第6章-动车组受电弓-6.5动车组受电弓强度分析

6.5动车组受电弓强度分析第6章

动车组受电弓6.5.1受电弓材料及设计参数6.5.2受电弓承受的载荷6.5.3受电弓有限元模型建立6.5.4受电弓静强度分析6.5.5受电弓疲劳强度分析1.理解什么是受电弓强度分析2.知道相关设计方法以及工具3.了解受电弓静强度分析方法4.了解受电弓疲劳强度分析方法学习目标学习知识点第6章动车组受电弓强度分析的定义定义：强度分析是指材料或结构在外部载荷的作用下，所能抵御破坏（断裂）或显著变形的能力。疲劳强度分析则关注受电弓在长期循环载荷下的耐久性，预防因小于屈服强度的交变载荷持续作用而引起的破坏，提升运行可靠性。静强度分析确保受电弓在静态载荷下不会发生破坏，从而保障结构的安全性。通过全面的强度分析，可以确保动车组受电弓在各种工况下都能保持优异的性能，保障列车的安全运行。受电弓疲劳裂纹受电弓强度分析，包括静强度分析和疲劳强度分析第6章

动车组受电弓6.5.1受电弓材料及设计参数1.受电弓使用环境1)环境温度：-40℃~+70℃。2)最大相对湿度：95%(该月月平均最低温度为25℃)。3)电磁兼容性：带有电子控制模块的开环控制阀板应满足GB/T

24338.1—2009电磁兼容性要求。4)振动与冲击：满足标准GB/T

21563

1类A级。5)风速：最大风速一般年份15m/s，偶有33m/s。6)运行环境：有风、沙、雨、雪天气，偶有盐雾、酸雨、沙尘暴等现象。特殊使用环境：长期持续盐雾现象。第6章

动车组受电弓6.5.1受电弓强度分析2.受电弓疲劳设计准则1)GB/T21561.1轨道交通机车车辆受电弓特性和试验；2)GB/T21563轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验(IEC61373，JDT)；3)TB/T3271—2011铁路应用受流系统受电弓与接触网相互作用（EN50367&IEC62486，MOD）；4)EN50317铁路设备集电系统受电弓和接触线之间动态相互作用的模拟确认；5)EN50119电气化铁道接触网设计、施工及验收标准。3.RAMS和LCC要求(1)RAMS目标：在正常使用条件下，受电弓结构(框架、底架)的使用寿命为36x105km或30年，以先到为准。(2)LCC要求：具有较低的全寿命成本。第6章

