城市轨道交通动车组受电弓上框架结构设计方案优化*

王俭朴 邹 钰

(南京工程学院汽车与轨道交通学院，211167，南京//第一作者，副教授)

受电弓作为城市轨道交通动车组的受流装置，承担着机车车辆与供电接触网之间传递电能的一个中介作用。受电弓通过与接触网发生直接接触，将电流引入到动车组来提供车辆牵引系统和辅助系统所需要的电能；同时车辆再生制动产生的电能也可以通过受电弓回馈到线网进行再次利用。受电弓的受流性能将会直接影响到电流的可靠性以及车辆的运行情况，进而影响到城市轨道交通车辆的整体运行品质。因此，研究受电弓在运行中的接触受流问题,成为发展我国城市轨道交通的当务之急。

1 受电弓的基本结构与模型的建立

1. 1 受电弓的基本结构

受电弓主要由滑板、活动构架、底架及传动机构等主要部件组成。

在车辆运行过程中，受电滑板在滑动的同时接收供电网的电能。在受电滑板的设计中，为提高导电性并且减少接触磨耗，通常会采用石墨和钛合金等材料。活动构架使受电滑板具有一定的自由度，以确保其较好的追随性。 受电弓的底架用以支撑框架，且经由轴承与下方的撑杆连接。底架上有时还安装铜接线排，与车辆主电源的电缆相连。在受电弓的升降过程中，传动机构的初始运动要尽量快，终了运动则要放慢，其目的是：升弓时防止弓头对线网产生太大的冲击，降弓时可使其迅速断电以避免对底架造成太大的冲击。

1. 2 受电弓模型的建立

受电弓整体结构较繁杂,但就其框架部分而言,因仅下臂杆有一个自由度，所以只要明确其运动状况,便可得知受电弓其他部件的运动状况。参考各个部件的约束关系,逐个进行装配,最终得到受电弓的整体结构。将受电弓的升弓状态进行简化，得到其空间结构模型如图1所示。

为了方便，可将垂直于主轴的对称面作为一个基准面，将受电弓的各个部件朝这个平面进行投影，并且将各铰链之间的连接简化成为杆件，用于运动分析。

图1 受电弓的空间结构模型

1. 3 受电弓的几何运动关系

图1的结构模型中，设A点为坐标原点。参考坐标和夹角的关系，得到A、B两点之间的距离lAB以及A、B两点连线与水平面的夹角ε：

(1)

在ΔADB中，通过余弦定理，得到A、D两点之间的距离lAD:

(2)

式中：

α——直线CA与x轴的夹角。

此外，城乡规划还有点瑕疵，还需整理。例如：大道两侧还有居民区，斑块农田路、渠、林散乱等。同时，耕地的多重功能作用宣传力度不足，特别是农作物具有生态氧吧的作用没有及时做好宣传。

根据三角形的内、外角关系，得到直线DE和D点平行于x轴直线的夹角γ：

在ΔABD和ΔCAD中，参考余弦定理，得到直线BD和过B点平行于x轴直线的夹角β:

(4)

由图1中的几何关系，可得到E、G点的坐标：

进而可得出E、G两点之间的长度lEG：

(7)

此外，在ΔEGF中，参考余弦定理，结合夹角与坐标之间的关系，得到直线GF和过G点平行于x轴直线的夹角λ：

根据图1中的几何关系，进而得到F点的坐标:

(9)

参考夹角与坐标之间的关系，得到平衡臂与水平方向之间的夹角μ：

(10)

2 受电弓上框架结构设计方案优化

受电弓的上框架是铝合金材质的框架结构，通过轴承分别同拉杆、下臂杆和弓头进行连接。铝合金焊接结构的形式不仅可以很好地减小升弓阻力，又因其材质是7000系铝合金，所以质量较轻。车辆受电弓的故障大多是由上框架的设计结构问题而引发的。本文利用UG软件对受电弓上框架结构进行有限元分析，并对该结构进行了优化。

2. 1 受电弓上框架的原始框架结构

受电弓上框架的原始结构为四边形，其顶管轴与弓头铰接，下方的短轴与下臂杆连接，上框架结构承担着重要的作用，所以其结构的稳固性和强度至关重要。在受电弓升弓状态下，对顶管轴分别施加125 N和300 N的垂向压力(根据EN 50119的相关要求，速度低于200 km/h的直流车辆，其受电弓弓头与接触网线之间接触压力的范围为0～300 N)，该压力通过整个上框架结构传送至与下臂杆连接的短轴。通过分析计算后得到施加125 N和300 N压力时的受电弓上框架结构的应力云图，如图2～3所示。

