鄧 斌，鄭 濤，王國(guó)志，秦 萍

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

?

一種新型高鐵接觸網(wǎng)絕緣子沖洗機(jī)構(gòu)優(yōu)化及模態(tài)分析

鄧 斌，鄭 濤，王國(guó)志，秦 萍

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

運(yùn)用ANSYS Workbench 對(duì)一種新型絕緣子沖洗機(jī)構(gòu)的伸縮臂進(jìn)行靜力學(xué)分析，并利用Design Exploration實(shí)現(xiàn)了以伸縮臂重量極小化為目標(biāo)的截面參數(shù)優(yōu)化。在滿足負(fù)載要求的前提下，伸縮臂整體質(zhì)量減少22.1%(17.9 kg)。對(duì)處于工作狀態(tài)的伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，研究?jī)?yōu)化后機(jī)構(gòu)在該狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)果表明：優(yōu)化后機(jī)構(gòu)在該狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性良好，優(yōu)化結(jié)果可行。

沖洗機(jī)構(gòu) ANSYS Workbench 優(yōu)化設(shè)計(jì) 模態(tài)分析

0 引言

絕緣子污閃已被公認(rèn)是引發(fā)高鐵電氣化系統(tǒng)故障的最重要因素。絕緣子污閃放電的流程如圖1所示[1]。

圖1 絕緣子閃絡(luò)流程圖

目前絕緣子維護(hù)方式主要有：定期清掃方式；檢測(cè)更換方式；種類替換方式以及水沖洗方式[2]。

水沖洗技術(shù)因具有高效、省力、成本低的特點(diǎn)，在絕緣子維護(hù)領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用，是預(yù)防絕緣子發(fā)生污閃現(xiàn)象的有效措施。國(guó)外絕緣子水沖洗技術(shù)發(fā)展較早，水沖洗設(shè)備種類齊全。國(guó)外很多大型變電所采用固定水沖洗設(shè)備對(duì)絕緣子進(jìn)行維護(hù)，這種沖洗方式作業(yè)時(shí)耗水量大、設(shè)備的成本高[3]；日本Kyushu電子電力公司和安川電子公司共同研制出一種帶電水沖洗作業(yè)機(jī)器人，該機(jī)器人通過伸縮機(jī)構(gòu)，可將噴嘴直接對(duì)準(zhǔn)絕緣子進(jìn)行沖洗作業(yè)，但該機(jī)器人并不能完全自動(dòng)化，還需人工完成切割和連接戶外架空配電線路等工作[4]；意大利Pisa University開發(fā)了通過直升機(jī)安放絕緣子水沖洗機(jī)器人的方式，但該方式成本高昂，技術(shù)難度大，操作困難[5]。

我國(guó)水沖洗技術(shù)雖然起步較晚，但是發(fā)展速度快。目前國(guó)內(nèi)專用于絕緣子沖洗的設(shè)備有電力專用高空作業(yè)綜合水沖洗車、KJ系列絕緣子帶電水沖車以及便攜式小水量沖洗設(shè)備等。其中軌道牽引式水沖洗車由于蓄水量足，操作方便，沖洗效率高、效果好而廣泛應(yīng)用在電氣化鐵路接觸網(wǎng)絕緣子維護(hù)工作中[6]。

不足之處是既有線鐵路和高鐵線路存在一定的區(qū)別，使得目前國(guó)內(nèi)已有的牽引式絕緣子水沖洗車無法直接用于高鐵接觸網(wǎng)絕緣子維護(hù)，因此西南交通大學(xué)新型驅(qū)動(dòng)中心研制出一種專用于高鐵接觸網(wǎng)絕緣子維護(hù)的牽引式水沖洗車，設(shè)備簡(jiǎn)圖如圖2所示。

設(shè)備利用液壓系統(tǒng)控制沖洗機(jī)構(gòu)，實(shí)時(shí)調(diào)整沖洗距離和沖洗角度，大大提升了沖洗效率和效果。

1 沖洗機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

1-噴槍；2-擺動(dòng)液壓缸1；3-擺動(dòng)液壓缸2；4-伸縮臂；5-液壓缸2；6-基本臂；7-液壓缸1；8-回轉(zhuǎn)盤圖3 沖洗機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

沖洗機(jī)構(gòu)是該設(shè)備及其關(guān)鍵的部件，其簡(jiǎn)圖如圖3所示[7]。

沖洗機(jī)構(gòu)在液壓動(dòng)力的作用下可完成收縮、伸展、旋轉(zhuǎn)以及擺動(dòng)四個(gè)動(dòng)作，充分保證沖洗作業(yè)要求。沖洗機(jī)構(gòu)的工作簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 沖洗機(jī)構(gòu)工作簡(jiǎn)圖

