京沪高铁接触网零部件疲劳试验条件研究

侯日根

京沪高铁接触网零部件疲劳试验条件研究

侯日根

接触网零部件长期受各种随机载荷的影响，容易发生低周疲劳。本文针对京沪高铁接触网零部件的现状，利用弓网仿真建立某区间接触网模型，分析吊弦、支持与定位装置的工作载荷和位移分布，设计吊弦、支持与定位装置的疲劳试验条件，得出吊弦疲劳试验的加载范围、循环周期、幅值参数取值；支持与定位装置疲劳试验加载静态载荷后，再对定位点加载位移载荷，得到幅值周期的取值范围。

接触网；吊弦；支持与定位；疲劳试验

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

接触网零部件受接触网内部和外部载荷的影响，如补偿装置、温度引起线索张力变化属于接触网内部载荷变化；受电弓带来的载荷、风载荷属于接触网外部载荷。内部载荷改变接触悬挂的线索张力是逐步的、渐进的，但是接触网外部载荷如受电弓带来的载荷，属于冲击性载荷，其特点是当受电弓通过某区段接触网时，引起接触网零部件的内部应力大幅变化，受电弓通过后，内部应力重新分布，接触网零部件恢复到其原有静态平衡位置。风由于具有脉动性，时有时无，属于冲击性载荷，对接触网零部件的影响也不容忽视。

接触网零部件随时受内部静载荷（假设温度变化缓慢）的影响，一旦外部载荷如受电弓冲击性载荷与之相互作用，引起零部件内部应力变化剧烈，当零部件长期受到幅值变化的交变应力作用，会引起接触网零部件的周期性疲劳，若交变应力幅值较大，可能引起低周疲劳，交变应力幅值较小，可能引起高周疲劳。

据相关文献研究，通过接触网仿真，得到接触线受到受电弓等外界载荷时的应力变化情况，可采用雨流计数法估计接触线的寿命；通过接触线的振动方程，得到接触线的疲劳极限统计特征，可建立接触线的疲劳可靠性分析数学模型，分析不同因素对导线疲劳可靠性的影响；通过接触网仿真，得到接触网受风载荷时的应力变化情况，可分析不同接触网参数和风速对接触线疲劳寿命的影响；通过接触网仿真，得到接触网吊弦承受的载荷，然后采用吊弦疲劳试验机，可对该载荷进行模拟，得到吊弦的疲劳寿命；还可设计一套接触网零部件疲劳试验机的控制算法，通过试验机得到疲劳寿命预期。综合以上文献研究，发现接触网零部件所承受载荷是确定零部件交变应力幅值的关键参数，得到零部件的交变应力，就可以通过数学方法估算零部件的寿命，或通过疲劳试验机测试得出其实际寿命。

得到接触网零部件载荷随时间变化的数据有2种途径：一是在接触网现场安装应变应力测试设备，通过应力应变计算得出某点所承受载荷；二是建立接触网的动力学仿真模型，通过改变边界和初始条件模拟接触网零部件的受力情况。现场实测需要的费用较高，且不容易满足测试条件，而接触网仿真则比较灵活，但需要经实验验证的仿真模型。疲劳寿命评估的方法可以利用材料的疲劳寿命评估，也可利用疲劳试验机进行评估，后者比较接近真值。综合以上分析，欲对京沪高铁接触网关键零部件疲劳寿命进行研究，宜以京沪高铁接触网的关键零部件为研究对象，利用弓网仿真工具，通过分析、研究零部件的载荷变化规律，为疲劳试验提供关键参数与依据。

1 接触网零部件疲劳试验

零部件的疲劳破坏通常是突发性的，如果能在较短时间内得到疲劳累计损伤过程的资料，通过对零部件进行加速疲劳试验，根据试验分析结果，在零部件产生疲劳破坏前采取有效的预防措施，可避免事故发生，故关键的接触网零部件须进行疲劳试验。而采用理论方法预测零部件在交变载荷作用下的疲劳强度和寿命，得出的结果具有较大的离散性，因此，更精确可靠数据的获取须基于对疲劳试验进行的研究。

《电气化铁路接触网零部件技术条件》[TBT 2073：2010]规定了接触网悬挂、定位、锚固、连接、补偿、隧道内等零件均需进行疲劳试验，且规定了其试验条件，其中安装条件需根据使用工况，试验载荷及幅值需满足最大工作荷重的±30%，疲劳交变波形为正弦波，疲劳频率为1～3 Hz，疲劳次数不少于5×105次。《电气化铁路接触网零部件试验条件》[TBT 2074：2010]在[TBT 2073：2010]的基础上对零部件的疲劳试验条件做出更为详细的规定，包括对试验装置的要求、试验零部件应按实际使用状态安装、被测试零部件在试验后需满足的要求等。《电气化铁路接触网零部件》[TBT 2075：2010]中对需要进行疲劳试验的接触网零部件并未给出具体的疲劳试验方案，且需要测试的零部件种类较多，并非所有零部件均适用等幅疲劳试验。

为获得接触网零部件的试验条件，首先需要获取零部件的工作载荷，经过现场测试数据确认后的弓网仿真是获取接触网工作载荷的有效途径。结合疲劳试验，最后可得出接触网零部件的疲劳寿命。接触网零部件寿命评估方法的流程为：弓网仿真→模拟零部件工作状况→实验室还原工况→获得零部件疲劳寿命。

