基于運行工況的接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命分析

劉 濤，陳 可，關金發(fā)

0 引言

接觸網(wǎng)沿鐵路線路架設，無備用，長期承受受電弓和外部環(huán)境的隨機載荷，接觸網(wǎng)零部件疲勞是接觸網(wǎng)故障的主要類型之一，屬于與服役時間相關的故障。若能預估接觸網(wǎng)零部件的疲勞壽命，則可按照該預估值制定接觸網(wǎng)零部件的維修周期，對接觸網(wǎng)的運營維修具有重要意義。

研究接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命的文獻有：文獻[1]篩選了接觸網(wǎng)的關鍵零件，利用弓網(wǎng)動力仿真手段得出了不同速度等級的接觸網(wǎng)零件載荷分布；文獻[2～4]利用雨流計數(shù)法統(tǒng)計接觸線的疲勞應力譜，并研究了接觸線的疲勞壽命；文獻[5]利用仿真手段，研究了風作用在接觸線上的接觸線疲勞壽命；文獻[6，7]利用計算機仿真手段建立弓網(wǎng)動態(tài)模型以及吊弦模型，分析吊弦的疲勞載荷特性及壽命；文獻[8，9]分析了高鐵接觸網(wǎng)吊弦斷裂原因，并對吊弦疲勞試驗方法提出改進措施；文獻[10]通過建立接觸網(wǎng)仿真模型，對高速鐵路接觸網(wǎng)進行了受力分析；文獻[11]根據(jù)微動理論，對接觸網(wǎng)吊弦進行仿真建模，分析吊弦損傷機理，并提出改進壓接結構提高整體吊弦性能等相關措施；文獻[12]對接觸網(wǎng)定位裝置開展磨損試驗，得出定位器與定位座的磨損形式與定位器水平力有關，定位器與定位座的接觸越緊密磨損量越小的結論；文獻[13]針對京滬高鐵接觸網(wǎng)吊弦及定位裝置的工作載荷和位移分布，提出了吊弦及定位裝置的疲勞試驗條件；文獻[14]通過建立弓網(wǎng)動態(tài)仿真模型，分析了承力索座、腕臂、定位器等接觸網(wǎng)零部件的載荷譜，并估算了不同運行速度下的零部件壽命；文獻[15]通過建立接觸網(wǎng)仿真模型，分析了棘輪本體和腕臂定位裝置的靜強度，并得到吊弦的疲勞特性曲線；文獻[16～19]仿真分析了400 km/h速度時接觸線預弛度和列車速度對吊弦壽命的影響，得到了接觸線預弛度越大、列車速度越快，吊弦的使用壽命越短的結論；文獻[20]設計了接觸線疲勞壽命試驗臺，并定量估算了接觸線的疲勞性能。

既有接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命的研究主要側重載荷譜的編制和接觸線、吊弦及定位裝置的壽命預估，尚未有通用性的接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命建模與分析方法，并針對不同線路接觸網(wǎng)的運行工況，預估零部件的疲勞壽命。本文首先研究接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命預估所需的分析流程和分析工具；然后以某實際線路接觸網(wǎng)為研究對象，建立該線路的受電弓與接觸網(wǎng)動態(tài)仿真模型，開展線路實測試驗，并確認仿真結果的有效性；最后，分析該線路的接觸網(wǎng)零部件載荷分布，比較同種零部件在不同載荷下的疲勞壽命。

1 零部件疲勞壽命分析流程

接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命受零部件的結構、形狀和材料等抗載荷能力，以及所加載的機械和電氣載荷等外部載荷的影響。一般情況，抗載荷能力是載荷與安全系數(shù)的乘積。在零部件抗載荷能力一定的情況下，零部件的疲勞壽命取決于外部施加的載荷。假設忽略接觸網(wǎng)的電氣載荷和外部環(huán)境的影響，僅考慮受電弓作為接觸網(wǎng)的單一外力作用。

為獲取有效的接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命，首先需獲取基于弓網(wǎng)運行工況的實際零部件載荷。獲取實際零部件載荷的途徑有兩種，一種是在線路對零部件加裝傳感器測試，另一種是弓網(wǎng)動態(tài)仿真計算。

線路實測對接觸網(wǎng)的安全運行產生一定影響，且測試對象單一，不能逐一測量每一個接觸網(wǎng)零部件。而弓網(wǎng)動態(tài)仿真則可計算任一零部件的載荷，但弓網(wǎng)動態(tài)仿真需要考慮兩方面問題，一方面是弓網(wǎng)仿真結果的準確性驗證，另一方面是真實的弓網(wǎng)運行工況模擬。弓網(wǎng)仿真結果的準確性可利用弓網(wǎng)動態(tài)性能測試獲取的實測結果進行比對。為模擬真實的工況，接觸網(wǎng)仿真參數(shù)中的接觸線高度和拉出值應為實際測量值，受電弓仿真參數(shù)與實際使用的受電弓參數(shù)一致。

通過對受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)仿真獲取接觸懸掛和定位點、支持點的載荷時程。接觸懸掛包括接觸線、承力索、吊弦、彈性吊索和電連接等線索，以及各類線夾。以定位點和支持點的載荷時程作為輸入，進一步建立支持與定位裝置的仿真模型，分析支持與定位裝置的受力及零部件的內部應力時程。最后以接觸網(wǎng)零部件的應力時程作為輸入，利用疲勞壽命仿真平臺，得到零部件的疲勞壽命預估值。為確認疲勞壽命預估值，還需建立相關的疲勞壽命測試平臺驗證疲勞壽命仿真結果。

