复合材料腕臂定位装置结构仿真和试验研究.pdf
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1、文章编号:-0092-052106(JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERINGSOCIETY第8 期(总2 9 9)Augg2023NO.8(Ser.299)报程学道铁2023年8 月复合材料腕臂定位装置结构仿真和试验研究何常红陈伟米米(中国铁路设计集团有限公司,天津3 0 0 2 51)摘要:研究目的:目前国内电气化铁路的运营里程已超过1 5万公里,接触网作为电气化铁路中列车的动力之源,其运营维护工作非常繁重,其中腕臂定位装置更是接触网维护的核心重点,因此减少接触网腕臂定位装置的零部件数量和紧固件数量,同时提高装备可靠性,降低运营维护工作量成为了未来接触网的重要发展方向。研
2、究结论:(1)本文提出了一体成型复合材料腕臂及定位装置和配套新型承力索座的设计方案,相对于既有金属腕臂及定位装置,一体成型复合材料腕臂及定位装置在零部件数量、紧固件数量、技术性能等方面均更具优势,可大幅度减少运营维护工作量;(2)通过仿真计算发现,复合材料腕臂定位装置和新型承力索座的结构最大应力、最大位移与绝缘性能均满足实际工况需要,且有相当大的余量;通过试验测试发现,复合材料腕臂定位装置和新型承力索座的机械性能、电气性能和耐老化性能均满足标准规范要求;(3)本研究成果可应用于电气化铁路接触网专业相关领域。关键词:接触网;腕臂定位装置;复合材料;结构仿真;试验测试中图分类号:U225.4文献标
3、识码:AStructuralSimulationandTestResearchofCompositeCantileverandPositioning DeviceHE Changhong,CHEN Wei(China Railway Design Corporation,Tianjin 300251,China)Abstract:Research purposes:At present,the operating mileage of Chinese domestic electrified railway has exceeded150,000 kilometers.Catenary,as
4、the power source of trains for electrified railway,has a heavy operation andmaintenance workload,and the wrist arm positioning device is the core focus of catenary maintenance.Therefore,thenumber of parts and fasteners of catenary positioning device should be reduced to improve the reliability of th
5、eequipment.Reducing operation and maintenance workload has become an important development direction of catenary inthe future.Research conclusions:(1)A design scheme of the integrally formed composite cantilever and positioning device,and anew type of messenger wire support were proposed.Compared wi
6、th the existing metal cantilever and positioning device,the integrally formed composite material cantilever and positioning device has advantages in terms of the number of parts,fasteners,technical performance,and greatly reduces the workload of operation and maintenance.(2)Through thesimulation cal
7、culation,it was found that the maximum stress,maximum displacement and insulating property of thecomposite cantilever and positioning device structure and the new messenger wire support,meet the needs of the actualworking conditions with a considerable margin.Through the experimental test,it was fou
8、nd that the mechanicalproperties,electrical properties and aging resistance of the composite cantilever and positioning device structure and the收稿日期:2 0 2 3-0 6-2 0基金项目:国铁集团科技研究开发计划项目(N2022G046);中国铁路设计集团有限公司科技开发课题(2 0 2 3 A0251214)*作者简介:何常红,1 9 8 4年出生,男,高级工程师;陈伟,1 9 8 8 年出生,男,高级工程师。何常红陈伟:复合材料腕臂定位装置结