其中，o為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中心；Lob表示機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)中心o距頂部絕緣子b的距離，是沖洗的最長(zhǎng)距離；Lof表示機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)中心o距底部絕緣子f的距離。

調(diào)節(jié)伸縮臂和基本臂的長(zhǎng)度和角度，可大幅度增長(zhǎng)沖洗距離。

2 伸縮臂截面優(yōu)化

沖洗機(jī)構(gòu)依靠伸縮臂改變沖洗距離，傳統(tǒng)伸縮臂設(shè)計(jì)方式通常依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取較大的安全系數(shù)，這種設(shè)計(jì)方式雖然保證了臂架的力學(xué)性能，但卻降低了材料的使用效能。利用SolidWorks和ANSYS Workbench優(yōu)化設(shè)計(jì)出伸縮臂截面參數(shù)，優(yōu)化過程如圖5所示。

圖5 伸縮臂優(yōu)化流程圖

其中，DM表示W(wǎng)orkbench中的三維參數(shù)化模型，在SolidWorks中完成；DS表示W(wǎng)orkbench中的有限元分析模型，在ANSYS Workbench中的Static Structural模塊完成；DX表示W(wǎng)orkbench中優(yōu)化過程，在ANSYS Workbench中Goal Driven Optimization中模塊完成。

2.1 參數(shù)化建模

伸縮臂由三節(jié)臂組成，臂截面為矩形。在SolidWorks中首先對(duì)第一節(jié)臂進(jìn)行參數(shù)化建模[8]，如圖6所示。

圖6 第一節(jié)臂截面尺寸參數(shù)化建模

其中，a是腹板的長(zhǎng)度；b是翼板的長(zhǎng)度；h1是上翼板的厚度；h2是下翼板的厚度；h3是腹板的厚度。在SolidWorks中分別命名為：DS_a；DS_b；DS_h1；DS_h2；DS_h3。

在優(yōu)化過程中，臂與臂間滑塊的尺寸參數(shù)固定不變，故第二、第三節(jié)臂的截面參數(shù)可通過第一節(jié)臂的截面參數(shù)表示。其中各節(jié)臂腹板、翼板間距的數(shù)值關(guān)系如下所示。

DS_a-DS_a_s1=56 mm DS_b-DS_b_s1=50 mmDS_a-DS_a_s2=112 mm DS_b-DS_b_s2=100 mm

其中，DS_a_s1、DS_a_s2分別表示第二、第三節(jié)臂腹板的長(zhǎng)度；DS_b_s1、DS_b_s2分別表示第二、第三節(jié)臂翼板的長(zhǎng)度。

伸縮臂的主要作用力都集中在第一節(jié)臂上，第二、第三節(jié)臂負(fù)載較小，理論上基本臂的腹板和翼板的厚度應(yīng)高于伸縮臂1、2的厚度，但考慮到?jīng)_洗機(jī)構(gòu)整體承受的負(fù)載較小，各節(jié)臂的厚度本身較低，不利于焊接，因此第二、第三節(jié)臂的厚度與第一節(jié)臂對(duì)應(yīng)相同。

2.2 靜力學(xué)分析

伸縮臂材料為低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345A，屈服強(qiáng)度為345 MPa，安全系數(shù)取1.33。許用應(yīng)力[σ]=345/1.33=259.4 MPa；伸縮臂許用變形量[f]=7×10-6×l2=41 mm。

網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格劃分法，控制網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為15 mm，共生成171 718個(gè)節(jié)點(diǎn)，53 726個(gè)單元。零件間的connection type設(shè)置成contacts，contacts type設(shè)置為Bounded。

伸縮臂最危險(xiǎn)工況是伸縮臂最長(zhǎng)的工況，因此在對(duì)伸縮臂進(jìn)行配合裝配時(shí)即是按照伸縮臂完全伸出的狀況進(jìn)行裝配的。該工況下伸縮臂的負(fù)載包括：伸縮臂自重G1；支撐液壓缸2的作用力F1=5 288 N，垂直作用在伸縮臂表面；由1、2、6組成的噴嘴構(gòu)件自重G2，經(jīng)計(jì)算M2=165 kg，G2=1 617 N，方向鉛垂向下；沖洗作業(yè)時(shí)噴嘴的反作用力F2。

