長度為3m的調(diào)節(jié)立柱的軟橫跨安裝方式研究

摘 要：軟橫跨上下部固定繩安裝高度受調(diào)節(jié)立柱長度的限制。配合車站雨棚改造，上下部固定繩需安裝在雨棚上方，為保證接觸導線正常安裝高度，標準調(diào)節(jié)立柱無法滿足要求，需采用3m長調(diào)節(jié)立柱。文章通過有限元算法對調(diào)節(jié)立柱材料以及安裝方式進行分析，并提出3m長調(diào)節(jié)立柱在軟橫跨結構中的安裝型式，不僅可用于配合車站雨棚改造，也可用于多股道車站軌面高差較大的軟橫跨安裝。

關鍵詞：軟橫跨；調(diào)節(jié)立柱；有限元算法 Cosmosworks2009

引言

為配合商丘站站房及雨棚改造，軟橫跨上下部固定繩需安裝在雨棚上方，為保證接觸導線正常安裝高度，標準調(diào)節(jié)立柱無法滿足要求，需研究一種長度為3m的調(diào)節(jié)立柱以滿足接觸網(wǎng)軟橫跨安裝要求。

1 軟橫跨約束條件

圖1 商丘站軟橫跨安裝示意圖

配合商丘雨棚改造施工，接觸網(wǎng)需采用軟橫跨結構來懸掛隴海場I、II、III、IV、5、6、7、8道接觸懸掛。其中，接觸懸掛為全補償簡單鏈形懸掛，I、II、III、IV道承導線采用JTMH95+CTAH120（15kN+15kN）組合，5、6、7、8道承導線采用JTMH70+CTAH85（15kN+10kN）組合，接觸導線高度為距軌面6450mm，結構高度為1400mm，跨距采用60m，結構風速35m/s，導線覆冰厚度10mm。

為不影響雨棚的拆除與新建，軟橫跨上、下部固定繩需位于新建雨棚上方，下部固定繩安裝高度為距軌面8000mm，上部固定繩安裝高度為距軌面9500mm。

為確保接觸導線正常安裝高度，軟橫跨需采用3m長調(diào)節(jié)立柱。鐵標零件中，調(diào)節(jié)立柱長度不大于1330mm，不能滿足軟橫跨的懸掛要求，因此需要研究一種特殊調(diào)節(jié)立柱。

2 特殊調(diào)節(jié)立柱結構分析計算

采用有限元算法對軟橫跨調(diào)節(jié)立柱的設計進行分析，分析軟件為機械有限元分析軟件Cosmosworks2009。軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。有限元分析可以通過軟件計算減少現(xiàn)場測試，提高設計效率，減少投入市場的時間。

2.1 模型建立

軟橫跨定位立柱屬管材，厚度一般為6毫米，可采用殼面進行建模，SHELL單元進行劃分，而上、下部定位繩固定卡子、定位環(huán)形狀都不規(guī)則，采用3D實體建模，SOLID單元進行劃分網(wǎng)格。

模型：定位立柱為鋼管與部分小零件焊接而成。其材料屬于脆性材料，強度較大，分析中將其看作剛體，并將與其連接的上、下部定位繩固定卡子及定位環(huán)簡化為固定的剛性元件。

單元類型及主要材料參數(shù)：軟橫跨定位立柱采用梁單元，定位繩固定卡子、定位環(huán)采用可受拉、壓的塊單元。

固定條件：軟橫跨定位立柱固定通過螺栓緊固與上、下部定位繩固定卡子固定，下部通過螺栓緊固與定位環(huán)固定。因此整體固定位置為上、下部定位繩固定卡子與繩子纏繞位置，及定位環(huán)與拉線連接位置。

荷重加載確定：軟橫跨定位立柱鉤環(huán)與定位器連接，定位器受導線拉出值最大工作荷重為3000N。因此軟橫跨定位立柱受力來自于定位器定位鉤施加在定位立柱的鉤環(huán)處的力值，其力值等于定位器最大工作荷重3000N。