9、构仿真和试验研究第8 期93new messenger wire support all meet the requirements of standard specifications.(3)The research results are applicableto the professional field of electrified railway overhead contact system.Key words:catenary;cantilever and positioning device;composite material;structural simulation;e
10、xperimental test截至2 0 2 2 年底,中国铁路营运总里程已突破1 5万公里,其中高铁运营里程已突破4万公里,取得了举世瞩目的成就。但是高速铁路运营可靠性问题依然存在,特别是电气化铁路接触网装备的可靠性严重制约着铁路运营的安全性,成为现有高速铁路的重点运营维护难点。目前接触网腕臂定位装备主要为钢、铝、铜等金属材料,存在零部件多、紧固件多等难点,造成了运维工作量大,同时在大雨、大雾、污染严重等特殊环境下,腕臂绝缘子存在污闪跳闸等现象,带来了运营安全隐患1.2 。结合目前在汽车、航空、列车等领域的应用经验,先进复合材料在比强度、比模量、耐疲劳、耐腐蚀性等各个方面相对于金属材料均具
11、备优势,同时复合材料的可塑性更强。玻璃纤维材料具备非常良好的绝缘性能,非常适用于制造接触网一体成型腕臂定位装置,复合材料腕臂定位装置相比传统金属腕臂其零部件数量大大减少,重量大大减轻,同时避免了腕臂绝缘子的污闪问题,为运营维护带来了极大的方便,未来随着应用范围的扩大,将成为接触网腕臂定位装置的一个新型发展方向 3-5。但是基于先进复合材料的一体成型腕臂定位装置的结构受力、绝缘性能及其配套零部件的技术性能是否适用于接触网工况尚需进一步验证。本文通过理论分析、有限元仿真、试验分析等手段对一体成型复合材料腕臂定位装置及其配套零部件进行了仿真计算和试验验证,进一步验证了其整体结构的可靠性和安全性。1复
12、合材料腕臂定位装置1.1结构方案接触网腕臂装置结构为复合材料一体成型正三角结构,正反定位腕臂结构可实现通用化,结构主体截面为外径7 0 mm圆环形,壁厚8 mm。定位装置采用定位立柱和铰接弓形非限位定位器结构,定位管、定位立柱和定位器均为金属材料,采用简统化定位装置结构形式。定位立柱安装在定位管上,定位管通过金属抱箍和腕臂结构连接固定。新型承力索座通过复合材料预埋槽道固定在平腕臂上部,可进行位置调整。正定位腕臂定位装置结构示意如图1 所示,反定位腕臂定位装置结构示意如图2 所示,1.2腕臂结构有限元计算1.2.1材料属性一体化腕臂定位装置本体采用三轴玻璃纤维(0/图1复合材料正定位腕臂定位装置
13、图2复合材料反定位腕臂定位装置45/-45)增强材料和环氧树脂基体材料,内部填充PVC泡沫材料为芯体,纤维布的O度方向与腕臂的轴向重合。具体材料属性如表1 所示表1复合材料属性属性名称结构本体PVC泡沫芯体弹性模量/GPa2.520泊松比0.350.4密度/(kg:m=3)1 50080抗拉强度/(Nmm=2)7502001.2.2边界条件一体化复合材料腕臂定位装置的外部载荷与传统腕臂一致,受力要求参照3 0 0 3 50 km/h电气化铁路接触网装备暂行技术条件(TJ/CD0122009)和电气化铁路接触网零部件(TB/T2075一2 0 2 0)。具体如表2 所示表2结构外部载荷要求结构部
14、件数值方向上腕臂底座一仅沿Z轴旋转下腕臂底座一仅沿乙轴旋转4沿Y轴负方向承力索座处/kN4沿X轴正方向定位底座处/kN4.5沿X轴正方向参照常规腕臂结构的受力要求和复合材料的材料特性,一体化复合材料腕臂定位装置的需用应力不大于2 0 0 MPa,最大挠度不大于结构长度的1%。由于复合材料腕臂定位装置为一体绝缘结构,电2023年8 月程94报学道铁气性能分析中考虑承力索、接触线正常工况下额定电压为2 7.5kV,腕臂底座处有良好接地,复合腕臂结构承力索及定位底座处电压设置为2 7.5kV,腕臂底座处电压值为0 kV。1.2.3有限元仿真结果分析根据以上工况力学性能要求对腕臂结构做静态受力校验,使
15、用非工作支最大工作载荷对模型加载校验整体腕臂的应力及挠度,具体数值为在承力索座处施加水平载荷4kN、竖直载荷4kN,在定位器支座位置施加水平载荷4.5kN。通过有限元计算结构在施加外部载荷作用后的应力分布和挠度情况,校核结构的整体强度和刚度图3 为正定位结构在外部载荷作用下的整体应力云图。由图3 可知,正定位腕臂结构应力整体分布均匀,最大应力出现在上腕臂底座连接处,应力最大值为29.9MPa,小于材料的许用应力2 0 0 MPa,满足强度设计要求。图4为正定位结构在在外部载荷作用下的整体位移云图。由图4可知,正定位最大位移量为8.7 mm,在腕臂末端,小于自身长度的1%,满足挠度设计要求。C交
16、大明聘Equivalont StressType:Equivalent(von-Mises)StressUnt:MPaTime:129.848Max16.97715.673Ma14.36813.063Mir11.75810.4549.14887.8446.53925.23453.92972.62491.32020.015407Min图3正定位结构应力云图C:交大除鸭TotalDoformationType:Totel DeformebonUnit:mmTime:1B.7249Max8.1028748076.85866.23655.61444.99234.37023.74813.12612.50
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