受电弓作用下接触网动态响应分析

2013-03-13张莉娜刘桓龙王国志

电气化铁道 2013年2期

张莉娜，邓斌，刘桓龙，王国志

0 引言

地处新疆的兰新线铁路和南疆线铁路，接触网设备沿铁路线露天布置，工作环境恶劣且无备用，受风雪等自然灾害影响较大，一旦失效破坏，将引起弓网故障，严重时导致列车停驶，经济损失巨大[1]。

随着电气化铁路运行速度的不断提高，机车受电弓在沿接触线运行的过程中，会引起接触网的振动以及接触压力的变化，接触线的应力也会随之变化。为保证机车受电弓在横向风力作用下沿接触线滑行时的正常受流，接触网设计时仅仅按静强度设计是不够的，还需要考虑其动态性能[2，3]。因此，需深入进行接触网动力稳定性影响的研究，为进一步研究强风载荷下的接触网稳定性和可靠性提供依据和参考。

1 接触网模型建立

本文以兰新线铁路某直线段接触网为研究对象，结合接触网各部件在弓网系统中的作用和实际情况，建立承力索、接触线、吊弦和支撑结构耦合的6 跨单个锚段接触网有限元模型。

模型建立时，考虑接触悬挂系统材料非线性，引入双线性随动强化弹塑性模型（BKIN）来模拟；考虑悬挂系统几何非线性，假设承力索和接触线是理想柔性的。

接触网的结构布置参数见表1，吊弦等间距均匀分布；接触网两端全约束，5 个支柱底部约束3个方向自由度，释放承力索与承力索支座铰接点的z 方向旋转自由度。其中悬挂结构承力索、接触线因考虑其轴向变形，采用beam4 梁单元模拟；吊弦只受拉力，采用杆单元link10 模拟。接触网有限元模型见图1。

表1 接触网布置参数表

2 弓网作用力

弓网系统中，受电弓与接触网是通过接触压力耦合在一起的。在弓网系统的研究过程中，一般是通过列车的运行速度以及运行时间来确定某一时刻弓网间接触点的位置。运用数值计算方法分别计算出该时刻接触线、弓头的位移，然后求得接触压力，具体计算方法见文献[4]。本文共计算了受电弓分别以120，160，200，250 km/h运行时的弓网接触压力，图2示出了受电弓在运行速度为120，250 km/h时接触压力随时间的变化曲线。

图1 接触网有限元模型图

图2 接触压力变化曲线图

由图2 知，随着运行速度的增加，接触压力最大值增加，最小值则大幅减小，波动幅度增大。速度增加到250 km/h 时，最小值已减小到零。接触压力过小，易造成离线；接触压力过大，接触线抬升量过大，使接触线局部弯曲，引起接触线疲劳损伤，同时使接触线磨耗增大，严重时将造成弓网事故[5]。

3 接触网动态响应计算

3.1 接触线动态抬升量

将受电弓以速度120，160，200，250 km/h 运行时的弓网作用力作为瞬态分析的载荷，利用接触网动力学平衡方程进行瞬态分析，计算接触线的动态抬升量。受电弓在各速度下，接触线的最大抬升量如图3 所示。

图3 接触线动态抬升量比较图

从图3 可看出，抬升量的最大值通常在受电弓行至每跨跨中时，在受电弓与接触线的接触点附近出现；抬升量最小值通常在受电弓行至支柱时，但不一定在接触点，因为支柱处刚度很大，接触压力引起的位移很小。

在不同受电弓运行速度下，接触线不同位置的抬升量是不同的。考虑到跨中位置处的位移响应较明显，选取较稳定的第4 跨跨中（140 m）位置处，对该位置在不同速度下的抬升量进行比较（图4）。

由图4 可看出，当受电弓运行在接触线前3 跨时，该位置的抬升量较小；当受电弓运行至第4 跨时，该位置的抬升量逐渐增大，且运行至该位置时达到最大值；当受电弓通过该位置后，该位置的抬升量有一定减小，但运行至第5 跨和第6 跨跨中时，该位置的抬升量是相应跨中的极大值。随着速度的增加，受电弓通过该位置时的抬升量有所增加；受电弓通过该位置后，该位置的抬升量近似呈以跨距为周期的周期性变化，并在运行至跨中时达到每跨中抬升量的极大值。

3.2 动应力计算

将接触线和承力索的张力作为静态荷载，其中接触线张力为25 kN，承力索张力为23.5 kN，施加到接触网有限元模型上。通过静力分析，接触线和承力索的静态应力分别为165.5 和200.8 MPa。接触网的总应力由静态应力、弓网作用力和接触网振动所共同引起的动应力组成。

选取受电弓以速度160 km/h 运行时，接触线和承力索上跨中和支柱附近位置处的最大动应力和总应力的值见表2。

由表2 可见，受电弓以时速160 km 运行，当运行到100 m 位置（即第3 跨跨中）时，承力索动应力最大值为12.5 MPa，其出现的位置在121.5～122 m 处；当运行到182.5 m 位置（即第5 跨跨中位置附近）时，接触线动应力最大值为8.6 MPa，其出现的位置在179.5～180 m 处。