接触线磨耗对接触网静态性能的影响研究

白羽希

摘要：目前，我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，接触线在受电弓滑板摩擦作用下，其表面会产生磨损现象。考虑接触线的磨耗为均匀磨耗，利用有限单元法，建立整个锚段的接触网模型。针对不同磨耗下接触网的静态模型，研究接触网的空间位置和弹性性能变化，最后对接触网因磨耗而产生的几何不平顺提出了修正方案。

关键词：接触线；磨耗；接触网；变形；有限元法

引言

接触网系统由接触线、承力索、弹性吊索、吊弦、定位器、支柱、腕臂等大尺度柔性索组合而成，是在预张力下的内应力自平衡系统。接触网使用条件苛刻，投入运营后就担负着繁忙的运输任务，且无备用线路。经过长时间运行，零件不可避免会产生磨损。接触线磨损后，质量和截面惯性矩减小，内应力平衡被打破，接触网静态性能发生变化。目前，高速铁路接触网磨耗的研究主要集中在磨耗检测方面，针对磨耗对接触网静态性能影响的研究较少。在设计接触线的最大工作张力时，考虑了接触线的磨耗系数。规定接触线最大允许磨耗面积为标称截面积的 20%。利用经典力学研究了接触线磨耗对接触网静态几何形态的影响。根据中的高速铁路接触网检测的参数与测量要求（静态检测），对基于有限单元法建立的整个锚段接触网模型，在不同接触线磨耗下接触网的空间位置和弹性性能变化进行了研究，并提出改进措施。

1接触网导线磨耗含义

接触网磨损是受电弓作用下表面的腐蚀磨损现象。接触线磨损的主要原因有：接触线与滑板之间的电腐蚀、受电弓碳滑板的机械摩擦、化学腐蚀、接触线氧化等。接触线的载流能力、接触线的机械安全性和接触线的使用寿命都受接触线磨损的影响，总磨损小和悬链线是正常运行的，然而，地方磨损钢丝接触成为更多和更严重的，并由服务寿命接触线在一定程度上是受影响的。在实际运行中，列车汇流排中间接头、锚段关节、缓坡区段、出站加速区段等是接触线出现不均匀磨耗的主要集中地段。其中以电客车出站加速区段锚段关节与中间接头尤为突出。正常情况下，更换接触线依据是当接触线磨耗到达汇流排时，但是，如果某区段或者某个点的接触线磨耗特别大，已接近磨到汇流排，而其他地方的接触线还未达到换线标准时，接触线就必须整个锚段或局部进行更换。

2接触网磨耗计算模型

2.1接触网初始平衡模型

首先建立接触网初始平衡模型。初始模型模拟接触线无磨耗的状态，接触线各吊弦、定位器连接处的导高为标准值。以一个锚段为研究对象，基于有限单元法建立简单链形接触网三维静态模型。由于接触网结构复杂，建模时需进行简化。定位器简化为非线性弹簧单元和集中质量单元；线夹、中心锚结简化为集中质量单元；不考虑支座、腕臂的影响，将支座、腕臂简化为铰支座。接触网采用的线材及张力如表1所示，接触网结构参数如表2所示。

表1 接触网线材及张力

表2 接触网结构参数

2.2磨损接触线参数的计算

接触线在受电弓滑板的机械摩擦作用下，其工作表面会产生磨蚀现象。接触网在“之”字形布置情况下，当受电弓以某一速度滑过时，碳滑板不同点被磨损的程度是相同的。

2.3接触悬挂硬点随机性

接触悬挂在接触网运行过程中不可避免地会出现凸硬点（凸硬点的出现在时间和空间上是随机的），这也导致了受电弓滑动磨损位置的随机性。硬点的出现是指接触悬挂导电性的突然变化，使受电弓在高速运动时直接承受接触悬挂的机械冲击或产生离线引弧。当机械冲击过大时，受电弓滑板甚至会出现裂纹。根据以往的运行经验，易发生硬点的区域有刚-柔过渡区、分段绝缘子滑动、汇流排中间接头、锚接头过渡等。

3计算结果分析

3.1吊弦偏转

从图1可知，沿线路方向每跨的导高抬升量并不相同。中锚附近抬升量最小，越远离中锚的跨，抬升量越大。接触线磨损后截面积A和截面惯性矩Iz减小，从而使接触线重量下降，并使接触线的抗拉强度、抗弯强度下降；在恒定张力的作用下接触线被拉伸伸长，并向锚段两端延伸；同时承力索抬升，曲率变小，承力索也会向锚段两端延伸。图2为不一样磨耗下接触线和承力索下锚处位移值。从图2可以看出，线索下锚处的位移随磨耗系数增大而增大，接触线位移值较承力索的要大。接触线和承力索沿路线方向位移的差异会导致吊弦偏转，如图7所示，位于锚段首尾吊弦上下段的位移差值最大达到188.8mm。吊弦偏转后会在接触线吊点处产生附加抬升，使导高不均匀性增加。同时改变了吊弦受力方向和受力状态。

3.2不同磨耗下接触网弹性

静态弹性是接触网系统的一个重要静态指标，静态弹性e定义为： 式中：δ为相应位置接触线的静态抬升量；F为施加在接触线上的静态测量抬升力。接触网设计的基本原则是接触线的静态弹性应尽可能一致。通常采用弹性不均匀度u来描述接触网系统静态刚度的弹性一致性，弹性不均匀度定义为： 式中：u为弹性不均匀度；emax为最大弹性；emin为最小弹性。利用建立的接触网有限元模型，通过给接触线的节点施加向上载荷，重新计算静平衡状态，获得相应节点的抬升量，即可计算接触线不同磨耗下的静态弹性。测量抬升力为190N，距离50～200m的3跨接触网不同磨耗系数下的静态弹性。

4接触网磨耗的修正措施

接触网的安装过程为一次性整体安装，整个生命周期内不允许更换零部件。上述研究表明随着接触线的磨损，整个锚段内的导高不均匀性逐步恶化，并远离初始设计值。考虑到整个使用周期内的接触网性能，可以通过调整接触网的初始形状来改善因磨耗而产生的变形。取磨耗系数为0.2时接触线悬挂点抬升量的1/2作为悬挂点的预留弛度，考察修正后的接触网在不同磨耗下的变形情况。

结语

（1）接触线磨损对接触网几何形态有显著影响，接触线几何不平顺增加。磨耗系数为0.2时，接触线的高度偏差为32.62mm，超过了接触网的验收的标准；（2）接触线磨损后，定位器位置柔度增大，跨中柔度基本不變，接触网弹性不均匀度降低，结构柔度更趋一致；（3）合理设置接触线悬挂点的预留弛度，可以改善接触网因磨耗而产生的几何不平顺。

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（作者单位：中铁九局集团有限公司勘察设计院）