160km/h速度等级磁浮列车受流器研究

引言

随着城市轨道交通的快速发展,轻轨、地铁、跨座式单轨、磁浮列车等城轨交通技术不断向着更高速度等级、更大容量、更安全方向发展。磁浮列车作为新型高技术轨道交通装备,自长沙磁浮快线商业运行以来实现了快速蓬勃发展,160km/h速度等级磁浮列车也实现了样车下线并正在开展试验研究,高速稳定的受流能力作为车辆核心技术是保证车辆研制成功的关键。

1受流器主要技术参数

速度等级:160km/h:

额定工作电压:1500VDC:

工作电压范围:1000～1800VDC:

额定工作电流:600A:

最大电流(30s）:800A:

标称静态接触压力:(110±20）N:

正常工作范围:(297±35）kk:

降靴状态高度:245kk:

最大伸展高度:350kk:

电气间隙:≥60kk:

爬电距离:≥90kk:

工作气压:650～1000*Pa:

受流器总体重量:≤20*g。

2受流器技术方案

2.1总体方案设计

如图1所示,受流器主要由底架、平行四边形组装、弓头、升弓弹簧、降弓/锁定汽缸、绝缘子等组成。

2.2弓头方案设计

如图2所示,采用气动二级缓冲弓头设计,进气口通过精密调压阀进行供气,弓头工作时通过气压使碳滑板与供电轨接触,滑板与供电轨接触的不平顺由精密调压阀通过不断地充放气调节。

常态下,气路接口未通气,滑板在复位弹簧作用下,处于最低位置:当气路接口通气,气动推杆顶起碳滑板。此气路接口与精密调压阀相连,出厂设定时,可以通过设置精密调压阀整定气压值控制滑板与接触轨的标称接触压力。在列车运行过程中,滑板垂直于轨面会有高频振动,此振动通过气动推杆使气缸内压力不断变化,当压力增大时精密调压阀排气,压力减小时精密调压阀充气,从而保证碳滑板在高频振动时,接触力始终能保持不变,保证稳定受流。

2.3升/降弓汽缸方案设计

常态下,受流器处于降弓状态,升弓气路通气,主推杆缩回,弓头在升弓弹簧作用力下升起:当需要降弓时,降弓气路通气,主推杆伸出,弓头降下,当主推杆达到最大行程时,降弓到位,主推杆锁定。在没气压时,可以通过操作手动解锁装置使主推杆解锁和缩回,实现升弓(图3）。

3技术设计计算

3.1弹簧刚度计算

受流器主驱动平行四杆传动机构的结构图如图4所示,L2为连杆AB的长度,连杆架AD、BC的长度均为L3,弹簧拉杆的长度为L4。

在受流器整个工作行程中,影响受流器跟随性和驱动力的最重要零件是弹簧,因此下面要对弹簧进行设计计算。首先要确定的是在标称状态下（碳滑板接触面到绝缘子底端安装面的距离为297mm,受流器与接触轨的接触压力P=110N）弹簧拉力的大小,这样才能进行下一步设计,为此,要对工作在标称状态下的受流器进行分析。

在如图4所示的受流器标称状态下结构简化图中,已知L2、L3、L4、α、β、θ、接触轨对受流器的正压力P,求弹簧的拉力F。为延长接触轨及受流器碳滑板的使用寿命,在对摩擦副材料的选配方面,在满足受流能力、强度、冲击韧性等条件的前提下,应选尽可能小的摩擦系数的配对材料,在分析时对碳滑板与接触轨间的摩擦力忽略不计。

因杆件AB、AD为从动件,受流器受力图可进一步简化为如图5所示,根据平面一般力系的平衡方程有:

化简得:

3.2正压力计算

上述计算是在受流器工作行程的标称状态下进行分析的。列车在运行过程中,受轨道、外部环境等的影响不可能始终在标称状态下工作,因此在受流器伸缩的过程中,受到的正压力时大时小,影响受流器能否稳定工作。下面对受流器在整个工作行程中碳滑板与接触轨之间的正压力进行分析计算。

