淺談高速鐵路接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)設(shè)計

魏博

淺談高速鐵路接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)設(shè)計

魏博

作為接觸網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，錨段關(guān)節(jié)的合理性顯得尤為重要。目前我國高速鐵路接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)主要以四跨和五跨關(guān)節(jié)形式為主，時速達到300 km/h及以上的高速鐵路通常采用五跨關(guān)節(jié)形式。本文對高速鐵路接觸網(wǎng)常見的五跨錨段關(guān)節(jié)進行有限元受力分析，提出優(yōu)化建議。

有限元；錨段關(guān)節(jié)；受力分析

0 引言

作為接觸網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，錨段關(guān)節(jié)是相鄰錨段的銜接部分，其整體結(jié)構(gòu)的受力及穩(wěn)定性顯得尤為重要。

目前我國高速鐵路接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)主要以四跨和五跨關(guān)節(jié)形式為主，時速達到300 km及以上的高速鐵路通常采用五跨關(guān)節(jié)形式。

本文對我國高速鐵路接觸網(wǎng)常見的五跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)的腕臂受力進行有限元計算分析，提出一些優(yōu)化建議。

1 高速鐵路接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)設(shè)計

我國300 km/h及以上高速鐵路通常采用的五跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)形式如圖1所示。

圖1 五跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)形式示意圖

從五跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)的平面布置可以看出，A柱為關(guān)節(jié)的開口側(cè)（相鄰錨段導(dǎo)線不交叉），D柱為關(guān)節(jié)的閉口側(cè)（相鄰錨段導(dǎo)線交叉）。

A柱和D柱腕臂組中非工作支腕臂完成一個錨段的起始下錨或者結(jié)束下錨，其中，相對于軌面，A柱腕臂組中非工作支接觸線高度5 800 mm，承力索高度7 200 mm，D柱腕臂組中非工作支接觸線高度5 800 mm，承力索高度7 400 mm。

常見的接觸網(wǎng)下錨裝配示意如圖2所示。

圖2 接觸網(wǎng)下錨裝配示意圖

從圖2可以看出，常見的棘輪下錨裝配中，相對于軌面，接觸線下錨高度為5 800 mm，承力索下錨高度為6 500 mm。

結(jié)合五跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)的立面布置、腕臂形式以及下錨裝配，4組腕臂中，D柱腕臂組中非工作支腕臂受力最大。

參見圖3，以導(dǎo)線張力組合21 kN+30 kN、支柱跨距50 m、鋁合金腕臂材質(zhì)為例，通過有限元軟件分析計算D柱腕臂組中非工作支腕臂受力情況。

圖3 D柱腕臂組中非工作支腕臂受力示意圖

2 有限元原理[9]

描述可承力構(gòu)件的力學(xué)信息一般有位移、應(yīng)變、應(yīng)力。若該構(gòu)件為簡單形狀，且外力分布比較單一，如：桿、梁、柱、板就可以采用材料力學(xué)的方法，但對于幾何形狀較為復(fù)雜的構(gòu)件卻很難得到準確的結(jié)果，甚至根本得不到結(jié)果。

有限元方法是基于“離散逼近”的基本策略，可以采用較多數(shù)量的簡單函數(shù)組合來“近似”代替非常復(fù)雜的原函數(shù)。

一個復(fù)雜的函數(shù)，可以通過一系列的基底函數(shù)（base function）的組合來“近似”，也就是函數(shù)逼近，其中有2種典型的方法：（1）基于全域的展開（如采用傅立葉級數(shù)展開）；（2）基于子域（sub-domain）的分段函數(shù)（pieces function）組合（如采用分段線性函數(shù)的連接）。下面以一個一維函數(shù)的展開為例說明全域逼近與分段逼近的特點。

設(shè)有一個一維函數(shù)f(x),x∈[x0,xL]，分析它的展開與逼近形式。

首先考慮基于全域的展開形式，如采用傅立葉級數(shù)（Fourier series）展開，則有：

第2種是基于子域[xi,xi+1]上的分段展開形式，若采用線性函數(shù)，則有：

比較上述2種展開形式特點可以看出，第1種所采用的基本函數(shù)φi(x∈[x0,xL])非常復(fù)雜，而且是在全域上[x0,xL]定義的，但它是高次連續(xù)函數(shù)，一般情況下僅采用幾個基底函數(shù)就可以得到較高的逼近精度；而第2種所采用的基本函數(shù)ai+bix(x∈[xi,xi+1])非常簡單，而且是在子域上[xi,xi+1]定義的，它通過各個子域組合出全域[x0,xL]，但它是線性函數(shù)，函數(shù)的連續(xù)性階次較低，因此需要使用較多的分段才能得到較好的逼近效果，計算量較大。

第1種函數(shù)逼近方式就是力學(xué)分析中經(jīng)典瑞利-里茲方法（Rayleigh-Ritz principle）的思想，而第2種函數(shù)逼近方式則是現(xiàn)代力學(xué)分析中的有限元方法的思想，其中的分段就是“單元”的概念。

