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Impact Analysis of High Voltage Copper Conductor on Roof Apparatus of EMU
田凯 TIAN Kai；姜威 JIANG Wei；冯程程 FENG Cheng-cheng；
何佳捷 HE Jia-jie；李传迎 LI Chuan-ying
（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛 266111）
（CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）
摘要：高压铜导体是动车组车顶电器系统中重要的组成部件，其结构一端连接动车组受电弓装置，另一端连接高压电缆。动车组高速运行过程中，铜导体主要承受车体运行过程中的振动冲击作用。本文充分考虑某动车组车顶高压铜导体的工作环境，依据IEC 61373标准，对车顶高压铜导体结构进行冲击仿真分析和冲击试验分析，仿真与试验结果均满足标准要求，且二者误差在10%以内。
Abstract: High voltage copper conductor is an important component in the roof electrical system of EMU. Its structure connects the pantograph device of EMU at one end and the high voltage cable at the other end. During the high-speed operation of EMUs, the copper conductor mainly bears the vibration impact during the operation of the car body. In this paper, the working environment of a high voltage copper conductor on the roof of an EMU is fully considered. According to IEC 61373 Standard, the impact simulation analysis and impact test analysis of the high voltage copper conductor structure on the roof of the EMU are carried out. The simulation and test results meet the standard requirements, and the error is less than 10%.
关键词：动车组；高压铜导体；冲击；仿真；试验
Key words: EMU；high-voltage copper conductor；impact；simulation；test
中图分类号：U260.11+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2021）01-0186-02
0 引言
某动车组车顶电器元件系统由折弯铜管、接线端子、铜板、不锈钢板、支撑绝缘子、车体座等组成。车体座焊接到车顶上，铜导体两端压装成接线端子，与铜板通过螺栓进行连接，铜板与支撑绝缘子之间、支撑绝缘子与车体座之间均采用螺栓连接。动车组在高速运行过程中，高压铜导体主要承受车体运行过程中的振动冲击作用，因此对高压铜导体冲击强度的评价显得尤为重要。本文使用Optistruct软件，依据标准IEC 61373[1]中对高压铜导体的计算工况以及载荷进行确定，进而对车顶电器元件系统进行冲击仿真和试验分析。
1 高压铜导体仿真分析
采用Hypermesh软件中的PSOLID单元[2-3]对铜导体、铜板、不锈钢板进行网格划分，螺栓连接采用RBE2和Beam单元模拟。整个模型包括33567个单元和49284个节点，具体有限元模型如图1所示。
铜板材料为C1221P——1/2H，铜管材料为C1220T——1/2H，具体材料力学性能见表1。
根据标准IEC 61373-2010中的I类A级要求，冲击的加速度理想化为标准半波正弦（■），将半波正弦作为有限元模型输入的冲击曲线，冲击时间设为0.06s，采用SPCD属性定义冲击幅值，对车顶电器元件系统的车体安装座进行全约束。
对车顶电器元件系统的有限元模型进行垂向、横向和纵向三个垂直方向的冲击仿真。图2给出了车顶电器元件系统三种不同冲击工况下的应力云图。如图可以得出冲击响应工况下车顶电器元件系统的最大等效应力值为12.0MPa，位于铜管接线端子圆弧过渡处，小于屈服极限80MPa，所以车顶电器元件系统的冲击响应满足标准要求。
2 高压铜导体试验分析
为了验证仿真结果的合理性，进行高压铜导体冲击试验，测试高压铜导体的动应力。
高压铜导体按照现车的安装方式安装在夹具上，保证垂向安装时试件和工装的重心位于试验台中心位置。垂向试验时夹具用M12的螺钉连接在5吨垂直扩展台上，横向和纵向试验时夹具用M12的螺钉连接在5吨水平滑台上。三个方向上的试件安装见图3。
按照IEC 61373-2010第10条1类车体安装进行垂向、横向和纵向三个垂直方向的冲击试验。在每个方向上，正向和反向各进行3次试验。试验时试件不工作。冲击试验严酷等级和持续时间见表2。冲击试验结束后，经外观检查高压铜导体无异常。
试验中，需对结构应力较大位置进行贴片试验，应变片的粘贴位置如图4和图5。
3 高压铜导体仿真与试验结果对比
将试验应力结果与仿真应力结果进行对比，如表3~表5所示，仿真与试验误差在10%以内，仿真结果比较准确。
4 结论
通过上述仿真计算与试验分析，高压铜导体在各冲击工况下最大等效应力没有超过材料屈服强度，且冲击试验结束后，铜导体外观无异常，因此某动车组车顶电器元件高压铜导体的冲击强度满足设计要求。
参考文献：
[1]IEC 61373-2010，铁路应用-机车车辆设备-冲击和振动试验[S].
[2]王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].二版.北京：清华大学出版社，1997.
[3]陆明万，罗学富.弹性理论基础[M].二版.北京：清华大学出版社，2001. |
