高速受电弓整体结构特性分析_马果垒
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2 有限元模型的建立
建立模型时既要如实反映受电弓实际结构的重要 力学特性, 又要尽量采用较少的单元和简单的单元形 态, 以保证较高的计算精度及缩小解题规模。本文利 用 Solidworks 根据 DSA380 高速受电弓的设计图纸进行 精确的三维实体建模, 在有限元模型中进行如下转化:
( 1) 弓头悬挂的处理。实际结构中, 碳滑板通过弹 簧悬挂在弓头支撑上, 在 Ansys 中需根据实际结构的 特点, 合理选择刚度。
3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ计算结果分析
3. 1 受电弓横向刚度分析
160
机械强度
2010 年
根据国际电工委员会 IEC 60494 ) 2 标准[ 9] , 在最 高工作位置处支撑受电头的框架部分施加一横向力, 其偏差不能超出规定的数值, 且不会出现永久性变形。 当支撑受电头的框架部分的每侧施加 300 N 的力时, 其位移应符合 IEC 60494 ) 2 中的规定, 如表 1, 表中 E 为受电弓最大工作高度。
高速受电弓一般由弓头、框架、底架和传动机构四
* 20071211 收到初稿, 20080125 收到修改稿。国家/ 973 计划0 项目( 2007CB714701) 、国家自然科学杰出青年基金项目( 50525518) 、创新研究群 体 科学基金项目( 50821063) 资助。
** 马果垒, 男, 1984 年 4 月生, 江苏省徐州市人, 汉族。西南交通大学牵引动力国家重点实验室硕士研究生, 从事弓网系统研究。
底座通过绝缘子固定在车体上, 对受电弓进行有 限元分析时, 需将底座与绝缘子连接处完全约束。气 动升弓装置通过钢丝绳作用于位于下臂杆下部的扇形 板, 实现升弓过程。空气弹簧等效刚度 如图 3。图中 符号含义可以参看有关文献[ 7] 。空气弹簧对受电弓的 动力特性有重要影响[8] , 11-12 而且这种影响是 变化的。 这是因为在不同的工作高度, 空气弹簧的等效刚度是 不同的。
( 1Cr18Ni9T i) 焊接而成。碳滑板安装在弓头支架上, 弓 头支架垂悬在 4 个拉簧下方, 两个扭簧安装在弓头和 上框架间。
图 1 受电弓示意图 Fig. 1 M ap of the pantograph
良好的受流质量对受电弓的结构要求如下, ¹ 受电弓活动部分( 包括弓头) 归算质量要小 º框架的横向偏移量应尽量小 »弓头在机车前进方向上的纵向偏移量应尽量小 ¼ 具有足够的机强度和刚度 本文利用 Solidworks 对 DSA380 高速受电弓进行精 确的三维实体建模, 再通过接口软件将三维模型导入 Ansys 中进行有限元分析( finit element analysis, FEA) , 受电弓有限元分析流程如图 2 所示。
关键词 受电弓 有限元 动态特性 刚度 强度 中图分类号 U225 TB115 Abstract The finite element analysis of the pantograph is important for improving the design and advancing the capability of the products. In order to ensure better current- receiving quality between pantograph and catenary , the wide use of new alloy materials for high- speed pantograph can also cause the deficiency of the mechanical strength and stiffness. How to ensure sufficient mechanical strength and stiffness but small equivalent quality to improve the dynamic behavior of the pantograph catenary system is a serious problem of the pantograph design. In the design procedure of pantograph, the three- dimensional simulative model of the pantograph was set up to check the strength and rigidity , and study on dynamic property , by use of Ansys. Research on dynamic property is to reach optimum design purpose of pantograph structure parameters and control its natural frequencies and modes, so it has a guidance meaning for the design of pantograph. The virtual design of the pantograph was done by use of the finite element analysis. And the whole structure characteristics of the high- speed pantograph are analyzed for the first time. Key words Pantograph; Finite element; Dynamic property; Stiffness; Strength Corresponding author : MA GuoLei, E-mail : maguolei1984 @ yahoo. com. cn, Tel: + 86- 28- 86466319, Fax : + 86- 288760 0868 The project supported by the National Key Basic Research Program of China( No. 2007CB714701) , and the National Science Fund for Distinguished Young Scholars ( No. 50525518) , and the National Science Foundation for Pos-t Doctoral Scientists of China ( No. 50821063) . Manuscript received 20071211, in revised form 20080125.