在Workbench中StaticStructural添加約束和力，伸縮臂的靜力學(xué)分析結(jié)果如圖7所示。伸縮臂的最大應(yīng)力115.75MPa，出現(xiàn)在伸縮臂基本臂的下緣翼板前端和滑塊連接處；伸縮臂的變幅平面內(nèi)最大變形量為0.79mm。

(a)最大應(yīng)力云圖 (b)最大變形云圖圖7 伸縮臂靜力學(xué)結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：伸縮臂最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力[σ]，且變形量遠(yuǎn)小于許用值[f]，因此結(jié)構(gòu)存在較大的優(yōu)化空間。

2.3 優(yōu)化分析

優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，截面參數(shù)為自變量，伸縮臂最大應(yīng)力、最大變形量和質(zhì)量為因變量，自變量取值范圍如表1所示，設(shè)置如表2所示[9]。

表1 自變量取值范圍

表2 優(yōu)化目標(biāo)及約束條件設(shè)置

Workbench中的Optimization模塊根據(jù)前期計(jì)算結(jié)果擬合得到3組滿足目標(biāo)設(shè)置條件的候選參數(shù)值，結(jié)果如表3所示。

表3 優(yōu)化結(jié)果

注：A、B、C是優(yōu)化結(jié)果，由于A、C差別較小，圓整后兩組數(shù)據(jù)完全一樣。

由表3知，A、C組的質(zhì)量一樣且最輕，并且最大應(yīng)力和最大變形量都在強(qiáng)度和剛度條件要求范圍內(nèi)，所以最終選擇A或C組作為最終優(yōu)化結(jié)果。圓整A組參數(shù),確定a=200 mm，b=185 mm，h1=4 mm，h2=6 mm，h3=3 mm。

建立伸縮臂優(yōu)化后的三維模型，在同等載荷作用下，伸縮臂的應(yīng)力云圖和變形云圖如圖8所示。

(a)最大應(yīng)力云圖 (b)最大變形云圖圖8 優(yōu)化后伸縮臂靜力學(xué)結(jié)果

伸縮臂優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)如表4示。

表4 優(yōu)化結(jié)果分析

分析表4數(shù)據(jù)可知，伸縮臂優(yōu)化前后，質(zhì)量減少了17.9 kg，優(yōu)化后臂重減輕22.1%；最大變形量值增加了0.47 mm，較優(yōu)化前有所增加，但小于許用值41 mm；最大應(yīng)力有所增加，但小于許用應(yīng)力259 MPa。結(jié)果證明該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在保證材料力學(xué)性能要求的前提下能提高材料使用效能，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

3 沖洗機(jī)構(gòu)模態(tài)分析

3.1 振動(dòng)激勵(lì)源

模態(tài)分析用以提取結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的振型和固有頻率，判斷結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。沖洗機(jī)構(gòu)安裝在鐵路軌道牽引平板車上，主要振動(dòng)激勵(lì)源包括：軌道不平引起的振動(dòng)、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)引起的振動(dòng)以及風(fēng)載振動(dòng)。三種激勵(lì)源的振動(dòng)頻率如下：

(1)軌道不平引起的振動(dòng)頻率

軌道不平引起的縱向振動(dòng)對(duì)機(jī)構(gòu)影響最大，激勵(lì)頻率計(jì)算公式為f=v/λ，f為頻率；v為列車運(yùn)行速度；λ為波長(zhǎng)，取值500 mm[10]。牽引平板車工作時(shí)運(yùn)行速度為10 km/h，求出頻率為5.6 Hz；往返運(yùn)行速度為120 km/h，求出頻率為66.7 Hz。

(2)風(fēng)載振動(dòng)的頻率

根據(jù)斯脫羅哈系數(shù)的求解公式確定橫風(fēng)向旋渦脫落頻率，公式為f=Stv/B，St為斯脫羅哈系數(shù)，矩形截面通常取0.15；為來流的平均風(fēng)速[11]。表5所示是前六級(jí)風(fēng)速對(duì)應(yīng)的旋渦脫落頻率。

表5 前六級(jí)風(fēng)速及對(duì)應(yīng)的旋渦脫落頻率

(3)電機(jī)振動(dòng)頻率

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分偏心引起的振動(dòng)頻率計(jì)算公式為f=n/60，n表示電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速[12]。

3.2 模態(tài)分析

沖洗機(jī)構(gòu)在處于全伸狀態(tài)時(shí)受外界振動(dòng)激勵(lì)的影響最大，因此提取該狀態(tài)的前六階模態(tài)。首先在SolidWorks中建立沖洗機(jī)構(gòu)全伸狀態(tài)裝配體，然后在ANSYS Workbech中建立Modal案例并導(dǎo)入模型，計(jì)算并提取機(jī)構(gòu)的前六階模態(tài)。圖9是機(jī)構(gòu)的前4階的模態(tài)分析結(jié)果。表6所示是機(jī)構(gòu)的前6階振型。

