接觸網(wǎng)上跨輸電線斷線沖擊載荷研究

黎鋒，羅明，宦榮華

（1. 中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300250；2. 擬優(yōu)（上海）軟件科技有限公司，上海 201601；3. 浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院，浙江 杭州 310027）

接觸網(wǎng)上跨輸電線斷線沖擊載荷研究

黎鋒1，羅明2，宦榮華3

（1. 中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300250；2. 擬優(yōu)（上海）軟件科技有限公司，上海 201601；3. 浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院，浙江 杭州 310027）

通過(guò)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn，建立覆冰輸電線和接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分析覆冰輸電線斷線后對(duì)接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)及其地面的沖擊載荷。研究接觸剛度、接觸阻尼、摩擦系數(shù)等仿真參數(shù)對(duì)沖擊載荷的影響規(guī)律。研究表明，由于輸電線變形及與防護(hù)結(jié)構(gòu)間的摩擦，沖擊載荷主要集中在沿輸電線的水平方向。研究結(jié)果可用于防護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，研究不同接觸參數(shù)對(duì)沖擊載荷的影響規(guī)律，為防護(hù)結(jié)構(gòu)材料和外形選擇提供理論依據(jù)。

接觸網(wǎng)；上跨輸電線；斷線；沖擊載荷；柔性多體系統(tǒng)；動(dòng)力學(xué)仿真軟件

0 引言

頻繁出現(xiàn)的凍雨、冰災(zāi)、雪災(zāi)等惡劣天氣，可能造成接觸網(wǎng)上跨輸電線掉線、斷線、倒塔等故障，直接導(dǎo)致接觸網(wǎng)設(shè)備故障，給鐵路運(yùn)輸尤其是高速鐵路帶來(lái)極大安全隱患，嚴(yán)重影響列車(chē)運(yùn)行秩序。因此，針對(duì)輸電線路跨越區(qū)域接觸網(wǎng)的防護(hù)設(shè)計(jì)開(kāi)展研究。上跨輸電線，尤其是覆冰上跨輸電線，斷線后對(duì)下方接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的沖擊力。為了設(shè)計(jì)有效的接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)，研究覆冰輸電線斷線后對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊載荷，對(duì)接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析具有重要的意義。然而覆冰輸電線對(duì)接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊載荷分析，必須考慮上跨輸電線的斷線位置、跨越高差、沖擊速度、變形，以及輸電線與接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)間的摩擦等多種因素，這是非常復(fù)雜并且困難的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)輸電線斷線動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題已有了一些研究[1-2]，然而絕大部分研究是針對(duì)斷線對(duì)輸電線或線塔體系的影響[3-4]，對(duì)輸電線斷線對(duì)下方接觸網(wǎng)的影響涉及極少。

針對(duì)接觸網(wǎng)上跨輸電線防護(hù)設(shè)計(jì)問(wèn)題，基于新一代多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn，仿真研究了大風(fēng)和覆冰等典型工況下接觸網(wǎng)上跨輸電線斷線運(yùn)動(dòng)軌跡[5]，并據(jù)此設(shè)計(jì)了接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)初步方案，確定縱向（沿鐵路方向）長(zhǎng)度。而后進(jìn)一步研究覆冰工況下上跨輸電線斷線后對(duì)接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的最大沖擊載荷，以及接觸剛度、接觸阻尼、摩擦系數(shù)等參數(shù)對(duì)沖擊載荷的影響，為接觸網(wǎng)上跨輸電線斷線防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有力的理論依據(jù)。其研究方法也為接觸網(wǎng)故障仿真提供了新的、有效的技術(shù)手段。

1 仿真模型

柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科，由多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、計(jì)算力學(xué)、計(jì)算方法，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科構(gòu)成的一門(mén)交叉性、邊緣性學(xué)科，是國(guó)際公認(rèn)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，也是最活躍的領(lǐng)域之一[6-7]。目前，隨著柔性多體動(dòng)力學(xué)的快速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了ADAMS、Simpack、RecurDyn等應(yīng)用成熟的商業(yè)化軟件。RecurDyn是新一代柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件，可處理傳統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)所涉及的線性和小變形問(wèn)題，也可處理常見(jiàn)的非線性及大變形，以及剛?cè)狁詈辖佑|碰撞問(wèn)題，目前已廣泛應(yīng)用于科研及工程設(shè)計(jì)、復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、零部件剛強(qiáng)度及疲勞壽命分析，以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等[8]。