在现有条件下，本文重点分析吊弦、支持与定位装置2种接触网关键零部件的疲劳试验条件，可作为其他接触网零部件疲劳试验条件的参考。

2 吊弦疲劳试验条件

欧标[EN50119]中有关吊弦疲劳试验的要求规定，试验由一个变化荷载和压缩周期组成，吊弦应与其特定的线夹按正常使用的最低要求进行试验，规定压缩幅度在20～200 mm之间，吊弦内部力为100～400 N，频率为0.5～10 Hz，且至少进行2×106次试验，吊弦不得在规定的试验次数之前断裂。吊弦加载方式如图1所示，压缩周期为半个周期正弦波，吊弦内部力为恒力。

图1 欧标规定的吊弦疲劳试验

参照[EN50119]中的吊弦疲劳试验条件，获取吊弦的压缩幅度、内部力、频率3个关键参数。由于其取值范围并未针对某一具体的弓网系统，具有通用性，针对每条接触网线路应调整其取值，结合弓网仿真，给出京沪高铁吊弦疲劳试验条件的相应取值。

为得到正确的吊弦疲劳载荷，选取京沪高铁徐州东—枣庄西区段（K637+045.2—K639+510.91）的上行线2个锚段作为测试对象，获取了压缩幅度、内部力、频率3个参数的实测数值，结合接触网设计参数及平面布置、安装图等资料，建立该区段的接触网有限元模型，见图2。采用DSA380型受电弓进行仿真模拟，运行速度为350 km/h。

图2 京沪高铁某区段接触网有限元模型

由于受电弓作用引起承力索的抬升量很小，吊弦疲劳试验的压缩幅值是根据接触线吊弦悬挂点的抬升量来确定的，统计2个锚段吊弦悬挂点最大抬升量的分布如图3所示。根据木桶原理，取吊弦处最大抬升量中的最大值115 mm作为疲劳试验的压缩幅值。

图3 区间吊弦的最大抬升量统计

吊弦疲劳试验的内部力根据吊弦实际所承受的最大轴向拉力确定，统计2个锚段吊弦悬挂点的最大轴向力的分布如图4所示。取吊弦最大轴向力中的最大值324 N作为疲劳试验的内部力。

图4 区间吊弦的最大轴向力统计

吊弦疲劳试验的频率根据吊弦的抬升量随时间变化的曲线确定，即吊弦抬升点绕原点上下振动的周期的倒数，图5为某一点吊弦的抬升量随时间变化的曲线，图6为该曲线的幅频响应曲线。由图6可以发现，3.5 Hz以后的幅值衰减明显，故吊弦试验的频率取为0.5～3.5 Hz。

综合以上分析，吊弦疲劳试验的加载范围为324～400 N，循环周期可在0.3～2 s范围内取值，幅值取为115～200 mm。

图5 吊弦点抬升量随时间变化的曲线

图6 吊弦点振幅随频率变化的曲线

3 支持及定位装置疲劳试验条件

[TBT2075：2010]并未规定详细的支持及定位装置的疲劳试验条件，为分析其试验条件，同样需分析其压缩幅度、内部力、频率。压缩幅度与定位点抬升有关，内部力为定位点受到的静态拉力，频率与定位点抬升随时间变化曲线有关。

由于定位点抬升时定位点所承受的工作载荷是随机的，并不能作为疲劳试验的加载载荷，但是静态载荷小于最大工作载荷，可按1.5倍静态载荷加载。通过有限元计算可以得出每个支柱位置对应的支持与定位装置所承受的承力索和接触线拉力，见表1。

表1 支持及定位装置疲劳试验加载静态载荷 N

定位装置疲劳试验的压缩幅值是根据定位点抬升量确定的，统计2个锚段定位点最大抬升量的分布如图7所示。取定位点抬升量的最大值115 mm作为疲劳试验的压缩幅值。

图7 区段定位点最大抬升量统计

支持与定位装置疲劳试验的频率与吊弦悬挂点的振动频率一样均是基于其抬升曲线而确定的。图8为其幅频响应曲线，可以发现，4 Hz以后的幅值衰减明显，故定位装置试验的频率取为0.5～4 Hz。

图8 定位点振幅随频率变化曲线

压缩幅度是相对定位点而言，频率为定位点的振动频率。综合以上分析，得出支持与定位装置的疲劳试验条件：第1步加载静态载荷，第2步加载位移载荷；静载荷加载完毕后，对定位点加载位移载荷，其最大幅值为115 mm，频率为0.5～4 Hz（图 9）。

图9 支持与定位装置疲劳试验载荷加载方式

4 结论

接触网零部件疲劳试验应根据不同线路条件、接触网参数、受电弓型号、环境边界条件等，设置不同试验工况、参数。依据京沪高铁某区段2锚段的吊弦、支持与定位装置工作载荷分析，得到京沪高铁吊弦、支持与定位装置疲劳试验条件如下：

（1）吊弦疲劳试验的加载范围为324～400 N，循环周期可在0.3～2 s范围内取值，幅值可在115～200 mm范围内取值。

（2）试验需采用首先加载静态载荷，然后加载位移载荷方案。对定位点加载位移载荷，其幅值为0～115 mm，周期为0.25～2 s。

其他接触网零部件的分析流程可参考吊弦及定位装置的分析方法，根据疲劳试验条件更新设计对应的试验台进行疲劳试验，进而得出某种零部件在特定载荷下的疲劳寿命。

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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.京沪高速铁路股份有限公司，高级工程师。