动车组受电弓6.5.1受电弓强度分析4.CED160PK型受电弓主要部件的材料参数CED160PK型受电弓主要部件的材料参数如表所示。部件材料弹性模量(MPa)泊松比密度(g/cm3)屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)底架碳钢2.1×1050.277.9>210>490下臂碳钢2.1×1050.277.9>210>490上臂铝合金7.1×1040.332.7>125>250下导杆不锈钢2.1×1050.277.9>210>450上导杆碳钢2.1×1050.277.9>210>490弓头铝合金7.1×1040.332.7>125>250碳滑板浸金属1.27×1040.32.2——铝托铝合金7.1×1040.332.7>125>250弓头钢丝支架不锈钢2.1×1050.277.9>210>450弓头支架铝合金7.1×1040.332.7>125>250弓角钛合金1.17×1050.344.5>370>1100第6章动车组受电弓6.5.2受电弓承受的载荷高速受电弓在列车运行中主要载荷有：弓网接触力和空气阻力。弓网接触力为受电弓和接触网之间的相互作用力，垂向作用于受电弓碳滑板上；空气阻力为受电弓高速运行时，空气对受电弓各部件的阻力，方向为与运行方向相反的纵向。1.弓网接触力当运行速度小于200km/h时，弓网平均接触力Fm范围为当运行速度大于200km/h时，弓网平均接触力Fm范围为弓网接触力标准差σ为弓网最大接触力Fmax为第6章动车组受电弓6.5.2受电弓承受的载荷高速受电弓在列车运行中主要载荷有：弓网接触力和空气阻力。弓网接触力为受电弓和接触网之间的相互作用力，垂向作用于受电弓碳滑板上；空气阻力为受电弓高速运行时，空气对受电弓各部件的阻力，方向为与运行方向相反的纵向。2.空气阻力气阻力与物体的迎风面积和速度的平方成正比，受电弓空气阻力计算公式如下第6章动车组受电弓6.5.3受电弓有限元模型建立建立受电弓有限元模型时，只要是对受电弓整体刚度及局部强度有贡献的结构，都予以考虑。为了计算的准确性，模型构成以任意四节点薄壳单元为主，同时还使用部分三节点薄壳单元、八节点实体单元和四节点实体单元。受电弓整体有限元模型图第6章动车组受电弓6.5.4受电弓静强度分析1.评定标准按照工况进行加载，计算所有工况下受电弓各个部件许用强度与VonMises应力的比值，即安全系数不得小于1。运行工况许用强度取材料屈服强度；冲击工况许用强度取材料抗拉强度。2.受电弓边界条件本次强度计算的边界条件为：四个绝缘子固定约束，如图所示。绝缘子固定约束图第6章动车组受电弓6.5.4受电弓静强度分析3.静强度计算载荷工况(1)工况1CED160PK计算载荷工况如表所示，其中X方向为列车运行方向，Y方向为横向，Z方向为垂向。CED160PK受电弓工况1载荷载荷加载位置X(N)Y(N)Z(N)弓网接触力碳滑板-60±60-300空气动力弓头-61.3—-3上臂-12.9—-3下臂-11.98—-6第6章动车组受电弓6.5.4受电弓静强度分析3.静强度计算载荷工况(2)工况2CED160PK受电弓工况2载荷载荷加载位置X(N)Y(N)Z(N)弓网接触力碳滑板-70±70-300空气动力弓头-60.60—12.21上臂-15.44—-2.53下臂-17.97—6.91(3)工况3载荷加载位置X(N)Y(N)Z(N)弓网接触力碳滑板-70±70-300空气动力弓头-61.3—-3上臂-12.9—-3下臂-11.98—-6第6章动车组受电弓6.5.4受电弓静强度分析3.静强度计算载荷工况(4)工况4CED160PK受电弓工况4载荷载荷加载位置X(N)Y(N)Z(N)弓网接触力碳滑板-70±70-300空气动力弓头-61.3—-3上臂-12.9—-3下臂-11.98—-6(5)工况5载荷XYZ冲击载荷±50m/s2±30m/s2±30m/s2(6)工况6载荷Y横向力300N第6章动车组受电弓6.5.4受电弓静强度分析4.受电弓静强度分析结果受电弓在横向力300N的作用下，最大横向位移为4.40mm，偏移量如图所示。满足GB/T21561.1—2018标准中规定的不大于30mm要求。(1)横向刚度分析结果电弓横向位移云图第6章动车组受电弓6.5.4受电弓静强度分析4.受电弓静强度分析结果各工况载荷作用下，给出第5工况受电弓整体和局部的VonMises应力云图如图所示(图中应力单位为MPa)(2)静强度分析结果分析结果受电弓整体VonMises应力分布云图导杆整体VonMises应力分布云图第6章动车组受电弓6.5.5受电弓疲劳强度分析1.评定标准受电弓疲劳评估时：对各工况进行有限元数值模拟，得到评估部位的主应力变化范围。利用相关公式计算累计损伤，累积损伤小于1，则认为结构合格。或主应力变化范围远小于材料的疲劳极限，则认为结构合格。2.受电弓边界条件本次强度计算的边界条件为：四个绝缘子固定约束，如图所示。绝缘子固定约束图第6章动车组受电弓6.5.5受电弓疲劳强度分析3.疲劳强度计算载荷工况在列车正常运行过程中，CED160PK受电弓疲劳失效主要受弓网接触力载荷与结构惯性影响。根据弓网接触力的作用位置，受电弓疲劳强度计算主要分为线路实测载荷谱工况与随机振动工沉，如表所示。CED160PK受电弓疲劳载荷工况载荷工况载荷类型加载位置载荷类型工况1弓网接触力碳滑板中心线路试验载荷谱工况2振动疲劳受电弓整体结果结构惯性ASD谱第6章动车组受电弓6.5.5受电弓疲劳强度分析3.疲劳强度计算载荷工况根据雨流计数法分析CED160PK受电弓开口和闭口运行时弓网接触力载荷谱，弓网接触力及循环次数见表所示，按照1800万受电弓设计公里数进行疲劳累积损伤评估。网接触力幅值及循环次数(闭口)载荷幅值/N循环次数/次3.6615510.982518.311125.632432.955340.271747.59154.911载荷幅值/N循环次数/次3.031499.094315.151121.211027.273933.334539.391245.451弓网接触力幅值及循环次数(开口)第6章动车组受电弓6.5.5受电弓疲劳强度分析4.受电弓疲劳强度分析结果根据疲劳载荷分别对各部位母材及焊缝区域进行疲劳强度评估，结果如表所示。CED160PK受电弓线路实测载荷谱疲劳计算结果部位FAT疲劳累计损伤图号开口运行闭口运行总损伤底架母材160图6-27a1.21×10-109.41×10-112.15×10-10底架焊缝63图6-28b1.64×10-71.28×10-72.92×10-7下臂母材160图6-30a6.11×10-104.79×10-101.09×10-9下臂焊缝63图6-30b5.31×10-84.18×10-89.49×10-8上臂母材80图6-32a1.61×10-81.27×10-82.88×10-8上臂焊缝128图6-32b5.35×10-64.14×10-69.48×10-6上臂焊缝228图6-32c1.31×10-41.02×10-42.33×10-4上臂焊缝328图6-32d6.60×10-45.17×10-41.18×10-3上导杆160图6-333.71×10-63.13×10-66.84×10-6下导杆160图6-348.40×10-76.55×10-71.50×10-6弓头铝材80图6-36a1.31×10-71.02×10-72.33×10-7钛合金疲劳强度极/MPa图6-36b最大应力幅值/MPa11000.16第6章动车组受电弓6.5.5受电弓疲劳强度分析4.受电弓疲劳强度分析结果依据线路试验加载运行下的疲劳工况，分析第一主应力与第三主应力数值大小并进行疲劳评估。焊缝结构根据其形状和受到载荷的形式在IIW标准中选取合适的FAT值，其中结构相似的焊缝，只对应力幅值最大的焊缝进行评价，钛合金材料根据疲劳极限评价。