由图2～3可知：当施加压力125 N时，整个框架结构的最大应力为9.31 MPa；当施加300 N时，整个框架结构的最大应力为24.28 MPa。基于原方案，提出了方案1～4等4个优化方案并进行力学分析。

图2 原方案在施加125 N时上框架结构应力云图

图3 原方案在施加300 N时上框架结构应力云图

2. 2 方案1及其力学分析

方案1对受电弓上框架结构进行了一定的加强，在横向上增加了两根上凸的加强杆。凸起的结构是为了在底架上保留安装气囊和气阀箱的空间。

在升弓状态下对顶管轴分别施加125 N和300 N垂向压力，该压力会通过整个上框架结构传送至与下臂杆连接的短轴。通过分析计算后得到受电弓上框架结构的应力云图，如图4～5所示。

图4 方案1在施加125 N时上框架结构应力云图

图5 方案1在施加300 N时上框架结构应力云图

由图4～5可知：当施加压力125 N时，整个框架结构的最大应力为9.06 MPa；当施加压力300 N时，整个框架结构的最大应力为24.15 MPa。

2. 3 方案2及其力学分析

方案2分析的是南京地铁所使用的受电弓的上框架结构，旨在通过安装对角线杆来增强受电弓上框架的结构刚度。方案2不仅减轻了上框架结构整体质量，而且还在很大程度上加强了其弓网的跟随性。

在升弓状态下对顶管轴分别施加125 N和300 N的垂向压力，该压力会通过整个上框架结构传送至与下臂杆连接的短轴。通过分析计算得到受电弓上框架结构的应力云图，如图6～7所示。

图6 方案2在施加125 N时上框架结构应力云图

图7 方案2在施加300 N时上框架结构应力云图

由图6～7可知：当施加压力125 N时，整个框架结构的最大应力为10.09 MPa；当施加压力300 N时，整个框架结构的最大应力为24.22 MPa。

据调查，南京地铁2号线正线部分的供电网线采用的是刚性接触形式。由于车辆的最高运行时速可以达到80 km/h，这就对受电弓结构的强度提出了很高的要求。

在检修维护过程中，工作人员发现了上框架结构产生多种开裂情况，其原因在于：车辆在运行过程中受电弓会发生振动，并且接触网本身也会产生波动，此时弓头在横向和垂向将受到各种作用力，且力的作用时间较短，能量来不及传送，所以这些力就会直接作用在上框架结构上。因此，对于这种上框架结构，还需要采取一定的措施来进行完善。

2. 4 方案3及其力学分析

方案3对上框架结构亦作出了一定的优化，具体优化如下：在一定角度的斜面上，两边对称地设置三角形加强杆，并且将两个三角形加强杆连接在一起。在工程应用上，三角形结构具有良好的稳固性和不易变形性，所以在上框架结构的设计中借鉴了该结构，用于加强上框架结构的稳固性。

在升弓状态下对顶管轴分别施加125 N和300 N的垂向压力，该压力通过整个上框架结构传送至与下臂杆连接的短轴。通过分析计算得到受电弓上框架结构的应力云图，如图8～9所示。

图8 方案3在施加125 N时上框架结构应力云图

图9 方案3在施加300 N时上框架结构应力云图

由图8～9可知：当施加压力125 N时，整个框架结构的最大应力为10.71 MPa；当施加压力300 N时，整个框架结构的最大应力为25.70 MPa。

2. 5 方案4及其力学分析

方案4在方案3的基础上，对上框架结构作了进一步优化，具体优化如下：在两边对称的三角形结构中，在三角形的中线处再分别增加1根加强杆。该结构是庞巴迪型号的受电弓所设计的上框架结构。

在升弓状态下对顶管轴分别施加125 N和300 N的垂向压力，该压力通过整个上框架结构传送至与下臂杆连接的短轴。通过分析计算得到受电弓上框架结构的应力云图，如图10～11所示。

图10 方案4在施加125 N时上框架结构应力云图

图11 方案4在施加300 N时上框架结构应力云图

由图10～11可知，当施加压力125 N时，整个框架结构的最大应力为11.12 MPa；当施加压力300 N时，整个框架结构的最大应力为26.69 MPa。

根据上述5种方案，总结受电弓上框架结构的受力情况，如表1所示。

表1 受电弓上框架结构的受力汇总表

3 结语

利用简化方法分析了受电弓的整体结构和运动轨迹，并分析了它的几何运动关系。针对上框架结构，采用有限元分析法验证了其刚度的合理性，并且对其结构进行了优化。分析了4种不同上框架结构优化方案，分析结果表明：方案1中框架结构在不同的受力条件下能承受更大的应力，更能适应车辆运行中各种力的冲击；由于加强杆的尺寸不大，既不会加大受电弓的整体质量，又能给受电弓带来十分稳固的效果。因此，方案1可以作为优选方案。