm。受電弓弓頭振幅與上框架振幅都在13.8～14 mm，基本保持同步，下臂桿振幅位移略微滯后，在14.5～14.7 mm。

通過弓頭、上框架、以及下臂桿的速度時間歷程圖可以看出，機車在運行過程中，碳滑板裂紋缺陷對于受電弓的速度沖擊特性較為明顯，振動的頻率以及振幅明顯增高，弓頭的振動幅度在10 mm左右，上框架的振動幅度在5～6 mm左右，下臂桿的振動幅度在2 mm的范圍內。

4 結語

本文以TSG15B型受電弓為例，建立了以弓頭、上框架、下臂桿為主的彈性質量塊模型，通過軟件建模并進行應力分析得到了弓頭、上框架、下臂桿的剛度以及阻尼，并通過牛頓力學定律建立了受電弓在弓網接觸狀態下的力學方程，通過龍格-庫塔法對方程進行數值求解。同時，通過Simulink仿真軟件分別對受電弓各個部件的位移速度進行數值分析，得到了受電弓弓頭、上框架、下臂桿的速度、位移時間歷程圖。通過對圖像進行對比分析，可以得到列車在工況速度運行過程中受電弓在裂紋故障狀態下各個部件的幅頻響應。

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