一种受电弓上框架及受电弓结构

摘要

本发明公开了一种受电弓上框架及受电弓结构。所述受电弓上框架，包括两根支管，将两个支管的一端连接在一起的顶管，将两个支管的另一端连接在一起的连接管；两个支管上均设有导入导流板、导出导流板、第一连接板、第二连接板和支座；所述连接管上装有拉杆座；各部件为碳纤维材料一次性缠绕而成；所述顶管的两端预埋有金属衬套，所述导入导流板、导出导流板、第一连接板、第二连接板、拉杆座和支座内预埋有金属环；所述导入导流板与导出导流板之间电连接。本发明采改善了上框架的动力学性能，提高了上框架所支撑的碳滑板对电网的跟随性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种受电弓上框架及受电弓结构，属于电力机车领域。

背景技术

受电弓是轨道车辆从线路接触电网获取电能的一种装置，上框架是受电弓的一个组成部分，上框架的主要作用是安装用于安装碳滑板的支架，同时，上框架的下端与下壁杆以转动副相连，上端与碳滑板安装支架以转动副相连，上端还与平衡杆以转动副相连，上框架是驱动碳滑板升降的关键部件，同时，弓网之间的动态接触力也通过碳滑板和碳滑板的安装支架传递给了上框架。对上框架的基本要求有三点，一是上框架需要具备足够的强度；二是上框架的质量和绕与下臂杆之间的连接轴的转动惯量尽量小，以改善上框架的动力学性能，提高碳滑板对电网的跟随性能；三是上框架有良好的导电性能。

目前上框架都是由铝合金材料制成，铝合金材料的优点就是重量轻，但不足之处是铝合金材料强度低，铝合金材料焊缝强度比铝合金材料母材强度还要低很多，这是因为焊缝区域受过高温的影响，晶粒组织发生了明显的变化，而且焊缝的承载截面较小，因此，铝合金上框架在使用过程中经常出现焊缝甚至母材开裂的情况，严重影响了轨道车辆的安全运行。

发明内容

为了解决铝合金材质上框架强度低、容易出现开裂的问题，进一步减轻上框架的重量，本发明旨在提供一种受电弓上框架及受电弓结构，该受电弓上框架采用碳纤维复合材料整体制成，碳纤维复合材料制成的上框架不但强度大大提高，而且在重量上比铝合金材质上框架还要轻，因此，还可以大大改善上框架的动力学性能，提高碳滑板对电网的跟随性能。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种受电弓上框架，包括两根支管，将两个支管的一端连接在一起的顶管，将两个支管的另一端连接在一起的连接管；其结构特点是；两个支管上均设有导入导流板、导出导流板、第一连接板、第二连接板和支座；所述连接管上装有拉杆座；所述两个支管、顶管、连接管、导入导流板、导出导流板、第一连接板、第二连接板、拉杆座和支座为碳纤维材料一次性缠绕而成；所述顶管的两端预埋有金属衬套；所述顶管上装有用于铰接平衡杆的平衡杆安装板；所述导入导流板、导出导流板、第一连接板、第二连接板、拉杆座、平衡杆安装板和支座内预埋有金属环；所述导入导流板与导出导流板之间电连接。

根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：

为了进一步增加上框架的结构强度，所述两个支管之间通过加强管相连，该加强管与所述两个支管、顶管、连接管、导入导流板、平衡杆安装板、导出导流板、第一连接板、第二连接板、拉杆座和支座为碳纤维材料一次性缠绕而成。

优选地，所述顶管上还设有备用导入导流板，所述导入导流板、备用导入导流板与导出导流板之间电连接。更优选地，所述导入导流板、备用导入导流板与导出导流板之间通过设置在支管表面的导电层实现电连接或通过导线实现电连接。例如，导电层可以为导电漆等。

