动车组受电弓异常升起原因分析及解决方案

2021-09-16吴荣平

轨道交通装备与技术 2021年4期

吴荣平

(北京中车赛德铁道电气科技有限公司北京 100176)

DSA380受电弓是一种应用于动车组的单臂高速受电弓，以其轻量化结构设计、良好的空气动力学性能，在德国、法国、芬兰、西班牙等欧洲多条铁路线路得到了广泛运用，进入国内以来主要应用在CRH380A(L)型动车组上。2010年12月3日，在京沪高铁联调联试和综合试验中，装用DA380受电弓的CRH380AL型高速动车组最高运行时速达到486.1 km，创世界铁路运营试验最高速。

1 问题的提出

CRH380A(L)型动车组自投入运行以来，在隧道、大风等特殊工况下高速运行时，偶发备用DSA380受电弓在落弓位闭口状态非正常自行升起的故障现象。为解决这一故障问题，通过调查受电弓车顶安装布置、隧道、大风等气流影响因素，对受电弓在落弓位闭口状态进行气动抬升力仿真，提出的解决方案在实际应用中取得了良好的效果。

2 原因分析

在列车高速运行时，备用折叠受电弓各个活动部件均受到气动力的作用，其受到的气动力合力可以分解为垂向分力(气动抬升力)和水平分力(气动阻力)。

气动阻力对下臂铰点的作用力臂较短，落弓状态影响较小，对异常升起作用可忽略其影响；而气动抬升力则对落弓状态产生较大的直接作用。当备用折叠受电弓受到的气动抬升力大于落弓保持力时，受电弓易异常升起。

受电弓落弓保持力由受电弓本身结构特性决定，闭口状态下备用受电弓下臂轴线与水平面的夹角越大，下臂迎风受力面积越大，受到的气动抬升力则越大(见图1)。

图1 受电弓气动升力示意图

调查发现，偶发异常升起故障均发生在隧道、大风等特殊工况且备用折叠受电弓处于闭口状态时，且不同车型车顶设备安装结构及布置的影响程度不同。统计分析故障状态受电弓，其下臂轴线与水平夹角大于1.4°的设计参考值。该值并非受电弓性能关键控制参数，在受电弓调试过程中，由于装配误差等个体制造差异因素该值最大可达到2.0°，该角度变化加大了在闭口状态下下臂的迎风面积，导致偶发特殊工况下受电弓气动抬升力加大超过落弓保持力引发异常升起。

3 解决方案的提出

通过在受电弓与绝缘子安装间的3处连接部位加装调整垫片，将受电弓落弓状态的下臂与水平方向调节至完全平行，以降低闭口状态下臂迎风面积，减少其受到的气动抬升力。

经过设计计算，将连接部位2和3相对连接部位1的高度差补偿22 mm，受电弓安装后可保证下臂处于水平状态；连接部位原3处相同等高垫片变更为存在22 mm高度差的垫片1、垫片2，具体如图2所示。

图2 垫片调整方案效果示意图

4 仿真评估

4.1 气动抬升力分析

针对调整前后安装方式，计算在落弓状态下，备用受电弓在闭口方向特定速度运行时，可活动部件包括下臂、上臂、弓头、下导杆等受到的气动抬升力和气动阻力[1]，然后计算出该工况下的3处安装约束点的垂向支反力，该垂向支反力是由于受电弓受风压作用下产生的气动抬升力及受电弓自重的合力导致的，故气动抬升力即为约束点的垂向支反力与自重的差值。这种计算方案由于经过简化，相对比较简单，并没有将各种影响因素考虑得很全面，但对两种方案对比分析发现，通过同样的加载方式来反映两种方案受空气压力影响的变化情况是可行的。

按照上述计算工况进行仿真，针对调整前后的DSA380受电弓在CRH380A车型上的安装方式，计算时速300 km下受电弓在落弓位所受的气动抬升力应力分布，仿真结果云图如图3所示。

图3 调整前、后的受电弓气动抬升力应力云图

通过气动抬升力仿真结果，进一步分析受电弓三处安装支座在调整前、后所受的支反力变化，将支反力的垂直分量(FZ)进行比较可以看出，优化受电弓调整垫片将下臂调至水平状态后，受电弓在时速300 km下所受的气动抬升力比调整前减小约30.9 N，调整后的方案，受电弓受气流影响优于原有受电弓的安装方式(见表1)。

表1 方案调整前后支反力计算结果 /N

4.2 强度校核

对连接部位进行强度校核，受电弓在升至最大工作高度下，其受到的载荷工况最恶劣，应在该工况校核其连接螺栓的应力水平。根据计算需求，如图3所示，对受电弓绝缘子与支架连接处进行X、Y、Z三个方向的平动约束。本次分析中受电弓受到的载荷主要有3个方面，包括：风阻、弓网垂向接触力和弓头横向偏移力(见表2)；其中风阻载荷数据来源于DSA380风洞实验，弓网垂向接触力和弓头横向偏移力依据相关标准要求[2-3]。