通過(guò)RecurDyn建立覆冰輸電線和接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，分析覆冰輸電線斷線后對(duì)接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)及其地面的沖擊載荷。模型中將輸電線桿塔和接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)視為剛體，對(duì)輸電線采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。上跨輸電線對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)和地面的沖擊作用采用接觸碰撞處理，在上跨輸電線與防護(hù)結(jié)構(gòu)和地面之間分別建立接觸，采用剛?cè)峋€-面接觸表征。同時(shí)，在仿真中還考慮了環(huán)境溫度對(duì)輸電線張力的影響。假定上跨輸電線在跨中垂直跨越接觸網(wǎng)，跨越高差14 m，跨中、3/4跨、懸掛點(diǎn)處斷線，研究覆冰情況下上跨輸電線斷線后對(duì)接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的沖 擊載荷。

接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)初步方案采用鋼結(jié)構(gòu)骨架加檁條。接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。防護(hù)結(jié)構(gòu)橫向（沿輸電線方向）寬20 m，縱向（沿鐵路方向）設(shè)置4跨，每跨6 m，高12 m。

圖1 接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真分析

2.1 仿真參數(shù)

上跨輸電線桿塔參數(shù)見(jiàn)表1，導(dǎo)線機(jī)電性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 上跨輸電線桿塔參數(shù)

表2 上跨輸電線導(dǎo)線機(jī)電性能參數(shù)

根據(jù)歷年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，上跨輸電線最大覆冰厚度為30 mm。仿真模型中上跨輸電線與接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)間的接觸參數(shù)見(jiàn)表3，上跨輸電線與地面間的接觸參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 上跨輸電線與接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)間的接觸參數(shù)

表4 上跨輸電線與地面間的接觸參數(shù)

2.2 最大沖擊載荷

上跨輸電線對(duì)接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊情形比較復(fù)雜，沖擊過(guò)程中輸電線與防護(hù)結(jié)構(gòu)多點(diǎn)接觸，其相互作用為分布力系。其接觸點(diǎn)處的摩擦系數(shù)與相對(duì)速度關(guān)系見(jiàn)圖2。輸電線對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊（包括沖擊力和力矩）采用此分布力系在防護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)心處的合力（力矩）表示。模型坐標(biāo)定義為X方向?yàn)闄M向（沿輸電線方向），Y方向?yàn)榇瓜颍ㄖ亓Ψ较颍?，Z方向?yàn)榭v向（沿鐵路方向）。防護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)心位置約為（100，9.483，0）m。

上跨輸電線對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)最大總沖擊力98.6 kN，總沖擊力矩392.9 kN·m。上跨輸電線對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)沖擊力的時(shí)程曲線見(jiàn)圖3。圖3（a）為沖擊力合力的時(shí)程曲線，可見(jiàn)在輸電線與防護(hù)結(jié)構(gòu)接觸瞬間，沖擊力最大達(dá)到98.6 kN；圖3（b）為垂向沖擊力的時(shí)程曲線，垂向沖擊力主要是由于輸電線下落與防護(hù)結(jié)構(gòu)的垂向碰撞，輸電線垂向分量較小，最大約25.2 kN；圖3（c）為橫向沖擊力的時(shí)程曲線，橫向沖擊力主要是由于輸電線的變形及與防護(hù)結(jié)構(gòu)間的摩擦，引起輸電線張力變化而導(dǎo)致的水平?jīng)_擊，最大約95.3 kN；圖3（d）為縱向沖擊力的時(shí)程曲線，最大約4.43 kN，可以忽略。輸電線斷線后，橫向沖擊載荷最大，垂向沖擊載荷次之，縱向沖擊載荷最小可以忽略。

圖2 接觸點(diǎn)處摩擦系數(shù)與相對(duì)速度關(guān)系示意圖

沖擊力對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)執(zhí)行的沖擊力矩的時(shí)程曲線見(jiàn)圖4。從圖4可知沖擊力矩沿垂向和縱向的分量較大。

2.3 不同參數(shù)對(duì)沖擊的影響

圖3 上跨輸電線對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)沖擊力的時(shí)程曲線

圖4 沖擊力對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)執(zhí)行的沖擊力矩的時(shí)程曲線

針對(duì)接觸剛度、接觸阻尼、摩擦系數(shù)等參數(shù)對(duì)輸電線與防護(hù)結(jié)構(gòu)間沖擊載荷的影響規(guī)律進(jìn)行仿真研究。

不同接觸剛度對(duì)沖擊載荷的影響見(jiàn)圖5。從圖5可以看出，接觸剛度為350 N/mm時(shí)，總沖擊力最大值為94.1 kN，總沖擊力矩最大值為369.9 kN·m；接觸剛度為500 N/mm時(shí)，最大沖擊力達(dá)到98.6 kN，最大沖擊力矩為392.8 kN·m。隨著接觸網(wǎng)剛度的增加，沖擊載荷有一定增加，但趨勢(shì)不是非常明顯，即接觸剛度對(duì)沖擊載荷的影響不大。