优选地，所述备用导入导流板与所述两个支管、顶管、连接管、导入导流板、导出导流板、第一连接板、第二连接板、拉杆座和支座为碳纤维材料一次性缠绕而成。

为了方便铺设，两根支管、加强管和连接管缠绕时内置芯材。

优选地，为了方便与碳滑板支架连接，所述金属衬套内过盈嵌入铜基粉末冶金衬套。上框架与碳滑板支架之间构成转动副，设置铜基粉末冶金衬套的目的是提高转动副的耐磨性。由此，本发明的金属衬套的外层用于增大转动副的接触面积，提高转动副的强度，内层的铜基粉末冶金衬套用于提高转动副的耐磨性。

优选地，所述支管为变截面直管，支管与顶管相连端的截面最小，且为矩形截面，朝支管与连接管相连端方向的截面逐渐变大，且在与连接管相连处截面形状由矩形逐渐过渡到圆形，并与连接管的圆形截面一致。由此，支管承受的载荷主要是弯矩和剪力，弯矩值从上端往下端呈线性递增分布，剪力值沿整个支管的长度是不变的。这种变截面支管比现在应用的铝合金阶梯圆形管在受力方面更合理，能更好地适应由弓网之间的接触力引起的在支管中的弯矩值从上端往下端呈线性递增分布的实际情况，支管中的弯矩内力主要由矩形管壁承担，剪力主要由管内的芯材承担，这样一来，弯矩增大、矩形截面也增大，矩形截面承受弯矩的能力也随之增大，而且充分发挥了矩形截面对弯矩的承载能力优于圆形截面的优点。支管与连接管相连的过渡段的截面形状逐渐由矩形过渡到圆形，这是因为连接管承受的载荷主要是扭矩，而空心圆形截面管是承受扭矩的最佳截面。支管的直线段如果采用工字型截面，其抗弯性能会更好，但是在支管与连接管相连接的部位，由工字型截面过渡到连接管的圆形截面非常困难，不易实现，而采用矩形截面管就兼顾了承受弯矩能力强和容易过渡到圆形截面的优点。这种变截面支管能大幅度减小上框架的重量和转动惯量，进一步降低了上框架的重心，提高了上框架所支撑的碳滑板对电网的跟随性能。

为了保证上框架各部位的剪切载荷和弯矩承载效果更好，所述碳纤维铺层的走向沿着受电弓上框架主应力的方向布置。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种受电弓结构，其包括拉杆、下臂杆、平衡杆和碳滑板支架；其特征在于，还包括如上所述的受电弓上框架；所述受电弓上框架的拉杆座与拉杆通过销轴和轴承相连接，所述支座与下臂杆通过销轴和轴承相连接，所述导入导流板与碳滑板支架电连接，所述平衡杆安装板与下臂杆之间通过平衡杆铰接连接，所述导出导流板与下臂杆电连接，所述顶管与碳滑板支架通过金属衬套和铜基粉末冶金衬套相连接，所述第一连接板和第二连接板通过对角线杆相连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明显著地提高了受电弓上框架的强度，使上框架变得更轻，上框架对转动轴的转动惯量变动更小，改善了上框架的动力学性能，提高了上框架支撑的碳滑板对电网的跟随性能。

工作时，上框架需要不停的升降，这个升降运动是通过底座、拉杆、上框架和下臂杆组成的四杆机构的运动实现的，因此，上框架与拉杆和下臂杆之间产生了转动副，另外，上框架与平衡杆和弓头转轴之间也构成了转动副。为了适应这些转动副的转动要求，上框架采用碳纤维复合材料后需要在转动副部位预埋金属环用来安装转动轴承或球铰链，而在铝合金上框架中不需要这些金属环。

上框架还有一个重要的导电功能，电网电流是从弓头经导入导流板流入铝合金上框架的支管，再经支管上的导出导流板从上框架流入下臂杆。但是碳纤维复合材料通常是不导电的，为了解决碳纤维上框架不导电的问题，还需要在上框架上喷涂导电性能良好的导电漆，或者需要在导入导流板与到出导流板之间连接导电性能良好的导电线。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构原理图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的A-A剖视图；

图4是图1的B-B剖视图；

图5是图2的A向视图；

图6是图2的I处局部放大图；

图7是图2的C-C剖视图。

在图中

1、铝合金环，2、加强筋，3、拉杆座，4、支座，5、导电漆，6、导入导流板，7、备用导入导流板，8、芯材，9、导出导流板，10、11、24都为铜环，12、铝合金环，13、铜基粉末冶金衬套，14、金属衬套，15、顶管，16、第一连接板，17、铝合金环，18、直管，19、第二连接板，20、铝合金环，21、加强管，22、连接管，23、平衡杆安装板。