表6 沖洗機(jī)構(gòu)前六階振型

圖9 沖洗機(jī)構(gòu)前四階振型

分析圖9和表6可知，優(yōu)化后沖洗機(jī)構(gòu)的前6階固有頻率明顯避開了振動(dòng)激勵(lì)源頻率，僅一階固有頻率和6級(jí)風(fēng)速的最高旋渦脫落頻率7.3 Hz相等，因此在風(fēng)速較高的天氣中應(yīng)停止工作。通過n=f×60求出共振頻率下的電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)選擇應(yīng)避免上述轉(zhuǎn)速。

4 結(jié)語

本文對(duì)新提出的高鐵接觸網(wǎng)絕緣子沖洗機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析及模態(tài)分析，得到以下結(jié)論：

1)沖洗機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度范圍是3 300 mm到4 300 mm，在既定的接觸網(wǎng)支柱絕緣子沖洗位置處，機(jī)構(gòu)能夠充分滿足不同位置絕緣子的沖洗要求。

2)在SolidWorks中對(duì)伸縮臂進(jìn)行參數(shù)化建模，并利用Workbench對(duì)沖洗機(jī)構(gòu)伸縮臂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在滿足力學(xué)性能的前提下，伸縮臂質(zhì)量減輕17.9 kg，有效提高了材料的使用效能。

3)對(duì)優(yōu)化后的沖洗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性基本良好，同時(shí)為機(jī)構(gòu)使用過程中避免共振提供了參考數(shù)據(jù)。

[1] Miller H C. Surface flashover of insulators[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1989, 24(5):765-786.

[2] Li X F, MacAlpine J M K, Chen J W, et al. A novel insulator and its characteristics[J].Journal of Southeast University(English Edition),2001,17(2): 47-51.

[3] 房光輝.高壓帶電清掃機(jī)器人移動(dòng)載體的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[4] Nakashima M, Yakabe H, Maruyama Y, et al. Application of semi-automatic robot technology on hot-line maintenance work[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation. Nagoya: IEEE,1995:843-850.

[5] Pelacchi P. Automatic hot line insulator washing device positioned by helicopter[C]//IEEE 8th International Conference on Transmission & Distribution Construction, Operation & Live-Line Maintenance Proceedings. Orlando:IEEE,1998:133-143.

[6] 陳曉國(guó)，楊楚明，饒章權(quán).變電設(shè)備帶電水沖洗技術(shù)探討[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007,31(2)：60-63.

[7] 劉洪良，林杰江，梁湛原，等. 含機(jī)械臂作業(yè)的變電設(shè)備帶電水沖洗裝備[J]. 電氣技術(shù), 2014(10)：81-84.

[8] Du W P, Zhang Y J, Zhou C Q, et al. Analysis and optimization of dismantling machine shear head based on ANSYS Workbench[J]. Advanced Materials Research, 2014, 945-949:653-657.

[9] 蘇世卿，劉雪東，李柏賢.基于Pro/E與Workbench的超大型蒸壓釜壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015(5)：249-252.

[10] 趙勇.輕油罐車罐體的動(dòng)力學(xué)分析[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2006.

[11] 季斌.高層懸掛結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2005.

[12] 武穎利, 蔡新, 李洪煊,等.機(jī)組振動(dòng)下電站廠房共振校核和動(dòng)力響應(yīng)分析[J].人民黃河,2010,32(10)： 141-143.

Optimization and modal analysis of a new-type insulator washing device for high-speed rail contact line

DENG Bin, ZHENG Tao, WANG Guozhi, QIN Ping

In this study, we carried out static analysis of the telescopic arm of a new-type insulator washing device with ANSYS Workbench, and with Design Exploration, we optimized the section parameters aiming at maximum stress, maximum deformation and minimum weight of the telescopic arm. Under the premise of meeting the load requirements, the overall weight of the telescopic arm was reduced by 22.1% (17.9 kg). We then carried out modal analysis of the telescopic arm at work, and the results showed that the optimized device had good dynamic performance, and that the optimization was feasible.

washing device, ANSYS Workbench, optimization, modal analysis

U469.6

A

1002-6886(2016)05-0020-05

鄧斌(1964-)，男，湖北荊門人，教授，博士，研究方向：機(jī)電一體化及智能驅(qū)動(dòng)。

2016-03-14