京滬高鐵接觸網(wǎng)零部件疲勞試驗條件研究

侯日根

京滬高鐵接觸網(wǎng)零部件疲勞試驗條件研究

侯日根

接觸網(wǎng)零部件長期受各種隨機載荷的影響，容易發(fā)生低周疲勞。本文針對京滬高鐵接觸網(wǎng)零部件的現(xiàn)狀，利用弓網(wǎng)仿真建立某區(qū)間接觸網(wǎng)模型，分析吊弦、支持與定位裝置的工作載荷和位移分布，設(shè)計吊弦、支持與定位裝置的疲勞試驗條件，得出吊弦疲勞試驗的加載范圍、循環(huán)周期、幅值參數(shù)取值；支持與定位裝置疲勞試驗加載靜態(tài)載荷后，再對定位點加載位移載荷，得到幅值周期的取值范圍。

接觸網(wǎng)；吊弦；支持與定位；疲勞試驗

The OCS fittings are liable to generate the low cycle fatigue due to long-term suffering from various random loads,with regards to current conditions of OCS fittings for Beijing-Shanghai high speed railway,by establishment of OCS model for pantograph-catenary simulation,analyzing the work loads and offset distribution of droppers,supporting and registration devices,defining the fatigue test conditions for droppers,supporting and registration devices,the taking values for scope of loading,cycle period and amplitude parameters for the fatigue test of droppers are obtained.The scope of taking values for amplitude cycle are obtained on the basis of static loads being applied on the supporting and registration devices and offset loads being applied on the registration point.

OCS;dropper;supporting and registration;fatigue test

0 引言

接觸網(wǎng)零部件受接觸網(wǎng)內(nèi)部和外部載荷的影響，如補償裝置、溫度引起線索張力變化屬于接觸網(wǎng)內(nèi)部載荷變化；受電弓帶來的載荷、風(fēng)載荷屬于接觸網(wǎng)外部載荷。內(nèi)部載荷改變接觸懸掛的線索張力是逐步的、漸進(jìn)的，但是接觸網(wǎng)外部載荷如受電弓帶來的載荷，屬于沖擊性載荷，其特點是當(dāng)受電弓通過某區(qū)段接觸網(wǎng)時，引起接觸網(wǎng)零部件的內(nèi)部應(yīng)力大幅變化，受電弓通過后，內(nèi)部應(yīng)力重新分布，接觸網(wǎng)零部件恢復(fù)到其原有靜態(tài)平衡位置。風(fēng)由于具有脈動性，時有時無，屬于沖擊性載荷，對接觸網(wǎng)零部件的影響也不容忽視。

接觸網(wǎng)零部件隨時受內(nèi)部靜載荷（假設(shè)溫度變化緩慢）的影響，一旦外部載荷如受電弓沖擊性載荷與之相互作用，引起零部件內(nèi)部應(yīng)力變化劇烈，當(dāng)零部件長期受到幅值變化的交變應(yīng)力作用，會引起接觸網(wǎng)零部件的周期性疲勞，若交變應(yīng)力幅值較大，可能引起低周疲勞，交變應(yīng)力幅值較小，可能引起高周疲勞。

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究，通過接觸網(wǎng)仿真，得到接觸線受到受電弓等外界載荷時的應(yīng)力變化情況，可采用雨流計數(shù)法估計接觸線的壽命；通過接觸線的振動方程，得到接觸線的疲勞極限統(tǒng)計特征，可建立接觸線的疲勞可靠性分析數(shù)學(xué)模型，分析不同因素對導(dǎo)線疲勞可靠性的影響；通過接觸網(wǎng)仿真，得到接觸網(wǎng)受風(fēng)載荷時的應(yīng)力變化情況，可分析不同接觸網(wǎng)參數(shù)和風(fēng)速對接觸線疲勞壽命的影響；通過接觸網(wǎng)仿真，得到接觸網(wǎng)吊弦承受的載荷，然后采用吊弦疲勞試驗機，可對該載荷進(jìn)行模擬，得到吊弦的疲勞壽命；還可設(shè)計一套接觸網(wǎng)零部件疲勞試驗機的控制算法，通過試驗機得到疲勞壽命預(yù)期。綜合以上文獻(xiàn)研究，發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)零部件所承受載荷是確定零部件交變應(yīng)力幅值的關(guān)鍵參數(shù)，得到零部件的交變應(yīng)力，就可以通過數(shù)學(xué)方法估算零部件的壽命，或通過疲勞試驗機測試得出其實際壽命。