具体实施方式

一种受电弓上框架，如图1和2所示，加强筋2、拉杆座3、导入导流板6、备用导入导流板7、导出导流板9、顶管15、第一连接板16、作为支管的直管18、第二连接板19、加强管21、连接管22、平衡杆安装板23等采用碳纤维缠绕一次成型技术。所述平衡杆安装板23装在所述顶管15用于铰接平衡杆。缠绕直管18、加强管21和连接管22时需要内置芯材8，缠绕拉杆座3、导入导流板6、备用导入导流板7、导出导流板9、第一连接板16、第二连接板19时预埋铝合金环或铜环。顶管15的两端内需预埋金属（优选为不锈钢）衬套14，金属（不锈钢）衬套14内过盈嵌入铜基粉末冶金衬套13。直管18、导入导流板6、备用导入导流板7、导出导流板9的表面喷涂导电性能优良的导电漆，其他部件表面也要喷涂导电漆。

碳纤维铺层时，需要先分析各个部位的受力情况，例如直管18主要承受弯矩载荷，同时也承受部分扭矩和剪切载荷，连接管22主要承受扭矩载荷，而且两端承受的扭矩载荷方向相反，同时还承受部分弯矩和剪切载荷，根据各个部件的主要承载情况，有针对性地进行纤维铺层。总之，最直观最稳妥的方法是缠绕碳纤维之前，需要对上框架三维模型按各项同性材料对承载工况进行仿真计算，掌握三维模型各个地方的主应力的分布方向，对于主应力较大的地方，碳纤维铺层的走向要沿着主应力的方向，这样可以使碳纤维更好地发挥承载作用。

铝合金上框架的主要组成部件为拉杆座、加强筋、连接管、导流板、支座、加强管、连接板、直管、备用导流板（有的设计中，为减小设计工作量，平衡杆连接座与备用导流板为同一部件）、顶管等，本发明的碳纤维上框架具有与铝合金上框架类似的组成部分，但都采用碳纤维增强树脂基的层合板结构的复合材料制作，各部件作为一个整体结构一次成型而成。连接管、直管、加强管和布置轻质芯材，以利于通过纤维缠绕形成连接管、直管、加强管和的管壁，同时也可以提高连接管、直管、加强管的强度。支座为铝合金块，紧贴直管预埋在碳纤维层合板内。拉杆座、连接板、导流板、备用导流板与受电弓其他部件构成转动副或螺栓联接的孔内预埋铝合金环或铜环。顶管内两端预埋金属衬套，金属（不锈钢）衬套内嵌铜基粉末冶金衬套，金属（不锈钢）衬套与铜基粉末冶金衬套为过盈配合。导流板、直管、顶管外表面喷涂导电性能优良的导电漆，其他部件的外表面也要喷涂导电漆。

值得一提的是，在导入导流板6、备用导入导流板7、导出导流板9喷涂5的方案可以用在导入导流板6、备用导入导流板7与导出导流板9之间接通导电性能优良的导线来代替。

一种受电弓结构，拉杆座3与拉杆通过销轴和轴承相连接，支座4与下臂杆通过销轴和轴承相连接，导入导流板6和两块备用导入导流板7与碳滑板支架通过导线相连接，导出导流板9与下臂杆通过导线相连接，顶管15与碳滑板支架通过铜基粉末冶金衬套13相连接，第一连接板16和第二连接板19通过对角线杆相连接，图2中右下角的两块备用导入导流板与下臂杆通过平衡杆相连接。

本发明采用碳纤维复合材料整体制成，碳纤维复合材料制成的上框架在重量上比铝合金材质上框架还要轻，同时，使上框架对转轴的转动惯量进一步减小，可以改善上框架的动力学性能，提高上框架所支撑的碳滑板对电网的跟随性能，碳纤维材料的采用还可以大大提高上框架的强度。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。