接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命的分析流程如圖1所示?；谠摲治隽鞒?，以京滬高鐵為例，建立京滬高鐵某區(qū)間兩錨段的弓網(wǎng)動態(tài)仿真模型，分析接觸網(wǎng)的關鍵零部件—定位器的疲勞壽命。

圖1 基于運行工況的接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命分析流程

2 零部件載荷獲取

選取京滬高鐵徐州東—棗莊西區(qū)段K637+045.2—K639+510.91上行線兩個錨段的接觸網(wǎng)作為分析對象，實測該區(qū)間的接觸線高度和拉出值，結合該段的接觸網(wǎng)平面布置圖和表1所示的接觸網(wǎng)設計參數(shù)，建立該段接觸網(wǎng)的有限元仿真模型，如圖2所示。其中接觸線、承力索、彈性吊索和吊弦采用索單元模擬，定位器采用梁單元模擬。

圖2 京滬高鐵接觸網(wǎng)有限元仿真模型

表1 京滬高鐵接觸網(wǎng)設計參數(shù)

受電弓使用西門子SSS400+型，其仿真參數(shù)如表2所示。受電弓數(shù)量為2架，弓間距為200 m。受電弓的靜態(tài)接觸力按70 N計算，氣動抬升力按0.000 97v2計算，其中v為受電弓運行速度，km/h，該段接觸網(wǎng)的受電弓運行速度為300 km/h。

表2 受電弓仿真參數(shù)

利用定位點抬升在線監(jiān)測技術，對該區(qū)段的某中間支柱進行定位點抬升測量。將該測量值與弓網(wǎng)動態(tài)仿真值進行比較，如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)測量曲線與仿真曲線基本重合，驗證了弓網(wǎng)動態(tài)仿真結果的有效性。

圖3 京滬高鐵某定位點抬升測試與仿真結果

利用弓網(wǎng)動態(tài)仿真，得到中心轉換支柱定位點和中間支柱定位點的受力時程，如圖4、圖5所示。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，中心轉換柱的定位點在3個方向的受力均沿0值上下波動，垂直和順線路方向的受力很小，主要是拉出值方向的受力變化。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，中間柱的定位點在受電弓尚未到達時，垂直方向和拉出值方向均有一定的恒力，當受電弓通過定位點時，定位點受力出現(xiàn)一定的波動，10 s和12 s附近垂直方向受力出現(xiàn)2個波谷，說明定位點被抬升時其垂向受力減小。

圖4 中心轉換柱定位點受力時程

圖5 中間柱定位點受力時程

3 零部件疲勞壽命預估

將以上得到的定位點和支持點受力時程輸入支持與定位結構仿真平臺，得到某一時刻中心轉換柱的支持與定位結構應力分布，如圖6所示，其中等效最大應力為35.6 MPa。

圖6 中心轉換柱支持與定位結構應力分布

在編制載荷譜時，忽略零部件所承受的小載荷段，即截取列車行駛至定位點前2 s與駛離后載荷幅值衰減至最大振幅10%～20%時的時間段數(shù)據(jù)為分析的源數(shù)據(jù)[1]。利用雨流法統(tǒng)計出時變的應力幅值和交變次數(shù)，結合定位器材料的S-N曲線，采用疲勞損傷線性累積法則進行定位器的疲勞壽命分析。

圖7所示為接觸網(wǎng)零部件疲勞仿真平臺輸出的中間柱定位器疲勞壽命分布，得到中間柱定位器的最小壽命為150萬次載荷循環(huán)，折算為300萬弓架次，符合接觸網(wǎng)的設計壽命要求（接觸網(wǎng)設計壽命為200萬弓架次）。

圖7 中間柱定位器疲勞壽命分布

采用同樣的分析步驟，輸出的中心轉換柱定位器疲勞壽命分布如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)定位器的根部與定位支座相連的區(qū)域壽命最小，為12萬次載荷循環(huán)。若換算成弓架次，假設每次循環(huán)弓架次為2，則中心轉換柱的定位器在使用24萬弓架次后即達到疲勞破壞，且疲勞破壞始于定位器根部。

圖8 中心轉換柱定位器疲勞壽命分布

安裝在中心轉換柱的定位器相對安裝在中間柱的定位器疲勞壽命較小，且未達到接觸網(wǎng)的設計壽命要求，需引起重視。

4 結語

（1）設計了基于運行工況的接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命分析流程，建立了受電弓與接觸網(wǎng)動態(tài)仿真平臺和支持、定位結構仿真平臺及接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命預估平臺，并利用實測數(shù)據(jù)驗證了弓網(wǎng)動態(tài)仿真平臺仿真結果的有效性。

（2）以京滬高鐵某區(qū)段中心轉換柱和中間柱定位器為分析目標，得出定位器的受力時程和應力時程，以及安裝在中心轉換柱的定位器相對安裝在中間柱的定位器疲勞壽命較小，最容易出現(xiàn)疲勞破壞的區(qū)域為定位器與定位支座連接處的結論。

（3）通過對高速鐵路接觸網(wǎng)定位器的疲勞壽命分析，說明基于運行工況的接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命分析流程是可行的。