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信工诚为轨道交通受电弓刚强度仿真提供解决方案 2015年10月

受电弓刚强度仿真解决方案

——信工诚科技股份有限公司 技术部

近年来,我国综合国力迅速增强,城市化程度不断增高,各大城市为了缓解地面交通压力都相继选择了地下轨道交通工具。为满足多样的用户需求,地铁技术不断创新。在众多地铁技术中,牵引供电是核心技术之一。地铁受电制式有第三轨受电和架空线受电两种,其中架空线受电采用的关键设备为受电弓。受电弓结构刚强度直接影响受流质量,是机车安全可靠运行的基础,因此受电弓结构刚强度分析是必不可少的设计环节。

    轨道机车行业一直以来都是信工诚重点关注方向。信工诚在机车结构运动学仿真和刚强度仿真方面,与国内多个轨道机车用户有多年的合作经验。其中,信工诚与某知名受电弓厂商合作开展的某型号受电弓刚强度仿真分析研究项目是一个典型案例。项目成果成为了厂商评估受电弓性能的重要依据。

问题描述:

    本型号受电弓属于单臂受电弓,由弓头、上臂、下臂、底架和传动机构组成,传动机构控制升弓与降弓。项目重点是建立有效的有限元仿真分析模型,准确地分析结构在特定工况下的刚度和强度,从而确定受电弓是否能够持续稳定地保证受流质量。

解决方案:

    本项目采用的有限元建模和仿真分析软件分别为PatranMSC Nastran。项目包括如下几个关键步骤:

(1)      建立有限元分析模型

    以受电弓三维CAD模型为基础,经过简化后,逐个零件划分网格,然后再进行连接关系处理。网格划分部分根据零件本身及其关连部件的结构特点,选择采用1D线单元、2D面单元或3D体单元。连接关系选择主要依据实际零件之间的连接形式,建模中使用的连接方式多为共节点形式,其次是多点约束形式,其中轴承连接部位统一采用多点约束进行等效。完整的受电弓有限元模型如图1所示。

1D_5.jpg

图1     受电弓有限元模型

(2)      横向刚度分析

    横向刚度是受电弓结构性能校核的一个重要指标。在底架与车体连接位置施加固定约束,在弓头处分别施加向左和向右的横向载荷。分别分析受电弓在两种工况下的变形情况,分析结果如图2所示。

1D_2.bmp1D_3.bmp

             1)向左加载                                2)向右加载

图2     受电弓横向刚度分析结果云图

    根据相关标准,可由受电弓的升弓高度确定允许的极限横向位移值。对比分析结果与极限值可以确定本型号受电弓的横向刚度符合标准要求。

(3)      整体强度分析

    实际的受电弓结构在工作过程中的弓网接触力由三种载荷组成,一是静态接触力,二是风载作用力,三是动态接触力。在受电弓整体强度分析过程中充分考虑这三种力的影响,将三种载荷的极限值相加得出分析载荷。整体的应力结果云图如图3所示。

1D_1.bmp

图3     受电弓整体应力结果云图

    从分析结果可知受电弓工作过程中最大应力具体数值。将分析结果与材料疲劳极限强度进行对比,发现分析结果小于疲劳极限强度,因此可知此款受电弓具有无限疲劳寿命,满足结构强度要求。

(4)      总结

    采用Patran软件快速地建立了此款受电弓的有限元分析模型,采用MSC Nastran软件准确地分析了此款受电弓的刚强度特性。通过仿真分析项目的开展,从分析角度检验了设计方案的合理性。

    因为此款受电弓是一个相对成熟的产品,仿真分析工作更多的是起到一个辅助的评估作用。而实际产品研发过程中有限元仿真还可以发挥更大的作用,包括多方案的筛选工作、方案改进的指导工作、最终方案的评估工作等。有限元仿真工作相当于对前期设计方案的“虚拟试验”,通过这种“虚拟试验”确定下来的最终方案再拿去进行“真实试验”,从而验证设计方案的合理性。从产品研发周期和研发成本角度出发,现阶段“虚拟试验”+“真实试验”的组合形式是最佳选择。

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