圖5 不同接觸剛度對(duì)沖擊載荷的影響

不同接觸阻尼對(duì)沖擊載荷的影響見(jiàn)圖6。從圖6可以看出，阻尼系數(shù)為0.5時(shí)，總沖擊力最大值為98.6 kN，總沖擊力矩最大值為392.8 kN·m；阻尼系數(shù)為0.6時(shí)，總沖擊力最大值為80.1 kN，總沖擊力矩最大值為266.9 kN·m；阻尼系數(shù)為0.7時(shí)，總沖擊力最大值為89.6 kN，總沖擊力矩最大值為334.4 kN·m；阻尼系數(shù)為0.8時(shí)，總沖擊力最大值為101.1 kN，總沖擊力矩最大值為379.4 kN·m。從圖6可知接觸阻尼對(duì)沖擊載荷的影響較大，隨著接觸阻尼的增加沖擊力先減小后增大。

圖6 不同接觸阻尼對(duì)沖擊載荷的影響

不同摩擦系數(shù)對(duì)沖擊載荷的影響見(jiàn)圖7。從圖7可以看出，摩擦系數(shù)為0.2時(shí)，總沖擊力最大值為89.9 kN，總沖擊力矩最大值為323.6 kN·m；摩擦系數(shù)為0.3時(shí)，總沖擊力最大值為98.6 kN，總沖擊力矩最大值為392.8 kN·m；摩擦系數(shù)為0.4時(shí)，總沖擊力最大值為72.2 kN，總沖擊力矩最大值為312.7 kN·m；摩擦系數(shù)為0.5時(shí)，總沖擊力最大值為72.2 kN，總沖擊力矩最大值為292.9 kN·m。從圖7可知摩擦系數(shù)對(duì)沖擊的影響較大，且隨著摩擦系數(shù)的增加沖擊力先增大后減小。

2.4 仿真結(jié)果

（1）上跨輸電線斷線對(duì)接觸網(wǎng)防護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊載荷橫向最大可達(dá)到98.6 kN，垂向次之，縱向最小。

（2）接觸剛度對(duì)沖擊載荷的影響不大。

（3）接觸阻尼對(duì)沖擊載荷的影響較大，隨著接觸阻尼的增加，沖擊力先減小后增大。

圖7 不同摩擦系數(shù)對(duì)沖擊載荷的影響

（4）摩擦系數(shù)對(duì)沖擊載荷的影響較大，隨著摩擦系數(shù)的增加，沖擊力先增大后減小。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)接觸網(wǎng)上跨輸電線路防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析上跨輸電線斷線后對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的沖擊載荷。研究表明，在輸電線一端斷開(kāi)，另一端固定時(shí)，由于輸電線的變形及與防護(hù)結(jié)構(gòu)間的摩擦，使輸電線沖擊瞬間產(chǎn)生較大張力，沿輸電線方向?qū)Ψ雷o(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的沖擊載荷。研究結(jié)果可用于防護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，研究不同接觸參數(shù)對(duì)沖擊載荷的影響規(guī)律，為防護(hù)結(jié)構(gòu)材料和外形選擇提供理論依據(jù)；仿真方法為接觸網(wǎng)故障仿真提供了新的、有效的技術(shù)手段。

[1] TB 10621—2014 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

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責(zé)任編輯 盧敏

A Study on Impact Load from Broken Power Transmission Line over OCS System

LI Feng1，LUO Ming2，HUAN Ronghua3
（1. China Railway Electrif cation Survey，Design & Research Institute Co Ltd，Tianjin 300250，China；2. Sim-Opt，Shanghai 201601，China；3. School of Aeronautics and Astronautics，Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 310027，China）

By RecurDyn, a multi-body dynamic simulation software, a f exible and multi-body dynamic model involving ice coating power transmission line and OCS protective structure is established to analyze the impact load generated to the OCS protective structure and the ground in case of broken ice coating power transmission line. The effects and rules of impact loads from simulation parameters, e.g. contact rigidity, contact damp, friction coeff cient are studied, which show that the impact loads mainly distribute in horizontal direction along the power transmission line due to deformation of transmission line and the friction between the line and the protective structure. The results can be used for the strength design of protective structure and for the study of rules of impact loads from different contact parameters to provide theoretical foundation for material and shape selection of protective structures.

OCS；power transmission line over OCS system；broken line；impact load；f exible multi-body system；dynamic simulation software

U225

A

1001-683X（2017）03-0075-07

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.03.075

2016-09-02

黎鋒（1978—），男，高級(jí)工程師。E-mail：lifeng2@tjedi.com.cn