铁路高速化中, 除了要研制高速机车车辆和线路结构, 还必须研制能够在高速条件下保持良好受流, 并安全 可靠运行的高速受电弓[ 1] 293-336 。
受电弓整体结构分析是高速受电弓设计的重要一 环[ 2-5] 。本文建立受电弓的三维实体模型, 用 Ansys 软 件进行受电弓的横向刚度分析、整体强度分析和动力 特性分析。
20 30 40
DSA380 受电弓最大工作高度大约是 2 900 mm, 将 受电弓升至最高工作高度, 在上框架上端横梁两侧分 别施加 300 N 载荷, 计算结果如图 4。图 4 表明, 当在 上框架上端横梁左侧施加 300 N 载荷时( 图 4a) , 其最 大位移是 24. 825 mm; 当在上框架上端横梁右侧施加 300 N 载荷时( 图 4b) , 其最大位移是 24. 646 mm。最大 位移处都发生在横梁处, 且最大位移基本相等, 都小于 30 mm, 这说明受电弓横向刚度符合设计要求。
1 引言
高速铁路技术在 近 10 年得到突 飞猛进的 发展。 高速受电弓作为高速电力机车上的关键设备, 是弓 ) 网系统的重要组成部分, 一旦弓网接触不好, 将直接影 响弓 ) 网间的受流特性, 进而影响列车的牵引供电性 能; 更加严重的是, 如果受电弓结构在运行中破坏, 不 仅会中断受流, 还常常引起接触网系统的破坏。所以,
3. 2 受电弓整体强度分析 进行受电弓整体强度分析时, 首先确定受电弓整
体的受力情况, 如图 5( Mx 为升弓力矩) 。在列车运行 中, 受电弓除受静压力外, 还有空气动力、弓网相互作 用动态力。弓网间接触力表达式为
F c = F c0 + F a ? Mt a 式中, F c 为弓网接触力, F c0 为受电弓静压力, F a 是空 气动力, M t a 表示弓网动态接触力, M t 为受电弓动态 质量, a 为垂向加速度。为保证良好的受流状态, 要限 制弓网间的接触力。
Journal of Mechanical Strength
2010, 32( 1) : 158- 164
p 研究简报 p
高速受电弓整体结构特性分析*
ANALYSIS OF WHOLE STRUCTURE CHARACTERISTICS OF HIGH- SPEED PANTOGRAPH
马果垒** 张卫华 梅桂明 ( 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室, 成都 610031)
图 3 空气弹簧刚度示意图 Fig. 3 Map of equivalent stiffness of air spring
由于有限元模型中存在弹簧单元, 为保证有限元 分析的正确性, 需要先进行称重计算, 即载荷计算分两 步计算。第一步, 仅施加重力加速度, 进行称重计算; 第二步, 施加实际载荷计算。这样, 在进行有限元计算 时, 才能保证位移计算结果的正确性, 但是其对应力分 布没有影响。
( 2) 底座通过绝缘子固定在车体上, 可以大量简化 底座结构。
( 3) 对受电弓进行强度分析时省略阻尼器和升弓
图 2 受电弓有限元分析流程图 Fig. 2 Flow chart of the FEA of pant ograph
装置。 ( 4) DSA380 高速受电弓大量 采用轻质材 料焊接
而成, 各个杆件 之间通 过铰接 连接 在一起。有 限元 分析时, 完全 按照 实际的 材料属 性和铰 接方式 进行 处理[ 6] 。
MA GuoLei ZHANG WeiHua MEI GuiMing ( Traction Power State Key Laboratory , Southwest Jiaotong University , Chengdu 610031, China)
摘要 受电弓整体结构分析对于改进受电弓的设计, 提高受电弓 的性能, 具有重 要意义。为 保证良 好的受 流质量, 新型 高速受电弓大量采用轻型合金材料制作, 这可能导致 机械强度和刚度的不足。在满足强度与刚度的前提 下, 最大 限 度减 小受电弓归算质量, 以改善弓 ) 网动态性能是受电弓 设计的关键问题。文中结合受电弓的开发过程, 建立三维仿 真 模型 , 利用有限元计算软件 Ansys, 进 行受电弓的强度和刚度校核以 及动力特 性分析。 研究受电 弓动力 特性的 目的在 于 优化其结构, 以控制其模态频率与模态振型, 对受电弓的设计具有指导意义。通过对受电弓有限元分析, 进行 虚拟设计, 首次进行高速受电弓的整体结构特性分析。
