摘要：科技在不断的快速发展，社会在不断的进步，为研究弓头悬挂结构对受电弓性能的影响，基于不同弓头悬挂结构的受电弓，搭建了刚性接触网条件下的弓网系统动力学耦合模型，对弓网接触力等进行仿真分析，对比不同弓头悬挂结构对弓网受流性能的影响。基于模态及振动理论，对不同弓头悬挂结构受电弓弓网受流性能的差异进行辨识。通过强度理论及机械结构概率设计方法，对相同工况下不同弓头悬挂结构的受电弓强度及可靠性进行分析。
关键词：受电弓；悬挂；性能；分析
引言
地震是一种危害性很大的自然灾害,在地震区对建筑物进行抗震设计意义重大,如何减小地震给建筑物造成的损坏,传统的方法是提高结构构件的刚度、强度和延性,但这种方法已被证明有许多的不足之处。悬挂结构体系具有良好的抗震性能已在工业建筑结构中得以证实,日本的新泻地震和十胜冲地震都有悬挂锅炉受到冲击,但都不曾发生严重的破坏,因此悬挂结构动力性能及减震性能的分析研究引起了国内学者的广泛重视,本文考虑框架悬挂结构吊点铰结的形式,对其动力特性和减震性能进行分析。
1弓头悬挂结构特征分析
受电弓作为城市轨道交通车辆上重要的受流装置，其结构差异会直接影响弓网间相互作用关系。受电弓主要由滑板、弓头悬挂结构、上框架、平衡杆、下框架、拉杆、底架等组成，如图1所示。常见的弓头悬挂结构主要包括橡胶弹簧悬挂、斜拉弹簧悬挂、板簧悬挂、弹簧筒悬挂，如图2所示。弹簧筒悬挂基于外部套筒作用，可以有效控制弹簧垂向振动的方向。板簧悬挂主要利用金属板材的柔性特点来模拟弹簧的垂向振动。斜拉弹簧悬挂可以控制弓头在指定方向上的振动程度。橡胶弹簧悬挂具有刚度非线性的特点，随着振动程度的变化，刚度会产生变化。由于城市轨道交通车辆的受电弓弓头悬挂结构主要采用弹簧筒悬挂和板簧悬挂，因此笔者重点对比分析弹簧筒悬挂和板簧悬挂这两种弓头悬挂结构对受电弓性能的影响。为便于描述，笔者将弓头悬挂结构为弹簧筒悬挂的受电弓定义为A型受电弓，将弓头悬挂结构为板簧悬挂的受电弓定义为B型受电弓。
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图1受电弓结构
2弓头悬挂结构对受电弓性能的影响分析
2.1框架悬挂结构地震作用力的计算
框架悬挂结构的地震作用力计算方法为先按照普通框架结构求解水平地震作用力的方法求出各个振型下作用于主体结构各集中质量的水平地震作用力标准值和作用于相应悬挂楼层的地震力标准值,然后将作用于悬挂楼层的地震力叠加到主体结构的相应质量上,即得作用于悬挂结构该集中质量上的地震力。
2.2弓头悬挂子系统建模
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图2受电弓接触力频谱
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图3A型受电弓整体模态振型
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图4B型受电弓板簧结构模态振型
ＤＳＡ Ｘ型受电弓结构包括弓头装配和框架装配２部分．弓头装配主要由２块碳滑板和弓头支架２部分组成．碳滑板两端分别通过一根有预拉伸的横向弹簧与弓头支架连接．当在碳滑板上施加作用力时，中心的旋转轴转动同时沿轴向拉长，从而实现碳滑板的垂向运动．弓头悬挂结构是受电弓系统最为关键的部件，本文以该子系统为研究对象，揭示其在考虑刚度非线性时会出现的非线性现象．基于弓头悬挂系统的对称性，仅考虑由单根横向弹簧所组成的悬挂结构．
2.3受流性能差异分析
