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高速受電弓是高速動(dòng)車組的重要部件，對動(dòng)車組的安全、穩(wěn)定、良好運(yùn)行具有重要影響，弓頭和滑板又是高速受電弓的重要部件，具有與接觸網(wǎng)接觸受流、緩解弓網(wǎng)沖擊的重要功能，下面對其進(jìn)行詳細(xì)的有限元分析。
南車株洲電力機(jī)車有限公司生產(chǎn)的TSG19系列高速受電弓主要運(yùn)用于國內(nèi)CRH2C，CRH3C和CRH380A等型高速動(dòng)車組，其弓頭和滑板之間由滑板連接座連接，滑板連接座在弓頭上的安裝，滑板連接座的故障，將導(dǎo)致滑板與弓頭脫離的風(fēng)險(xiǎn)，直接影響弓頭、受電弓甚至動(dòng)車組的正常運(yùn)用。
根據(jù)2010年5月至2011年7月間在100列CRH2C，CRH380A型動(dòng)車組上的運(yùn)用統(tǒng)計(jì)，由于裂紋故障。滑板連接座更換達(dá)235起，對受電弓的正常運(yùn)用造成較大影響。
在歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50367：2002中，對弓網(wǎng)間接觸壓力平均值提出一要求，即為弓網(wǎng)間接觸壓力平均值不大于F+0.00097xvZ，但沒有確切值要求。且接觸壓力直接影響著受流質(zhì)量，過大會增大弓網(wǎng)間機(jī)械磨耗，過小卻會引起拉弧，燒蝕接觸線與碳滑板，為了獲得最佳的弓網(wǎng)匹配關(guān)系，建立受電弓、接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行仿真計(jì)算。接觸壓力最大值隨著接觸壓力平均值增大而顯著增大，最小值先增大后減小至零，因而建議接觸壓力平均值范圍為70-100 N。
高速受電弓與接觸網(wǎng)靜態(tài)接觸壓力設(shè)定在(90±15)N，TSGI9A高速受電弓與接觸網(wǎng)靜態(tài)接觸壓力設(shè)定在(80±15)N，總接觸壓力一般不超過300 N。一般單個(gè)滑板連接座受接觸壓力不大于150 N。
滑板連接座的在段運(yùn)行故障及疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，裂紋故障均位于上下連接板的焊縫結(jié)合處，分析認(rèn)為焊接熱循環(huán)導(dǎo)致的局部熱應(yīng)力集中是降低滑板連接座強(qiáng)度的重要原因，調(diào)整焊接方式，改善焊接熱應(yīng)力是提高滑板連接座強(qiáng)度的有效方法。
對原型滑板連接座進(jìn)行建模，并進(jìn)行有限元分析。計(jì)算邊界條件為：約束螺栓孔三向平動(dòng)位移。中間安裝孔施加200 N垂直方向的壓力，這一壓力值大于接觸壓力，所以分析結(jié)果應(yīng)該遠(yuǎn)比實(shí)際的大。連接座材料為不銹鋼材料，其網(wǎng)格與應(yīng)力分布如圖所示。從分析結(jié)果看出最大應(yīng)力215.143 MPa。滑板安裝孔附近具有明顯的應(yīng)力集中，在外界交變應(yīng)力作用下，應(yīng)力集中處極易發(fā)生裂紋并直至斷裂。
為了解決以上出現(xiàn)的問題，防比滑板連接座開裂，必須改變材料或結(jié)構(gòu)，減小應(yīng)力與應(yīng)力集中，現(xiàn)提出如下三種解決方案。1)方案一：結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加連接板后的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和應(yīng)力。從圖中可以看出，增加連接板后，結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布變得均勻，應(yīng)力幅值明顯下降，計(jì)算最大應(yīng)力115.054 MPa，僅有原來的53.5%。焊縫處應(yīng)力比較集中。2)方案二：優(yōu)化結(jié)構(gòu)，在增加連接板的基礎(chǔ)上，在側(cè)而增加焊縫后的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和應(yīng)力。從圖中可以看出，增加焊縫后，應(yīng)力分布變得均勻，應(yīng)力幅值明顯下降，計(jì)算最大應(yīng)力90.374 MPa，僅有原來的42.0%。焊縫處應(yīng)力分布也比較均勻。3)方案三：優(yōu)化結(jié)構(gòu)，延長支架后的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和應(yīng)力。可以看出，延長支架后，應(yīng)力幅值明顯下降，計(jì)算最大應(yīng)力68.421 MPa，僅有原來的31.8%，但是焊縫處應(yīng)力分布比較集中。
對比三種優(yōu)化改進(jìn)方案分析結(jié)果，第一種和第三種方案焊縫處相對有明顯的應(yīng)力集中，第二種方案與前兩者相比，分析結(jié)果較為理想，應(yīng)力幅值較小，應(yīng)力分布比較均勻。故應(yīng)采用第二種優(yōu)化方案，這樣能更有利于性能的提升，減少事故的發(fā)生，故障率有了可觀的降低，更加適應(yīng)了實(shí)際線路的運(yùn)營環(huán)境，同時(shí)可滿足更高速度的運(yùn)營要求。
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