第 32 卷第 1 期
马果垒等: 高速受电弓整体结构特性 分析
159
部分组成, 而框架又由摆杆、上臂杆、下臂杆、支撑杆和 平衡杆等杆件组成, 各杆件通过铰接连接在一起, 如图 1 左所示。底架支持框架, 通过绝缘子固定在车顶上, 框架通过升弓装置支持弓头, 传动机构作用于下臂杆 来实现升弓动作。气动升弓装置安装在底座上, 通过 钢丝绳作用于位于下臂杆下部的扇形板, 从而实现升 弓 过 程。 下 臂 杆、上 框 架 和 弓 头 采 用 不 锈 钢
表 1 受电弓弓头横向偏差 Tab. 1 Lateral deviati on of the collector head
伸展范围 Ext ension range
E < 2m 2m [ E < 3m
E \3m
相对中心线的最大位移 Maximum lat eral deviat ion to vertical line Pmm
建立模型时既要如实反映受电弓实际结构的重要 力学特性, 又要尽量采用较少的单元和简单的单元形 态, 以保证较高的计算精度及缩小解题规模。本文利 用 Solidworks 根据 DSA380 高速受电弓的设计图纸进行 精确的三维实体建模, 在有限元模型中进行如下转化:
( 1) 弓头悬挂的处理。实际结构中, 碳滑板通过弹 簧悬挂在弓头支撑上, 在 Ansys 中需根据实际结构的 特点, 合理选择刚度。
3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ计算结果分析
3. 1 受电弓横向刚度分析
160
机械强度
2010 年
根据国际电工委员会 IEC 60494 ) 2 标准[ 9] , 在最 高工作位置处支撑受电头的框架部分施加一横向力, 其偏差不能超出规定的数值, 且不会出现永久性变形。 当支撑受电头的框架部分的每侧施加 300 N 的力时, 其位移应符合 IEC 60494 ) 2 中的规定, 如表 1, 表中 E 为受电弓最大工作高度。
高速受电弓一般由弓头、框架、底架和传动机构四
* 20071211 收到初稿, 20080125 收到修改稿。国家/ 973 计划0 项目( 2007CB714701) 、国家自然科学杰出青年基金项目( 50525518) 、创新研究群 体 科学基金项目( 50821063) 资助。
** 马果垒, 男, 1984 年 4 月生, 江苏省徐州市人, 汉族。西南交通大学牵引动力国家重点实验室硕士研究生, 从事弓网系统研究。
底座通过绝缘子固定在车体上, 对受电弓进行有 限元分析时, 需将底座与绝缘子连接处完全约束。气 动升弓装置通过钢丝绳作用于位于下臂杆下部的扇形 板, 实现升弓过程。空气弹簧等效刚度 如图 3。图中 符号含义可以参看有关文献[ 7] 。空气弹簧对受电弓的 动力特性有重要影响[8] , 11-12 而且这种影响是 变化的。 这是因为在不同的工作高度, 空气弹簧的等效刚度是 不同的。
( 1Cr18Ni9T i) 焊接而成。碳滑板安装在弓头支架上, 弓 头支架垂悬在 4 个拉簧下方, 两个扭簧安装在弓头和 上框架间。
图 1 受电弓示意图 Fig. 1 M ap of the pantograph
良好的受流质量对受电弓的结构要求如下, ¹ 受电弓活动部分( 包括弓头) 归算质量要小 º框架的横向偏移量应尽量小 »弓头在机车前进方向上的纵向偏移量应尽量小 ¼ 具有足够的机强度和刚度 本文利用 Solidworks 对 DSA380 高速受电弓进行精 确的三维实体建模, 再通过接口软件将三维模型导入 Ansys 中进行有限元分析( finit element analysis, FEA) , 受电弓有限元分析流程如图 2 所示。
