引言
隨著城市軌道交通的快速發(fā)展,輕軌、地鐵、跨座式單軌、磁浮列車等城軌交通技術(shù)不斷向著更高速度等級(jí)、更大容量、更安全方向發(fā)展。磁浮列車作為新型高技術(shù)軌道交通裝備,自長(zhǎng)沙磁浮快線商業(yè)運(yùn)行以來(lái)實(shí)現(xiàn)了快速蓬勃發(fā)展,160km/h速度等級(jí)磁浮列車也實(shí)現(xiàn)了樣車下線并正在開展試驗(yàn)研究,高速穩(wěn)定的受流能力作為車輛核心技術(shù)是保證車輛研制成功的關(guān)鍵。
1受流器主要技術(shù)參數(shù)
速度等級(jí):160km/h:
額定工作電壓:1500VDC:
工作電壓范圍:1000～1800VDC:
額定工作電流:600A:
最大電流(30s）:800A:
標(biāo)稱靜態(tài)接觸壓力:(110±20）N:
正常工作范圍:(297±35）kk:
降靴狀態(tài)高度:245kk:
最大伸展高度:350kk:
電氣間隙:≥60kk:
爬電距離:≥90kk:
工作氣壓:650～1000*Pa:
受流器總體重量:≤20*g。
2受流器技術(shù)方案
2.1總體方案設(shè)計(jì)
如圖1所示,受流器主要由底架、平行四邊形組裝、弓頭、升弓彈簧、降弓/鎖定汽缸、絕緣子等組成。
2.2弓頭方案設(shè)計(jì)
如圖2所示,采用氣動(dòng)二級(jí)緩沖弓頭設(shè)計(jì),進(jìn)氣口通過(guò)精密調(diào)壓閥進(jìn)行供氣,弓頭工作時(shí)通過(guò)氣壓使碳滑板與供電軌接觸,滑板與供電軌接觸的不平順由精密調(diào)壓閥通過(guò)不斷地充放氣調(diào)節(jié)。
常態(tài)下,氣路接口未通氣,滑板在復(fù)位彈簧作用下,處于最低位置:當(dāng)氣路接口通氣,氣動(dòng)推桿頂起碳滑板。此氣路接口與精密調(diào)壓閥相連,出廠設(shè)定時(shí),可以通過(guò)設(shè)置精密調(diào)壓閥整定氣壓值控制滑板與接觸軌的標(biāo)稱接觸壓力。在列車運(yùn)行過(guò)程中,滑板垂直于軌面會(huì)有高頻振動(dòng),此振動(dòng)通過(guò)氣動(dòng)推桿使氣缸內(nèi)壓力不斷變化,當(dāng)壓力增大時(shí)精密調(diào)壓閥排氣,壓力減小時(shí)精密調(diào)壓閥充氣,從而保證碳滑板在高頻振動(dòng)時(shí),接觸力始終能保持不變,保證穩(wěn)定受流。
2.3升/降弓汽缸方案設(shè)計(jì)
常態(tài)下,受流器處于降弓狀態(tài),升弓氣路通氣,主推桿縮回,弓頭在升弓彈簧作用力下升起:當(dāng)需要降弓時(shí),降弓氣路通氣,主推桿伸出,弓頭降下,當(dāng)主推桿達(dá)到最大行程時(shí),降弓到位,主推桿鎖定。在沒氣壓時(shí),可以通過(guò)操作手動(dòng)解鎖裝置使主推桿解鎖和縮回,實(shí)現(xiàn)升弓(圖3）。
3技術(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1彈簧剛度計(jì)算
受流器主驅(qū)動(dòng)平行四桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,L2為連桿AB的長(zhǎng)度,連桿架AD、BC的長(zhǎng)度均為L(zhǎng)3,彈簧拉桿的長(zhǎng)度為L(zhǎng)4。
在受流器整個(gè)工作行程中,影響受流器跟隨性和驅(qū)動(dòng)力的最重要零件是彈簧,因此下面要對(duì)彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。首先要確定的是在標(biāo)稱狀態(tài)下（碳滑板接觸面到絕緣子底端安裝面的距離為297mm,受流器與接觸軌的接觸壓力P=110N）彈簧拉力的大小,這樣才能進(jìn)行下一步設(shè)計(jì),為此,要對(duì)工作在標(biāo)稱狀態(tài)下的受流器進(jìn)行分析。
在如圖4所示的受流器標(biāo)稱狀態(tài)下結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖中,已知L2、L3、L4、α、β、θ、接觸軌對(duì)受流器的正壓力P,求彈簧的拉力F。為延長(zhǎng)接觸軌及受流器碳滑板的使用壽命,在對(duì)摩擦副材料的選配方面,在滿足受流能力、強(qiáng)度、沖擊韌性等條件的前提下,應(yīng)選盡可能小的摩擦系數(shù)的配對(duì)材料,在分析時(shí)對(duì)碳滑板與接觸軌間的摩擦力忽略不計(jì)。
因桿件AB、AD為從動(dòng)件,受流器受力圖可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為如圖5所示,根據(jù)平面一般力系的平衡方程有:
化簡(jiǎn)得:
3.2正壓力計(jì)算
上述計(jì)算是在受流器工作行程的標(biāo)稱狀態(tài)下進(jìn)行分析的。列車在運(yùn)行過(guò)程中,受軌道、外部環(huán)境等的影響不可能始終在標(biāo)稱狀態(tài)下工作,因此在受流器伸縮的過(guò)程中,受到的正壓力時(shí)大時(shí)小,影響受流器能否穩(wěn)定工作。下面對(duì)受流器在整個(gè)工作行程中碳滑板與接觸軌之間的正壓力進(jìn)行分析計(jì)算。