得到接觸網(wǎng)零部件載荷隨時間變化的數(shù)據(jù)有2種途徑：一是在接觸網(wǎng)現(xiàn)場安裝應(yīng)變應(yīng)力測試設(shè)備，通過應(yīng)力應(yīng)變計算得出某點所承受載荷；二是建立接觸網(wǎng)的動力學(xué)仿真模型，通過改變邊界和初始條件模擬接觸網(wǎng)零部件的受力情況?，F(xiàn)場實測需要的費用較高，且不容易滿足測試條件，而接觸網(wǎng)仿真則比較靈活，但需要經(jīng)實驗驗證的仿真模型。疲勞壽命評估的方法可以利用材料的疲勞壽命評估，也可利用疲勞試驗機進(jìn)行評估，后者比較接近真值。綜合以上分析，欲對京滬高鐵接觸網(wǎng)關(guān)鍵零部件疲勞壽命進(jìn)行研究，宜以京滬高鐵接觸網(wǎng)的關(guān)鍵零部件為研究對象，利用弓網(wǎng)仿真工具，通過分析、研究零部件的載荷變化規(guī)律，為疲勞試驗提供關(guān)鍵參數(shù)與依據(jù)。

1 接觸網(wǎng)零部件疲勞試驗

零部件的疲勞破壞通常是突發(fā)性的，如果能在較短時間內(nèi)得到疲勞累計損傷過程的資料，通過對零部件進(jìn)行加速疲勞試驗，根據(jù)試驗分析結(jié)果，在零部件產(chǎn)生疲勞破壞前采取有效的預(yù)防措施，可避免事故發(fā)生，故關(guān)鍵的接觸網(wǎng)零部件須進(jìn)行疲勞試驗。而采用理論方法預(yù)測零部件在交變載荷作用下的疲勞強度和壽命，得出的結(jié)果具有較大的離散性，因此，更精確可靠數(shù)據(jù)的獲取須基于對疲勞試驗進(jìn)行的研究。

《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》[TBT 2073：2010]規(guī)定了接觸網(wǎng)懸掛、定位、錨固、連接、補償、隧道內(nèi)等零件均需進(jìn)行疲勞試驗，且規(guī)定了其試驗條件，其中安裝條件需根據(jù)使用工況，試驗載荷及幅值需滿足最大工作荷重的±30%，疲勞交變波形為正弦波，疲勞頻率為1～3 Hz，疲勞次數(shù)不少于5×105次?！峨姎饣F路接觸網(wǎng)零部件試驗條件》[TBT 2074：2010]在[TBT 2073：2010]的基礎(chǔ)上對零部件的疲勞試驗條件做出更為詳細(xì)的規(guī)定，包括對試驗裝置的要求、試驗零部件應(yīng)按實際使用狀態(tài)安裝、被測試零部件在試驗后需滿足的要求等?！峨姎饣F路接觸網(wǎng)零部件》[TBT 2075：2010]中對需要進(jìn)行疲勞試驗的接觸網(wǎng)零部件并未給出具體的疲勞試驗方案，且需要測試的零部件種類較多，并非所有零部件均適用等幅疲勞試驗。

為獲得接觸網(wǎng)零部件的試驗條件，首先需要獲取零部件的工作載荷，經(jīng)過現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)確認(rèn)后的弓網(wǎng)仿真是獲取接觸網(wǎng)工作載荷的有效途徑。結(jié)合疲勞試驗，最后可得出接觸網(wǎng)零部件的疲勞壽命。接觸網(wǎng)零部件壽命評估方法的流程為：弓網(wǎng)仿真→模擬零部件工作狀況→實驗室還原工況→獲得零部件疲勞壽命。

在現(xiàn)有條件下，本文重點分析吊弦、支持與定位裝置2種接觸網(wǎng)關(guān)鍵零部件的疲勞試驗條件，可作為其他接觸網(wǎng)零部件疲勞試驗條件的參考。

2 吊弦疲勞試驗條件

歐標(biāo)[EN50119]中有關(guān)吊弦疲勞試驗的要求規(guī)定，試驗由一個變化荷載和壓縮周期組成，吊弦應(yīng)與其特定的線夾按正常使用的最低要求進(jìn)行試驗，規(guī)定壓縮幅度在20～200 mm之間，吊弦內(nèi)部力為100～400 N，頻率為0.5～10 Hz，且至少進(jìn)行2×106次試驗，吊弦不得在規(guī)定的試驗次數(shù)之前斷裂。吊弦加載方式如圖1所示，壓縮周期為半個周期正弦波，吊弦內(nèi)部力為恒力。

圖1 歐標(biāo)規(guī)定的吊弦疲勞試驗

參照[EN50119]中的吊弦疲勞試驗條件，獲取吊弦的壓縮幅度、內(nèi)部力、頻率3個關(guān)鍵參數(shù)。由于其取值范圍并未針對某一具體的弓網(wǎng)系統(tǒng)，具有通用性，針對每條接觸網(wǎng)線路應(yīng)調(diào)整其取值，結(jié)合弓網(wǎng)仿真，給出京滬高鐵吊弦疲勞試驗條件的相應(yīng)取值。

為得到正確的吊弦疲勞載荷，選取京滬高鐵徐州東—棗莊西區(qū)段（K637+045.2—K639+510.91）的上行線2個錨段作為測試對象，獲取了壓縮幅度、內(nèi)部力、頻率3個參數(shù)的實測數(shù)值，結(jié)合接觸網(wǎng)設(shè)計參數(shù)及平面布置、安裝圖等資料，建立該區(qū)段的接觸網(wǎng)有限元模型，見圖2。采用DSA380型受電弓進(jìn)行仿真模擬，運行速度為350 km/h。

