受電弓作用下接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

張莉娜，鄧 斌，劉桓龍，王國志

0 引言

地處新疆的蘭新線鐵路和南疆線鐵路，接觸網(wǎng)設(shè)備沿鐵路線露天布置，工作環(huán)境惡劣且無備用，受風(fēng)雪等自然災(zāi)害影響較大，一旦失效破壞，將引起弓網(wǎng)故障，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致列車停駛，經(jīng)濟(jì)損失巨大[1]。

隨著電氣化鐵路運(yùn)行速度的不斷提高，機(jī)車受電弓在沿接觸線運(yùn)行的過程中，會(huì)引起接觸網(wǎng)的振動(dòng)以及接觸壓力的變化，接觸線的應(yīng)力也會(huì)隨之變化。為保證機(jī)車受電弓在橫向風(fēng)力作用下沿接觸線滑行時(shí)的正常受流，接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)僅僅按靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)是不夠的，還需要考慮其動(dòng)態(tài)性能[2，3]。因此，需深入進(jìn)行接觸網(wǎng)動(dòng)力穩(wěn)定性影響的研究，為進(jìn)一步研究強(qiáng)風(fēng)載荷下的接觸網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性提供依據(jù)和參考。

1 接觸網(wǎng)模型建立

本文以蘭新線鐵路某直線段接觸網(wǎng)為研究對象，結(jié)合接觸網(wǎng)各部件在弓網(wǎng)系統(tǒng)中的作用和實(shí)際情況，建立承力索、接觸線、吊弦和支撐結(jié)構(gòu)耦合的6 跨單個(gè)錨段接觸網(wǎng)有限元模型。

模型建立時(shí)，考慮接觸懸掛系統(tǒng)材料非線性，引入雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化彈塑性模型（BKIN）來模擬；考慮懸掛系統(tǒng)幾何非線性，假設(shè)承力索和接觸線是理想柔性的。

接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)布置參數(shù)見表1，吊弦等間距均勻分布；接觸網(wǎng)兩端全約束，5 個(gè)支柱底部約束3個(gè)方向自由度，釋放承力索與承力索支座鉸接點(diǎn)的z 方向旋轉(zhuǎn)自由度。其中懸掛結(jié)構(gòu)承力索、接觸線因考慮其軸向變形，采用beam4 梁單元模擬；吊弦只受拉力，采用桿單元link10 模擬。接觸網(wǎng)有限元模型見圖1。

表1 接觸網(wǎng)布置參數(shù)表

2 弓網(wǎng)作用力

弓網(wǎng)系統(tǒng)中，受電弓與接觸網(wǎng)是通過接觸壓力耦合在一起的。在弓網(wǎng)系統(tǒng)的研究過程中，一般是通過列車的運(yùn)行速度以及運(yùn)行時(shí)間來確定某一時(shí)刻弓網(wǎng)間接觸點(diǎn)的位置。運(yùn)用數(shù)值計(jì)算方法分別計(jì)算出該時(shí)刻接觸線、弓頭的位移，然后求得接觸壓力，具體計(jì)算方法見文獻(xiàn)[4]。本文共計(jì)算了受電弓分別以120，160，200，250 km/h運(yùn)行時(shí)的弓網(wǎng)接觸壓力，圖2示出了受電弓在運(yùn)行速度為120，250 km/h時(shí)接觸壓力隨時(shí)間的變化曲線。

圖1 接觸網(wǎng)有限元模型圖

圖2 接觸壓力變化曲線圖

由圖2 知，隨著運(yùn)行速度的增加，接觸壓力最大值增加，最小值則大幅減小，波動(dòng)幅度增大。速度增加到250 km/h 時(shí)，最小值已減小到零。接觸壓力過小，易造成離線；接觸壓力過大，接觸線抬升量過大，使接觸線局部彎曲，引起接觸線疲勞損傷，同時(shí)使接觸線磨耗增大，嚴(yán)重時(shí)將造成弓網(wǎng)事故[5]。

3 接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算

3.1 接觸線動(dòng)態(tài)抬升量

將受電弓以速度120，160，200，250 km/h 運(yùn)行時(shí)的弓網(wǎng)作用力作為瞬態(tài)分析的載荷，利用接觸網(wǎng)動(dòng)力學(xué)平衡方程進(jìn)行瞬態(tài)分析，計(jì)算接觸線的動(dòng)態(tài)抬升量。受電弓在各速度下，接觸線的最大抬升量如圖3 所示。

圖3 接觸線動(dòng)態(tài)抬升量比較圖

從圖3 可看出，抬升量的最大值通常在受電弓行至每跨跨中時(shí)，在受電弓與接觸線的接觸點(diǎn)附近出現(xiàn)；抬升量最小值通常在受電弓行至支柱時(shí)，但不一定在接觸點(diǎn)，因?yàn)橹е巹偠群艽?，接觸壓力引起的位移很小。