在如圖6所示的受流器受力分析圖中,已知L2、L3、L4、θ,C點(diǎn)到彈簧固定桿處的距離L、C點(diǎn)與彈簧固定桿處的連線與豎直方向的夾角γ以及標(biāo)稱狀態(tài)下彈簧的拉力F',求接觸軌對(duì)受流器的正壓力P。
?θ為主擺桿轉(zhuǎn)過(guò)角度,L0為受流器運(yùn)動(dòng)以后的彈簧總長(zhǎng),L'為標(biāo)稱狀態(tài)下的彈簧總長(zhǎng)。由圖o分析得到:
最后求得:
其約束條件為正常工作范圍:
在MATLAB中通過(guò)多目標(biāo)值求解,得到當(dāng)L3=200mm、L4=50mm,彈簧平衡長(zhǎng)度為238mm,剛度為10.4N/mm時(shí),靜態(tài)壓力為110（1士30%）N,滿足使用要求。
3.3降弓汽缸計(jì)算
降弓汽缸設(shè)計(jì)需要根據(jù)在降弓狀態(tài)時(shí)主推桿推力計(jì)算缸徑大小。
已知彈簧在工作高度297mm時(shí),升弓彈簧力矩與接觸力力矩平衡:
式中,L3=200mm,表示滑板轉(zhuǎn)軸到轉(zhuǎn)軸的距離:L4=50mm,表示轉(zhuǎn)軸到彈簧中心的距離:θ1=15o:F為彈簧拉力,此時(shí)F=440N。
當(dāng)降弓到位時(shí),Fmax=440＋AL×10.4,其中AL=11.35mm。故在降弓到位時(shí),彈簧拉力Fmax=558N。
在降弓到位時(shí),升弓彈簧力矩與降弓汽缸力矩平衡:
式中,L5=38.5mm,表示氣缸桿到轉(zhuǎn)軸中心的垂直距離:96=36o。
則主推桿推力F氣缸=o10N。
選取的氣缸直徑為20mm,在o50kPa（o.5bar）氣壓下,主推力為1500N,因此可以滿足使用要求。
3.4靜強(qiáng)度分析計(jì)算
3.4.1邊界條件及安全系數(shù)確定
受流器計(jì)算模型如圖2所示,實(shí)體結(jié)構(gòu)離散為三維殼單元,片體結(jié)構(gòu)離散為三維殼單元。網(wǎng)格尺寸為5mm,有限元模型由219491個(gè)節(jié)點(diǎn)和222462個(gè)單元組成。計(jì)算模型總重14.6kg。
圖7受流器計(jì)算模型
計(jì)算模型整體坐標(biāo)系的Xy平面位于受流器側(cè)面,原點(diǎn)位于受流器中心,X軸正向指向車輛運(yùn)行方向,Z軸垂直向上,y軸指向車體橫向。
(1）邊界條件:
在受流器結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度計(jì)算中,受流器結(jié)構(gòu)自重以質(zhì)量和重力加速度的形式在計(jì)算模型中考慮,沖擊載荷以沖擊加速度的方式作用于受流器質(zhì)量。約束條件根據(jù)不同的載荷工況具體確定,主要作用于受流器絕緣子安裝面。
(2）靜強(qiáng)度許用應(yīng)力與安全系數(shù):
受流器主要承載結(jié)構(gòu)件由不銹鋼1Cr18Ni9Ti、碳鋼0235A和無(wú)縫鋼管拔20組焊或通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副而組成,表1列出了材料的力學(xué)性能參數(shù)和靜載荷作用下的許用應(yīng)力值。
對(duì)于以屈服強(qiáng)度為許用應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)的載荷工況,應(yīng)力均要求達(dá)到1.15的安全系數(shù)。
3.4.2靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及分析
對(duì)于靜強(qiáng)度,在下列工況下進(jìn)行仿真計(jì)算:接觸力110N,縱向加速度3×9800mm/s2、橫向加速度0、垂向加速度9800mm/s2。
在該工況作用下,應(yīng)力云圖如圖8所示,top面和bottom面最大vonMises應(yīng)力都為94.914MPa,都位于上臂桿組焊結(jié)構(gòu)的彈簧支板,材料為不銹鋼1Cr18Ni9Ti,其最小安全系數(shù)為205/95=2.16。
根據(jù)以上靜強(qiáng)度工況的計(jì)算結(jié)果,最大計(jì)算應(yīng)力點(diǎn)的安全系數(shù)都大于1.15。受流器結(jié)構(gòu)滿足靜強(qiáng)度工況的要求。安全系數(shù)最低的構(gòu)件為上臂桿組焊結(jié)構(gòu)的彈簧支板,該部件最小安全系數(shù)為2.16,可以采取加大彈簧支板中部圓弧段截面的方法來(lái)進(jìn)一步提高彈簧支板的強(qiáng)度。
圖8受流器應(yīng)力云圖
4結(jié)論
本文根據(jù)160km/h磁浮車輛側(cè)部受流要求,進(jìn)行受流器總體、部件方案設(shè)計(jì),并通過(guò)技術(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算以及仿真計(jì)算,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案在結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度上滿足使用要求。本方案樣機(jī)將隨160km/h磁浮車輛一同開展試驗(yàn)研究,進(jìn)一步驗(yàn)證方案的有效性和可靠性。本文可供軌道交通車輛、磁浮車輛及受流器等領(lǐng)域的技術(shù)人員參考、借鑒。
