接觸線磨耗對接觸網(wǎng)靜態(tài)性能的影響研究

白羽希

摘要：目前，我國的經(jīng)濟(jì)在快速的發(fā)展，社會(huì)在不斷的進(jìn)步，接觸線在受電弓滑板摩擦作用下，其表面會(huì)產(chǎn)生磨損現(xiàn)象?？紤]接觸線的磨耗為均勻磨耗，利用有限單元法，建立整個(gè)錨段的接觸網(wǎng)模型。針對不同磨耗下接觸網(wǎng)的靜態(tài)模型，研究接觸網(wǎng)的空間位置和彈性性能變化，最后對接觸網(wǎng)因磨耗而產(chǎn)生的幾何不平順提出了修正方案。

關(guān)鍵詞：接觸線；磨耗；接觸網(wǎng)；變形；有限元法

引言

接觸網(wǎng)系統(tǒng)由接觸線、承力索、彈性吊索、吊弦、定位器、支柱、腕臂等大尺度柔性索組合而成，是在預(yù)張力下的內(nèi)應(yīng)力自平衡系統(tǒng)。接觸網(wǎng)使用條件苛刻，投入運(yùn)營后就擔(dān)負(fù)著繁忙的運(yùn)輸任務(wù)，且無備用線路。經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，零件不可避免會(huì)產(chǎn)生磨損。接觸線磨損后，質(zhì)量和截面慣性矩減小，內(nèi)應(yīng)力平衡被打破，接觸網(wǎng)靜態(tài)性能發(fā)生變化。目前，高速鐵路接觸網(wǎng)磨耗的研究主要集中在磨耗檢測方面，針對磨耗對接觸網(wǎng)靜態(tài)性能影響的研究較少。在設(shè)計(jì)接觸線的最大工作張力時(shí)，考慮了接觸線的磨耗系數(shù)。規(guī)定接觸線最大允許磨耗面積為標(biāo)稱截面積的 20%。利用經(jīng)典力學(xué)研究了接觸線磨耗對接觸網(wǎng)靜態(tài)幾何形態(tài)的影響。根據(jù)中的高速鐵路接觸網(wǎng)檢測的參數(shù)與測量要求（靜態(tài)檢測），對基于有限單元法建立的整個(gè)錨段接觸網(wǎng)模型，在不同接觸線磨耗下接觸網(wǎng)的空間位置和彈性性能變化進(jìn)行了研究，并提出改進(jìn)措施。

1接觸網(wǎng)導(dǎo)線磨耗含義

接觸網(wǎng)磨損是受電弓作用下表面的腐蝕磨損現(xiàn)象。接觸線磨損的主要原因有：接觸線與滑板之間的電腐蝕、受電弓碳滑板的機(jī)械摩擦、化學(xué)腐蝕、接觸線氧化等。接觸線的載流能力、接觸線的機(jī)械安全性和接觸線的使用壽命都受接觸線磨損的影響，總磨損小和懸鏈線是正常運(yùn)行的，然而，地方磨損鋼絲接觸成為更多和更嚴(yán)重的，并由服務(wù)壽命接觸線在一定程度上是受影響的。在實(shí)際運(yùn)行中，列車匯流排中間接頭、錨段關(guān)節(jié)、緩坡區(qū)段、出站加速區(qū)段等是接觸線出現(xiàn)不均勻磨耗的主要集中地段。其中以電客車出站加速區(qū)段錨段關(guān)節(jié)與中間接頭尤為突出。正常情況下，更換接觸線依據(jù)是當(dāng)接觸線磨耗到達(dá)匯流排時(shí)，但是，如果某區(qū)段或者某個(gè)點(diǎn)的接觸線磨耗特別大，已接近磨到匯流排，而其他地方的接觸線還未達(dá)到換線標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，接觸線就必須整個(gè)錨段或局部進(jìn)行更換。

2接觸網(wǎng)磨耗計(jì)算模型

2.1接觸網(wǎng)初始平衡模型

首先建立接觸網(wǎng)初始平衡模型。初始模型模擬接觸線無磨耗的狀態(tài)，接觸線各吊弦、定位器連接處的導(dǎo)高為標(biāo)準(zhǔn)值。以一個(gè)錨段為研究對象，基于有限單元法建立簡單鏈形接觸網(wǎng)三維靜態(tài)模型。由于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建模時(shí)需進(jìn)行簡化。定位器簡化為非線性彈簧單元和集中質(zhì)量單元；線夾、中心錨結(jié)簡化為集中質(zhì)量單元；不考慮支座、腕臂的影響，將支座、腕臂簡化為鉸支座。接觸網(wǎng)采用的線材及張力如表1所示，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表1 接觸網(wǎng)線材及張力

表2 接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2磨損接觸線參數(shù)的計(jì)算

接觸線在受電弓滑板的機(jī)械摩擦作用下，其工作表面會(huì)產(chǎn)生磨蝕現(xiàn)象。接觸網(wǎng)在“之”字形布置情況下，當(dāng)受電弓以某一速度滑過時(shí)，碳滑板不同點(diǎn)被磨損的程度是相同的。