2.2 網(wǎng)格劃分

模型進行網(wǎng)格劃分目的是將模型分子化，相當于模型是由材料的無數(shù)分子組成，通過分子之間的作用進行分析，施加載荷后可以在細小的單元上顯示出受力、位移、變形的具體變化情況。

網(wǎng)格劃分單元格大小選取時盡可能小，單元格越小越接近與原材料材質(zhì)的單元大小。從而分析結果更準確。另外單元格大小選取需避免因倒角或棱角較小而無法生產(chǎn)單元。Solidworks軟件會根據(jù)所選網(wǎng)格大小提示是否可完成網(wǎng)格劃分，并提示有問題的網(wǎng)格位置，從而進行調(diào)整。最終確定網(wǎng)格大小為23.387mm，公差大小1.1694mm。

2.3 結果分析

應力分析結果應保證最大應力不能超過材料的屈服極限。位移大小過大則失真。安全系數(shù)滿足TB/2073中要求的采用碳素結構鋼制造的接觸網(wǎng)零部件安全系數(shù)不小于3。

圖2 軟橫跨調(diào)節(jié)立柱安裝圖 方案一（左） 方案二（右）

2.4 方案一結構分析

受力調(diào)節(jié)立柱采用材質(zhì)為20#的60*6鋼管，按照方案一安裝型式對調(diào)節(jié)立柱進行有限元分析，結果顯示管子端頭最大位移為48mm，撓度大于鐵標中的要求，安全系數(shù)為0.23，分析結果不合格。撓度過大主要原因為下部固定繩距離定位器安裝位置距離1500mm過長，從而導致零件變形量大。因此，需要在調(diào)節(jié)立柱上增加拉線以控制端頭撓度，即采用方案二安裝型式。

圖3 方案一調(diào)節(jié)立柱模型

2.5 方案二結構分析

對方案二安裝型式對調(diào)節(jié)立柱進行有限元分析。

圖4 方案二調(diào)節(jié)立柱模型

表1 算例結果

通過查看結構的Von-Mises應力分布得知，該模型結構的最大應力為221.1Mpa，小于材料的屈服極限245Mpa。則可判定設計材料的選用滿足受力情況的要求。

圖5 軟橫跨調(diào)節(jié)立柱-應力 圖6 軟橫跨調(diào)節(jié)立柱-位移

通過查看軟橫跨調(diào)節(jié)立柱位移分布得知，該模型結構的最大位移位于與定位器配合連接的鉤環(huán)處，其位移是由于施加的F1（工作荷重）作用下產(chǎn)生。其位移大小為0.8913mm，可以忽略不計。

通過查看軟橫跨調(diào)節(jié)立柱應變分布得知，該模型結構的最大應變位于固定拉線位置與管子連接處。因此此處必須增加拉線來固定，用于提高管子整體受力性能。

通過查看軟橫跨調(diào)節(jié)立柱安全系數(shù)分布得知，該模型結構的最小安全系數(shù)為3.32，位于調(diào)節(jié)立柱與拉線固定位置。根據(jù)應力分布得知軟橫跨調(diào)節(jié)立柱與拉線固定位置連接處應力分布最大，因此此處安全系數(shù)最小，但其安全系數(shù)已滿足設計要求。

通過以上分析，軟橫跨采用方案二安裝型式，調(diào)節(jié)立柱使用材料為20#的60*6鋼管，材料選用能夠滿足要求；位移、應變較小可以忽略不計；安全系數(shù)均滿足使用要求。綜合評估，方案二安裝型式可用于商丘站接觸網(wǎng)過渡改造。

3 結束語

文章通過有限元分析，論證了軟橫跨采用3m長的調(diào)節(jié)立柱同時需增設斜拉線以控制調(diào)節(jié)立柱的撓度。此種安裝型式不僅滿足商丘站接觸網(wǎng)過渡改造用軟橫跨安裝要求，也可用于多股道車站股道間高差較大的軟橫跨安裝。

參考文獻

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