在如图6所示的受流器受力分析图中,已知L2、L3、L4、θ,C点到弹簧固定杆处的距离L、C点与弹簧固定杆处的连线与竖直方向的夹角γ以及标称状态下弹簧的拉力F',求接触轨对受流器的正压力P。

∆θ为主摆杆转过角度,L0为受流器运动以后的弹簧总长,L'为标称状态下的弹簧总长。由图o分析得到:

最后求得:

其约束条件为正常工作范围:

在MATLAB中通过多目标值求解,得到当L3=200mm、L4=50mm,弹簧平衡长度为238mm,刚度为10.4N/mm时,静态压力为110（1士30%）N,满足使用要求。

3.3降弓汽缸计算

降弓汽缸设计需要根据在降弓状态时主推杆推力计算缸径大小。

已知弹簧在工作高度297mm时,升弓弹簧力矩与接触力力矩平衡:

式中,L3=200mm,表示滑板转轴到转轴的距离:L4=50mm,表示转轴到弹簧中心的距离:θ1=15o:F为弹簧拉力,此时F=440N。

当降弓到位时,Fmax=440＋AL×10.4,其中AL=11.35mm。故在降弓到位时,弹簧拉力Fmax=558N。

在降弓到位时,升弓弹簧力矩与降弓汽缸力矩平衡:

式中,L5=38.5mm,表示气缸杆到转轴中心的垂直距离:96=36o。

则主推杆推力F气缸=o10N。

选取的气缸直径为20mm,在o50kPa（o.5bar）气压下,主推力为1500N,因此可以满足使用要求。

3.4静强度分析计算

3.4.1边界条件及安全系数确定

受流器计算模型如图2所示,实体结构离散为三维壳单元,片体结构离散为三维壳单元。网格尺寸为5mm,有限元模型由219491个节点和222462个单元组成。计算模型总重14.6kg。

图7受流器计算模型

计算模型整体坐标系的Xy平面位于受流器侧面,原点位于受流器中心,X轴正向指向车辆运行方向,Z轴垂直向上,y轴指向车体横向。

(1）边界条件:

在受流器结构有限元强度计算中,受流器结构自重以质量和重力加速度的形式在计算模型中考虑,冲击载荷以冲击加速度的方式作用于受流器质量。约束条件根据不同的载荷工况具体确定,主要作用于受流器绝缘子安装面。

(2）静强度许用应力与安全系数:

受流器主要承载结构件由不锈钢1Cr18Ni9Ti、碳钢0235A和无缝钢管拔20组焊或通过转动副而组成,表1列出了材料的力学性能参数和静载荷作用下的许用应力值。

对于以屈服强度为许用应力进行评价的载荷工况,应力均要求达到1.15的安全系数。

3.4.2静强度计算结果及分析

对于静强度,在下列工况下进行仿真计算:接触力110N,纵向加速度3×9800mm/s2、横向加速度0、垂向加速度9800mm/s2。

在该工况作用下,应力云图如图8所示,top面和bottom面最大vonMises应力都为94.914MPa,都位于上臂杆组焊结构的弹簧支板,材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti,其最小安全系数为205/95=2.16。

根据以上静强度工况的计算结果,最大计算应力点的安全系数都大于1.15。受流器结构满足静强度工况的要求。安全系数最低的构件为上臂杆组焊结构的弹簧支板,该部件最小安全系数为2.16,可以采取加大弹簧支板中部圆弧段截面的方法来进一步提高弹簧支板的强度。

图8受流器应力云图

4结论

本文根据160km/h磁浮车辆侧部受流要求,进行受流器总体、部件方案设计,并通过技术设计计算以及仿真计算,验证了设计方案在结构和强度上满足使用要求。本方案样机将随160km/h磁浮车辆一同开展试验研究,进一步验证方案的有效性和可靠性。本文可供轨道交通车辆、磁浮车辆及受流器等领域的技术人员参考、借鉴。