2.3接觸懸掛硬點(diǎn)隨機(jī)性

接觸懸掛在接觸網(wǎng)運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)凸硬點(diǎn)（凸硬點(diǎn)的出現(xiàn)在時(shí)間和空間上是隨機(jī)的），這也導(dǎo)致了受電弓滑動(dòng)磨損位置的隨機(jī)性。硬點(diǎn)的出現(xiàn)是指接觸懸掛導(dǎo)電性的突然變化，使受電弓在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)直接承受接觸懸掛的機(jī)械沖擊或產(chǎn)生離線引弧。當(dāng)機(jī)械沖擊過大時(shí)，受電弓滑板甚至?xí)霈F(xiàn)裂紋。根據(jù)以往的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，易發(fā)生硬點(diǎn)的區(qū)域有剛-柔過渡區(qū)、分段絕緣子滑動(dòng)、匯流排中間接頭、錨接頭過渡等。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1吊弦偏轉(zhuǎn)

從圖1可知，沿線路方向每跨的導(dǎo)高抬升量并不相同。中錨附近抬升量最小，越遠(yuǎn)離中錨的跨，抬升量越大。接觸線磨損后截面積A和截面慣性矩Iz減小，從而使接觸線重量下降，并使接觸線的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度下降；在恒定張力的作用下接觸線被拉伸伸長，并向錨段兩端延伸；同時(shí)承力索抬升，曲率變小，承力索也會(huì)向錨段兩端延伸。圖2為不一樣磨耗下接觸線和承力索下錨處位移值。從圖2可以看出，線索下錨處的位移隨磨耗系數(shù)增大而增大，接觸線位移值較承力索的要大。接觸線和承力索沿路線方向位移的差異會(huì)導(dǎo)致吊弦偏轉(zhuǎn)，如圖7所示，位于錨段首尾吊弦上下段的位移差值最大達(dá)到188.8mm。吊弦偏轉(zhuǎn)后會(huì)在接觸線吊點(diǎn)處產(chǎn)生附加抬升，使導(dǎo)高不均勻性增加。同時(shí)改變了吊弦受力方向和受力狀態(tài)。

3.2不同磨耗下接觸網(wǎng)彈性

靜態(tài)彈性是接觸網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)重要靜態(tài)指標(biāo)，靜態(tài)彈性e定義為： 式中：δ為相應(yīng)位置接觸線的靜態(tài)抬升量；F為施加在接觸線上的靜態(tài)測量抬升力。接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)的基本原則是接觸線的靜態(tài)彈性應(yīng)盡可能一致。通常采用彈性不均勻度u來描述接觸網(wǎng)系統(tǒng)靜態(tài)剛度的彈性一致性，彈性不均勻度定義為： 式中：u為彈性不均勻度；emax為最大彈性；emin為最小彈性。利用建立的接觸網(wǎng)有限元模型，通過給接觸線的節(jié)點(diǎn)施加向上載荷，重新計(jì)算靜平衡狀態(tài)，獲得相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的抬升量，即可計(jì)算接觸線不同磨耗下的靜態(tài)彈性。測量抬升力為190N，距離50～200m的3跨接觸網(wǎng)不同磨耗系數(shù)下的靜態(tài)彈性。

4接觸網(wǎng)磨耗的修正措施

接觸網(wǎng)的安裝過程為一次性整體安裝，整個(gè)生命周期內(nèi)不允許更換零部件。上述研究表明隨著接觸線的磨損，整個(gè)錨段內(nèi)的導(dǎo)高不均勻性逐步惡化，并遠(yuǎn)離初始設(shè)計(jì)值?？紤]到整個(gè)使用周期內(nèi)的接觸網(wǎng)性能，可以通過調(diào)整接觸網(wǎng)的初始形狀來改善因磨耗而產(chǎn)生的變形。取磨耗系數(shù)為0.2時(shí)接觸線懸掛點(diǎn)抬升量的1/2作為懸掛點(diǎn)的預(yù)留弛度，考察修正后的接觸網(wǎng)在不同磨耗下的變形情況。

結(jié)語

（1）接觸線磨損對接觸網(wǎng)幾何形態(tài)有顯著影響，接觸線幾何不平順增加。磨耗系數(shù)為0.2時(shí)，接觸線的高度偏差為32.62mm，超過了接觸網(wǎng)的驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)；（2）接觸線磨損后，定位器位置柔度增大，跨中柔度基本不變，接觸網(wǎng)彈性不均勻度降低，結(jié)構(gòu)柔度更趨一致；（3）合理設(shè)置接觸線懸掛點(diǎn)的預(yù)留弛度，可以改善接觸網(wǎng)因磨耗而產(chǎn)生的幾何不平順。

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（作者單位：中鐵九局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計(jì)院）