基于分段的函數(shù)描述具有非常明顯的優(yōu)勢：（1）可以將原函數(shù)的復(fù)雜性“化繁為簡”，使得描述和求解成為可能；（2）所采用的簡單函數(shù)可以人工選取，因此可取最簡單的線性函數(shù)或取從低階到高階的多項式函數(shù)；（3）可以將原始的微分求解變?yōu)榫€性代數(shù)方程。綜合分段函數(shù)描述的優(yōu)勢和問題，只要采用功能完善的軟件以及能夠進行高速處理的計算機，就可以完全發(fā)揮“化繁為簡”策略的優(yōu)勢，有限元分析的概念就在于此。

3 有限元計算

為了得到比較準確的腕臂結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，采用專業(yè)有限元軟件進行建模受力分析，軟件是基于有限元理論，在架構(gòu)相關(guān)模型的基礎(chǔ)上，通過人為設(shè)置荷載、循環(huán)計算，從而得到比較準確的模型受力狀態(tài)。

五跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)D柱腕臂組中非工作支腕臂結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示。

圖4 D柱腕臂組中非工作支腕臂有限元模型示意圖

基于圖3所示的D柱腕臂組中非工作支腕臂受力狀態(tài)，利用有限元軟件進行分析，輸出位移變形云圖，如圖5所示。

圖5 D柱腕臂組中非工作支腕臂位移變形云圖

位移變形云圖中，紅色部分是位移最大的部分，位移變形為8.977 mm，根據(jù)《TB/T2075-2010電氣化鐵道接觸網(wǎng)零部件》中規(guī)定：“腕臂支撐裝置在組合狀態(tài)下，當(dāng)承力索座處受水平荷載3.5 kN，垂直荷載4 kN，斜腕臂與定位管（或定位環(huán)）連接處受水平荷載4 kN時，L形腕臂支撐裝置中各部件撓度不大于0.01H（H為部件自身長度）”，此處非工作支平腕臂長度為2 700 mm，依據(jù)《TB/T2075-2010電氣化鐵道接觸網(wǎng)零部件》的要求，撓度應(yīng)該不大于0.01×2 700 = 27 mm，實際受力狀態(tài)下有限元軟件計算的位移變形量滿足規(guī)范允許的變形量。

為了改善D柱腕臂組中非工作支腕臂的位移變形，有幾個方面可以考慮：（1）改善非工作支腕臂承力索座處受力狀態(tài)；（2）提高非工作支腕臂材質(zhì)強度；（3）增加腕臂支撐；（4）降低非工作支腕臂結(jié)構(gòu)高度。

第（2）、第（3）條是從腕臂自身材質(zhì)、結(jié)構(gòu)考慮。依據(jù)《TB/T2075-2010電氣化鐵道接觸網(wǎng)零部件》的規(guī)定，腕臂支撐結(jié)構(gòu)形式、材質(zhì)、管徑、壁厚等固定，不建議改變。第（4）條中降低腕臂結(jié)構(gòu)高度以后，雖然改善了平腕臂的受力狀態(tài)，但是存在相鄰錨段磨線、腕臂組之間順線路方向安裝空間不夠的問題。

為了改善非工作支腕臂承力索座處的受力狀態(tài)，筆者建議提高承力索的下錨高度。在導(dǎo)線張力組合21 kN + 30 kN、支柱跨距50 m、鋁合金腕臂材質(zhì)的前提下，圖2中承力索的下錨高度為6 500 mm，為了得到比較明顯的對比結(jié)果，以100 mm為一檔，逐步提高承力索的下錨高度，利用有限元軟件分析腕臂的受力狀態(tài)及位移變形量，其結(jié)果見表1。

表1 不同承力索下錨高度時腕臂受力狀態(tài)及位移變形數(shù)據(jù)表

由表1可以看出，逐步提高承力索的下錨高度，對D柱腕臂組中非工作支腕臂承力索座處的受力狀態(tài)和平腕臂的位移變形有明顯的改善。

4 結(jié)論與展望

作為接觸網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，錨段關(guān)節(jié)是相鄰錨段的銜接部分，其整體結(jié)構(gòu)的受力及穩(wěn)定性顯得尤為重要。

本文選取我國高速鐵路接觸網(wǎng)常見的五跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)，針對關(guān)節(jié)閉口側(cè)非工作支腕臂的受力狀態(tài)進行簡單的有限元受力分析，提出了改善該腕臂受力狀態(tài)的一些建議，后續(xù)工作還需要進一步的優(yōu)化和總結(jié)。

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The rationality of the overlapping section forming an integral part of the overhead contact system is very important. At present, the types of OCS overlapping sections for high speed railway in our country are mainly of four span/five span overlapping sections, and five span overlapping sections are usually adopted for high speed railway with speed of and higher than 300 km/h. The paper puts forward the optimized proposals on the basis of loading analysis of the finite component of five span overlapping section of OCS of high speed railway.

Finite element; overlapping section; loading analysis

U225.4

：B

：1007-936X(2016)01-0028-03

2015-03-11

魏博.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，工程師，電話：15122792995。