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高速动车组受电弓结构随机振动疲劳分析

黄思俊;刘青林;王悦东

【摘要】以高速受电弓为研究对象,将一种疲劳寿命分析方法运用到受电弓系统的

随机振动疲劳分析评估中.首先利用HyperMesh建立受电弓的有限元模型,基于频

域法采用IEC613732010标准中规定的加速度谱密度作为激励,根据Steinberg提

出的高斯分布和Miner疲劳损伤累计理论,评估随机振动载荷作用下高速受电弓的

疲劳强度.分析结果表明,高速动车组受电弓结构满足在随机振动环境下疲劳强度的

设计要求,为受电弓结构的随机振动疲劳寿命分析提供一种有效的计算方法.

【期刊名称】《大连交通大学学报》

【年(卷),期】2019(040)002

【总页数】4页(P20-23)

【关键词】随机振动;受电弓;Miner疲劳累计损伤理论

【作者】黄思俊;刘青林;王悦东

【作者单位】北京中车赛德铁道电气科技有限公司,北京100176;大连交通大学机

车车辆工程学院,辽宁大连116028;大连交通大学机车车辆工程学院,辽宁大连

116028

【正文语种】中文

受电弓是高速电力机车上的关键设备，用于将接触网的电能传递给车内高压设备，

实现电能的集取与传输.受电弓安装在车体顶部，在它的整个服役过程中，由于线

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路轨道的不平顺以及空气冲击，必将承受各种振动冲击，由此会引起受电弓结构损

伤.故在随机振动条件下对受电弓结构进行疲劳分析，保证它在较高可靠性条件下

具有良好的受流状态，对列车安全稳定运行具有重要意义.

相关学者对随机振动疲劳分析进行了大量研究.国外方面，在20世纪60年代初

S.H.Crandal[1-2]第一次提出“振动疲劳”概念.Sarkar.S[3]等分析了在随机振动

结构中含有不确定参数的结构疲劳损伤，采用雨流计数对含有不确定参数的线性和

非线性结构系统的疲劳损伤进行了评估.国内方面，管鹏[4]在时域方面对比分析了

准静态与瞬态分析方法，将频域法中的Dirlik法应用到车辆吊挂设备中的随机振动

分析.张毅[5]等提出一种基于频率域的PSD与三区间法联合分析结构随机振动疲劳

的方法，评估了机载蒸发循环系统的随机振动疲劳寿命.刘莹[6]等研究了模型状态、

阻尼及PSD耦合等因素对振动疲劳结果的影响.王明珠[7]等提出了一种可以处理宽

带随机振动载荷的样本法，通过抽样使频域信号转换为时域信号.

本文以某高速动车组受电弓作为研究对象，基于频域法在随机振动条件下，根据材

料的S-N曲线和Miner提出的线性疲劳累计损伤理论，对受电弓进行疲劳强度分

析，为受电弓的日常检修和故障排查提供理论依据.

1基本理论

1.1随机振动

作用于结构上的载荷在任意时刻t的载荷值都是不确定的，这类载荷称为随机载荷.

多自由度系统在平稳随机外力Fe(t)作用下的运动方程为：

(1)

式中，M为系统的质量矩阵，C为系统的阻尼矩阵，K为系统的刚度矩阵，为系

统的加速度，为系统的速度，x(t)为系统的位移；Fe(t)为系统所受的外载荷.

对系统进行随机振动疲劳分析中，无论是从疲劳试验还是从仿真手段进行分析，都

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可以在时域或频域内进行.在时域内需要利用雨流计数法得到响应应力的幅值，在

这个过程中需要大量的数据循环计数，因此时域法在工程实践中应用受到很大限制，

频域法计算简单，不需要循环计数，故在工程实践中应用较广泛[8-