为研究A型受电弓与B型受电弓前后滑板接触力相位差异产生的原因，对A型受电弓与B型受电弓的接触力频谱进行分析，如图2所示。由图2可见，刚性接触网跨距激励会对受电弓存在4.15Hz、8.30Hz、12.45Hz、16.43Hz等频率激励，其中4.17Hz为刚性接触网的跨距频率。对A型受电弓与B型受电弓的各阶模态进行仿真计算，可以得到0～20Hz范围内两种受电弓的模态频率，见表2。由表2可以看出，刚性接触网跨频4.17Hz与A型受电弓仿真计算得到的模态频率4.76Hz及B型受电弓仿真计算得到的模态频率4.96Hz相近，可能产生共振现象，而刚性接触网跨频的倍频与两种受电弓并没有明显激励。A型受电弓在模态频率为4.76Hz时的受电弓整体模态振型如图3所示，B型受电弓在模态频率为4.96Hz时的板簧结构模态振型如图4所示。由图8可以看出，A型受电弓在模态频率4.76Hz附近的模态振型为弓头滑板与框架垂向反向振动，前后滑板振动相位相同。由图9可以看出，B型受电弓在模态频率4.96Hz附近时，板簧结构呈现类似正弦波的振型，在这一频率下，两个板簧振动形式相同，均为同相位正弦波，与滑板弓头支架连接的板簧端部相对平衡位置分别有上下不同程度的偏移，导致前后滑板接触力具有一定的相位差。可见，接触网跨频与受电弓自身的固有模态属性，对弓网匹配的优劣有较大影响。综合上述分析，可知当考虑受电弓除弓头悬挂结构以外的部件为刚性体时，弹簧筒悬挂结构的弹簧自由度被限制，只能沿弹簧套筒上下方向运动，因此自由度较少，模态成分较简单。板簧悬挂结构利用板簧结构的柔性起到弹性悬挂作用，但由于所研究的B型受电弓板簧结构形式简单，存在多方向自由度，因此模态成分较为复杂，造成前后滑板磨损更大。可见，为减小对弓网受流的影响，需要对B型受电弓板簧结构进行进一步调整，以减少模态成分，使B型受电弓更好地匹配相应的弓网系统。
结语
本文以ＤＳＡ Ｘ型受电弓为研究对象，建立弓头悬挂子系统的非线性动力学模型，并研究其在周期和随机组合激励下的随机动力学特性．通过研究发现：（１）该型号受电弓弓头悬挂刚度存在强非线性，非线性刚度可以根据受电弓的结构参数计算获得．低速运行时弓头滑板振幅较小，刚度非线性可以忽略；随着列车速度的提高，刚度非线性的影响逐渐显现．（２）在接触压力激扰下，弓头滑板的稳态响应出现随机跳跃．２种较大可能运动状态之间的频繁过渡不仅会影响列车电能的稳定获取甚至会导致受电弓结构的疲劳断裂引发弓网故障．（３）非线性刚度对弓头悬挂子系统的动力学特性具有重要影响．随着非线性强度系数的变化，弓头滑板响应的随机跳跃会产生、消失或跳跃活跃度也发生变化，即随机跳跃产生分岔．随机跳跃和分岔现象在现有文献中极少涉及，本文的研究在一定程度上可为高速受电弓的结构优化提供新思路．实际上，弓头悬挂子系统的动力响应还依赖于接触网和受电弓框架的运动，本文的研究还可为接下来更深入的讨论奠定基础．弹簧筒悬挂受电弓与板簧悬挂受电弓在强度分析中应力分布的主要差异体现在弓头悬挂处。在静强度可靠性计算中，板簧悬挂的可靠性较低，且两种弓头悬挂结构的受电弓中，上框架、下框架、底架的安全性较低。传统的静强度分析方法过于保守，因此在受电弓静强度分析时还需要考虑弓网接触压力的正态分布特性。
参考文献
［1］杨红娟．振动对弓网电滑动摩擦磨损性能影响的试验研究［D］．成都：西南交通大学，2014．
［2］杨红娟，胡艳，陈光雄．受电弓滑板载流磨损机理演变过程试验研究［J］．西南交通大学学报，2015，50（1）：77-83．
［3］宋冬利，江亚男，张卫华.滑板磨耗对受电弓系统服役性能的影响研究［J］.西南交通大学学报，2017，52（3）：450-457.
［4］李瑞平，周宁，张卫华，等.受电弓气动抬升力计算方法与分析［J］.铁道学报，2012，34（8）：26-32.
［5］王江文，梅桂明，李瑞平，等.弓网相互作用时受电弓关键部件动载荷研究［J］.铁道学报，2018，40（3）：68-75.
论文作者:李云波
论文发表刊物:《基层建设》2019年第27期
论文发表时间:2020/1/2
标签：结构论文; 滑板论文; 弹簧论文; 刚度论文; 模态论文; 性能论文; 板簧论文; 《基层建设》2019年第27期论文;