圖2 京滬高鐵某區(qū)段接觸網(wǎng)有限元模型

由于受電弓作用引起承力索的抬升量很小，吊弦疲勞試驗的壓縮幅值是根據(jù)接觸線吊弦懸掛點的抬升量來確定的，統(tǒng)計2個錨段吊弦懸掛點最大抬升量的分布如圖3所示。根據(jù)木桶原理，取吊弦處最大抬升量中的最大值115 mm作為疲勞試驗的壓縮幅值。

圖3 區(qū)間吊弦的最大抬升量統(tǒng)計

吊弦疲勞試驗的內(nèi)部力根據(jù)吊弦實際所承受的最大軸向拉力確定，統(tǒng)計2個錨段吊弦懸掛點的最大軸向力的分布如圖4所示。取吊弦最大軸向力中的最大值324 N作為疲勞試驗的內(nèi)部力。

圖4 區(qū)間吊弦的最大軸向力統(tǒng)計

吊弦疲勞試驗的頻率根據(jù)吊弦的抬升量隨時間變化的曲線確定，即吊弦抬升點繞原點上下振動的周期的倒數(shù)，圖5為某一點吊弦的抬升量隨時間變化的曲線，圖6為該曲線的幅頻響應(yīng)曲線。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，3.5 Hz以后的幅值衰減明顯，故吊弦試驗的頻率取為0.5～3.5 Hz。

綜合以上分析，吊弦疲勞試驗的加載范圍為324～400 N，循環(huán)周期可在0.3～2 s范圍內(nèi)取值，幅值取為115～200 mm。

圖5 吊弦點抬升量隨時間變化的曲線

圖6 吊弦點振幅隨頻率變化的曲線

3 支持及定位裝置疲勞試驗條件

[TBT2075：2010]并未規(guī)定詳細(xì)的支持及定位裝置的疲勞試驗條件，為分析其試驗條件，同樣需分析其壓縮幅度、內(nèi)部力、頻率。壓縮幅度與定位點抬升有關(guān)，內(nèi)部力為定位點受到的靜態(tài)拉力，頻率與定位點抬升隨時間變化曲線有關(guān)。

由于定位點抬升時定位點所承受的工作載荷是隨機的，并不能作為疲勞試驗的加載載荷，但是靜態(tài)載荷小于最大工作載荷，可按1.5倍靜態(tài)載荷加載。通過有限元計算可以得出每個支柱位置對應(yīng)的支持與定位裝置所承受的承力索和接觸線拉力，見表1。

表1 支持及定位裝置疲勞試驗加載靜態(tài)載荷 N

定位裝置疲勞試驗的壓縮幅值是根據(jù)定位點抬升量確定的，統(tǒng)計2個錨段定位點最大抬升量的分布如圖7所示。取定位點抬升量的最大值115 mm作為疲勞試驗的壓縮幅值。

圖7 區(qū)段定位點最大抬升量統(tǒng)計

支持與定位裝置疲勞試驗的頻率與吊弦懸掛點的振動頻率一樣均是基于其抬升曲線而確定的。圖8為其幅頻響應(yīng)曲線，可以發(fā)現(xiàn)，4 Hz以后的幅值衰減明顯，故定位裝置試驗的頻率取為0.5～4 Hz。

圖8 定位點振幅隨頻率變化曲線

壓縮幅度是相對定位點而言，頻率為定位點的振動頻率。綜合以上分析，得出支持與定位裝置的疲勞試驗條件：第1步加載靜態(tài)載荷，第2步加載位移載荷；靜載荷加載完畢后，對定位點加載位移載荷，其最大幅值為115 mm，頻率為0.5～4 Hz（圖 9）。

圖9 支持與定位裝置疲勞試驗載荷加載方式

4 結(jié)論

接觸網(wǎng)零部件疲勞試驗應(yīng)根據(jù)不同線路條件、接觸網(wǎng)參數(shù)、受電弓型號、環(huán)境邊界條件等，設(shè)置不同試驗工況、參數(shù)。依據(jù)京滬高鐵某區(qū)段2錨段的吊弦、支持與定位裝置工作載荷分析，得到京滬高鐵吊弦、支持與定位裝置疲勞試驗條件如下：

（1）吊弦疲勞試驗的加載范圍為324～400 N，循環(huán)周期可在0.3～2 s范圍內(nèi)取值，幅值可在115～200 mm范圍內(nèi)取值。

（2）試驗需采用首先加載靜態(tài)載荷，然后加載位移載荷方案。對定位點加載位移載荷，其幅值為0～115 mm，周期為0.25～2 s。

其他接觸網(wǎng)零部件的分析流程可參考吊弦及定位裝置的分析方法，根據(jù)疲勞試驗條件更新設(shè)計對應(yīng)的試驗臺進(jìn)行疲勞試驗，進(jìn)而得出某種零部件在特定載荷下的疲勞壽命。

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U225.4

B

1007-936X(2017)06-0030-04

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.06.008

侯日根.京滬高速鐵路股份有限公司，高級工程師。