关键词 受电弓 有限元 动态特性 刚度 强度 中图分类号 U225 TB115 Abstract The finite element analysis of the pantograph is important for improving the design and advancing the capability of the products. In order to ensure better current- receiving quality between pantograph and catenary , the wide use of new alloy materials for high- speed pantograph can also cause the deficiency of the mechanical strength and stiffness. How to ensure sufficient mechanical strength and stiffness but small equivalent quality to improve the dynamic behavior of the pantograph catenary system is a serious problem of the pantograph design. In the design procedure of pantograph, the three- dimensional simulative model of the pantograph was set up to check the strength and rigidity , and study on dynamic property , by use of Ansys. Research on dynamic property is to reach optimum design purpose of pantograph structure parameters and control its natural frequencies and modes, so it has a guidance meaning for the design of pantograph. The virtual design of the pantograph was done by use of the finite element analysis. And the whole structure characteristics of the high- speed pantograph are analyzed for the first time. Key words Pantograph; Finite element; Dynamic property; Stiffness; Strength Corresponding author : MA GuoLei, E-mail : maguolei1984 @ yahoo. com. cn, Tel: + 86- 28- 86466319, Fax : + 86- 288760 0868 The project supported by the National Key Basic Research Program of China( No. 2007CB714701) , and the National Science Fund for Distinguished Young Scholars ( No. 50525518) , and the National Science Foundation for Pos-t Doctoral Scientists of China ( No. 50821063) . Manuscript received 20071211, in revised form 20080125.
铁路高速化中, 除了要研制高速机车车辆和线路结构, 还必须研制能够在高速条件下保持良好受流, 并安全 可靠运行的高速受电弓[ 1] 293-336 。
受电弓整体结构分析是高速受电弓设计的重要一 环[ 2-5] 。本文建立受电弓的三维实体模型, 用 Ansys 软 件进行受电弓的横向刚度分析、整体强度分析和动力 特性分析。
20 30 40
DSA380 受电弓最大工作高度大约是 2 900 mm, 将 受电弓升至最高工作高度, 在上框架上端横梁两侧分 别施加 300 N 载荷, 计算结果如图 4。图 4 表明, 当在 上框架上端横梁左侧施加 300 N 载荷时( 图 4a) , 其最 大位移是 24. 825 mm; 当在上框架上端横梁右侧施加 300 N 载荷时( 图 4b) , 其最大位移是 24. 646 mm。最大 位移处都发生在横梁处, 且最大位移基本相等, 都小于 30 mm, 这说明受电弓横向刚度符合设计要求。