在不同受電弓運(yùn)行速度下，接觸線不同位置的抬升量是不同的。考慮到跨中位置處的位移響應(yīng)較明顯，選取較穩(wěn)定的第4 跨跨中（140 m）位置處，對該位置在不同速度下的抬升量進(jìn)行比較（圖4）。

由圖4 可看出，當(dāng)受電弓運(yùn)行在接觸線前3 跨時(shí)，該位置的抬升量較??；當(dāng)受電弓運(yùn)行至第4 跨時(shí)，該位置的抬升量逐漸增大，且運(yùn)行至該位置時(shí)達(dá)到最大值；當(dāng)受電弓通過該位置后，該位置的抬升量有一定減小，但運(yùn)行至第5 跨和第6 跨跨中時(shí)，該位置的抬升量是相應(yīng)跨中的極大值。隨著速度的增加，受電弓通過該位置時(shí)的抬升量有所增加；受電弓通過該位置后，該位置的抬升量近似呈以跨距為周期的周期性變化，并在運(yùn)行至跨中時(shí)達(dá)到每跨中抬升量的極大值。

3.2 動(dòng)應(yīng)力計(jì)算

將接觸線和承力索的張力作為靜態(tài)荷載，其中接觸線張力為25 kN，承力索張力為23.5 kN，施加到接觸網(wǎng)有限元模型上。通過靜力分析，接觸線和承力索的靜態(tài)應(yīng)力分別為165.5 和200.8 MPa。接觸網(wǎng)的總應(yīng)力由靜態(tài)應(yīng)力、弓網(wǎng)作用力和接觸網(wǎng)振動(dòng)所共同引起的動(dòng)應(yīng)力組成。

選取受電弓以速度160 km/h 運(yùn)行時(shí)，接觸線和承力索上跨中和支柱附近位置處的最大動(dòng)應(yīng)力和總應(yīng)力的值見表2。

由表2 可見，受電弓以時(shí)速160 km 運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行到100 m 位置（即第3 跨跨中）時(shí)，承力索動(dòng)應(yīng)力最大值為12.5 MPa，其出現(xiàn)的位置在121.5～122 m 處；當(dāng)運(yùn)行到182.5 m 位置（即第5 跨跨中位置附近）時(shí)，接觸線動(dòng)應(yīng)力最大值為8.6 MPa，其出現(xiàn)的位置在179.5～180 m 處。

表2 160 km/h 時(shí)接觸網(wǎng)最大動(dòng)應(yīng)力及總應(yīng)力值表

因不同位置應(yīng)力隨時(shí)間變化的關(guān)系不同，考慮到跨中位置應(yīng)力響應(yīng)較明顯，選取第3 跨跨中承力索和接觸線位置（100 m 處），分析該處橫截面上應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況，如圖5 所示。

圖5 應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線圖

由圖5 可見，受電弓在整個(gè)錨段運(yùn)行過程中，不同位置時(shí)動(dòng)應(yīng)力大小不同。當(dāng)受電弓運(yùn)行在前2跨時(shí)，該位置動(dòng)應(yīng)力數(shù)值很??；運(yùn)行至第3 跨時(shí)，動(dòng)應(yīng)力開始增大，并在跨中位置附近達(dá)到最大值。

4 結(jié)論

綜上所述，可得出以下結(jié)論：

（1）隨著速度的增加，接觸壓力最大值增加，最小值大幅減小，波動(dòng)幅度增大。當(dāng)速度增加到250 km/h 時(shí)，最小值已減小到0，已有離線發(fā)生。

（2）接觸線的動(dòng)態(tài)抬升量最大值一般出現(xiàn)在每跨跨中位置附近，最小值一般出現(xiàn)在支柱附近。

（3）不同位置動(dòng)應(yīng)力大小不同。受電弓運(yùn)行至每跨跨中時(shí)，該位置動(dòng)應(yīng)力達(dá)到最大值。

本文對接觸線的動(dòng)態(tài)抬升量和接觸線、承力索動(dòng)應(yīng)力的分析結(jié)果，為進(jìn)一步研究風(fēng)載荷下的接觸網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性提供了依據(jù)和參考。

[1] 劉風(fēng)華.不同類型擋風(fēng)墻對列車運(yùn)行按防護(hù)效果的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，37（1）.

[2] 張衛(wèi)華，沈志云.接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，1991，13（4）.

[3] 曹樹森，等.強(qiáng)風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性研究[J].中國鐵道 科學(xué)，2010，31（4）：79-84.

[4] 梅桂明.受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型及特性[J].交通 運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2002，（1）.

[5] 田志軍.電氣化鐵路接觸網(wǎng)防風(fēng)技術(shù)研究[J].建設(shè)機(jī)械 技術(shù)與管理，2007，（7）：100-103.