关于南京机场线受电弓弓角改进方案分析

李石磊 卫猛

1、概述

2016年12月，南京机场线受电弓检修过程中，发现弓角托架的焊缝位置出现断裂，后期普查过程中，发现该位置焊缝位置有不同程度的裂纹，如下图1所示，目前焊缝裂纹情况发现有十余起。

图1 弓角托架断裂及焊缝裂纹

2、原因分析

受电弓弓角采用3mm或2.5mm不锈钢板材及1.5mm壁厚的管材压型后进行焊接而成，开裂的托架采用2.5mm板材压型为U型，与滑板支架焊接在一起，成为一个封闭的焊接弓角，如下图2所示。弓角与碳滑板两端相连，组成一组封闭的弓头。该焊接型式的弓角由于采用封闭结构，无法释放焊接变形产生的焊接内应力。与碳滑板连接在一起后，与弓头弹簧悬挂系统连接在一起，形成一个超静定结构，固定点过多，无法释放使用过程中弓网冲击应力，从而使该结构出现开裂问题。

图2 弓头结构型式

3、解决措施

为解决该问题，设计采用铸造铝合金结构弓角及铝合金材料加工的托架，所有零件都通过螺栓连接，取消原不锈钢材料弓角的焊接连接型式，避免焊接内应力产生，同时弓角采用开口结构，取消焊接弓角的封闭结构，避免组装过程中的连接点过多导致的超静定连接型式。

改进前后弓角零件对比：

3.1、托架改进

改进前托架   

    目前的托架采用2.5mm不锈钢板压型为U型结构，该材料屈服强度205MPa，结构如下图3所示。

图3 改进前托架

改进后托架

    采用7020T6高强铝合金，该材料的屈服强度310MPa，为实现安装，在铝合金板上加工出与滑板支架及弓头悬挂连接的安装接口，结构如下图4所示。

图4 改进后托架结构

3.2 滑板支架

改进前滑板支架

    滑板支架采用3mm不锈钢板挤压为U型结构，该材料的屈服强度为205MPa。滑板支架前端与碳滑板连接，后端与盖板焊在一起，保证其表面与滑板平滑过渡，该结构该支架上与结构如下图5所示。

图5 滑板支架

改进后滑板支架

    滑板支架采用3mm不锈钢板压为U型结构，该材料的屈服强度为205MPa。滑板支架前段与碳滑板连接，后端与铸造铝合金弓角通过螺栓连接，取消盖板焊接结构，铸铝弓角表面与滑板表面能够实现平滑过渡。  结构如下图6所示。

图6 改进后滑板支架

3.3、弓角

  改进前弓角组焊结构

     如下图7所示，改进前弓角有滑板支架、托架、盖板及弯管四个压型件焊接而成，结构连接方式相对复杂，封闭的焊接结构容易产生较大的焊接内应力。

图7 改进前弓角     图8 改进后弓角结构

改进后弓角组装

改进后的弓角采用铸铝弓角、滑板支架及托架组成，通过螺栓将三者连接，该开口的弓角结构，采用螺栓连接，如上图8所示。消除了焊接应力，同时开口结构更加有利于释放结构的装配应力，提高结构强度。改进后装配的弓头组装结构如下图所示:

图9 改进后弓头结构示意图

4、类似弓头结构的应用

      铸铝弓角在我司的杭州四号线、天津6号线及武汉6号线都有应用，其结构型式如下所示。

4.1杭州4号线弓角组装

     如下图所示，该弓角滑板支架及托架都采用不锈钢压型，之后将两个零件焊接在一起组成托架组焊，如图10所示，之后将铸铝弓角采用螺栓安装于托架组焊上，杭州4号线项目于2014年年初开始上线运行，目前使用效果良好。

 

   图9 杭州4号线弓角组装              图10托架组焊

4.2、天津6号线

     天津6号线的弓角组装与杭州4号线的接口尺寸及轮廓尺寸一致，主要差异是铸铝弓角的宽度，其它尺寸完全一致。天津6号线项目于2015年开始上线运行，目前使用效果良好。

     

图11 天津6号线弓角组装        图12托架组焊

    杭州4号线、天津6号线及南京机场线改进弓角结构对比说明如下：

序号	零件名称	南京机场线弓角	杭州4号线	天津6号线	备注
1	滑板支架	3mm不锈钢材料压为U型	3mm不锈钢材料压为U型	3mm不锈钢材料压为U型	天津6与杭州4结构一直
2	弓角	铸铝弓角	铸铝弓角	铸铝弓角	南京机场线与杭州4号线一致，与天津6的主要差别是弓角末端宽度为45mm，杭州4号线为27mm。
3	支架	7020T6铝合金材料加工	2.5mm不锈钢压为U型	2.5mm不锈钢压为U型	天津6与杭州4结构一直
4	弓角组装	螺栓连接	支架与滑板支架焊接，之后用螺栓与铸铝弓角组装在一起	支架与滑板支架焊接，之后用螺栓与铸铝弓角组装在一起	天津6与杭州4结构一直，机场线弓角组装完全取消焊接结构。

5、改进弓角结构受力分析

    为更好的验证改进弓角的结构强度，我对改进弓角进行建模，仿真计算，其计算结果如下所示：

弓角组装仿真计算模型如下图所示，仿真计算是在弓角的垂向、纵向，横向同时施加力，根据以往项目测试的相关数据，垂向600N、纵向1000N，横向300N。

5.1、弓角组装

图13 弓角组装应力云图

仿真结果显示，其最大应力为71.14MPa

5.2 托架

采用7020T6铝合金材料加工，结构应力如下图所示：

图14 托架应力云图

仿真结果显示，其最大应力为56.02MPa，小于材料屈服强度310MPa。

5.3 滑板支架

采用3mm不锈钢加工，结构应力如下图所示：

图15 滑板支架应力云图

仿真结果显示，其最大应力为65.56MPa，小于材料屈服强度205MPa。

5.4铸铝弓角

    采用铸造铝合金材料加工，结构应力如下图所示：

图16铸铝弓角应力云图

仿真结果显示，其最大应力为17.2MPa，小于材料屈服强度180MPa。

6、小结

     目前类似结构弓角组装在杭州4号线及天津6号线上有较长时间使用，使用情况稳定。机场线弓角在该基础上有进一步改进，完全取消焊接结构，更好的提高了结构的使用稳定性，建议案该结构弓角进行改进。