1 引言
高速铁路技术在 近 10 年得到突 飞猛进的 发展。 高速受电弓作为高速电力机车上的关键设备, 是弓 ) 网系统的重要组成部分, 一旦弓网接触不好, 将直接影 响弓 ) 网间的受流特性, 进而影响列车的牵引供电性 能; 更加严重的是, 如果受电弓结构在运行中破坏, 不 仅会中断受流, 还常常引起接触网系统的破坏。所以,
3. 2 受电弓整体强度分析 进行受电弓整体强度分析时, 首先确定受电弓整
体的受力情况, 如图 5( Mx 为升弓力矩) 。在列车运行 中, 受电弓除受静压力外, 还有空气动力、弓网相互作 用动态力。弓网间接触力表达式为
F c = F c0 + F a ? Mt a 式中, F c 为弓网接触力, F c0 为受电弓静压力, F a 是空 气动力, M t a 表示弓网动态接触力, M t 为受电弓动态 质量, a 为垂向加速度。为保证良好的受流状态, 要限 制弓网间的接触力。
Journal of Mechanical Strength
2010, 32( 1) : 158- 164
p 研究简报 p
高速受电弓整体结构特性分析*
ANALYSIS OF WHOLE STRUCTURE CHARACTERISTICS OF HIGH- SPEED PANTOGRAPH
马果垒** 张卫华 梅桂明 ( 西南交通大学 牵引动力国家重点实验室, 成都 610031)
图 3 空气弹簧刚度示意图 Fig. 3 Map of equivalent stiffness of air spring
由于有限元模型中存在弹簧单元, 为保证有限元 分析的正确性, 需要先进行称重计算, 即载荷计算分两 步计算。第一步, 仅施加重力加速度, 进行称重计算; 第二步, 施加实际载荷计算。这样, 在进行有限元计算 时, 才能保证位移计算结果的正确性, 但是其对应力分 布没有影响。
( 2) 底座通过绝缘子固定在车体上, 可以大量简化 底座结构。
( 3) 对受电弓进行强度分析时省略阻尼器和升弓
图 2 受电弓有限元分析流程图 Fig. 2 Flow chart of the FEA of pant ograph
装置。 ( 4) DSA380 高速受电弓大量 采用轻质材 料焊接
而成, 各个杆件 之间通 过铰接 连接 在一起。有 限元 分析时, 完全 按照 实际的 材料属 性和铰 接方式 进行 处理[ 6] 。
MA GuoLei ZHANG WeiHua MEI GuiMing ( Traction Power State Key Laboratory , Southwest Jiaotong University , Chengdu 610031, China)
摘要 受电弓整体结构分析对于改进受电弓的设计, 提高受电弓 的性能, 具有重 要意义。为 保证良 好的受 流质量, 新型 高速受电弓大量采用轻型合金材料制作, 这可能导致 机械强度和刚度的不足。在满足强度与刚度的前提 下, 最大 限 度减 小受电弓归算质量, 以改善弓 ) 网动态性能是受电弓 设计的关键问题。文中结合受电弓的开发过程, 建立三维仿 真 模型 , 利用有限元计算软件 Ansys, 进 行受电弓的强度和刚度校核以 及动力特 性分析。 研究受电 弓动力 特性的 目的在 于 优化其结构, 以控制其模态频率与模态振型, 对受电弓的设计具有指导意义。通过对受电弓有限元分析, 进行 虚拟设计, 首次进行高速受电弓的整体结构特性分析。
第 32 卷第 1 期
马果垒等: 高速受电弓整体结构特性 分析
159
部分组成, 而框架又由摆杆、上臂杆、下臂杆、支撑杆和 平衡杆等杆件组成, 各杆件通过铰接连接在一起, 如图 1 左所示。底架支持框架, 通过绝缘子固定在车顶上, 框架通过升弓装置支持弓头, 传动机构作用于下臂杆 来实现升弓动作。气动升弓装置安装在底座上, 通过 钢丝绳作用于位于下臂杆下部的扇形板, 从而实现升 弓 过 程。 下 臂 杆、上 框 架 和 弓 头 采 用 不 锈 钢
表 1 受电弓弓头横向偏差 Tab. 1 Lateral deviati on of the collector head
伸展范围 Ext ension range
E < 2m 2m [ E < 3m
E \3m
相对中心线的最大位移 Maximum lat eral deviat ion to vertical line Pmm