高速铁路接触网定位装置固定方式研究

胡 峰

中国铁建电气化局集团北方工程有限公司 山西 太原 030053

引言

高速铁路接触网系统是高速动车组牵引动力的来源,其服役可靠性是线路正常运营的重要基础。随着动车组运行速度和开行数量的不断增加,接触网的服役环境变得更加复杂、恶劣,因关键零部件失效而导致的接触网故障时有发生。限位定位装置是接触网支撑结构中的主要组成部分,它在定位处对接触线施加相对于线路中心的横向定位,在保证接触网系统服役可靠性方面起着重要作用。限位定位装置主要包括限位定位器(简称定位器)、定位支座和定位线夹,其中定位器由定位钩、定位器管以及定位套筒组装而成,定位钩通过钩环结构和定位支座连接,从而对定位器进行限位和定位,如图1所示。在现场服役过程中发现,定位钩和定位支座在钩环结构的连接处时常发生磨损失效。由于定位钩和定位支座在服役时不仅要承受过弓激励、风振等疲劳载荷作用,还受大温差、盐雾、电流、风霜雨雪等复杂环境因素影响,研究其失效机理十分困难。对服役失效零部件的失效分析是研究其失效模式、失效原因和失效机理的重要途径,而目前针对定位钩和定位支座的失效研究较少,尤其是钩环结构连接处磨损失效的相关研究鲜见报道。本文通过收集服役中磨损失效的定位钩和定位支座,结合多种摩擦学分析手段,系统研究钩环结构连接处磨损失效的原因和机理,并提出解决其磨损失效问题的建议。

1 结构特点

水平钢腕臂结构呈三角形,腕臂管采用外径60mm、壁厚5mm 的碳素结构钢,连接件为金属模锻钢件。该结构型式比较简单,整体强度和刚度较好,但钢材质量较重,且需热浸镀锌防腐,不能随意切割,不易预配组装;连接件和紧固件数量较多,易松脱;定位装置采用带限位功能的直形铝合金定位器,与受电弓包络线之间匹配程度一般,可能造成安全余量小甚至余量不足而打弓的后果;定位器与定位支座为钩环连接,易磨损。铝合金腕臂结构在我国350km/h高速铁路中应用广泛,腕臂使用外径70mm、壁厚6mm 的铝合金管(6082－T6),连接件同样为铸造铝合金材料。该结构的特点与水平钢腕臂结构特点类似。其材料采用铝合金,质量较轻,易于切割和安装,防腐性能较好,但铸造件工艺质量要求较高。拉杆式腕臂结构呈锐角三角形,稳定性较好。腕臂支撑采用方钢型材,加工工序少,生产成本低,且现场安装简单可靠。连接件材料选用铜合金并使用铸造工艺,强度较高且塑性大,但对工艺要求高,需逐件探伤检验。铜合金电偶性能良好,因此定位器与定位支座之间不需要电气连接线连接。定位器采用弧形结构,与定位支底座连接采用销轴结构,定位器可在定位管立柱上进行位置调整。整体式腕臂结构在腕臂和定位管的连接处采用了单耳与双耳连接的简化结构,双耳焊接在腕臂管上,再与单耳进行连接。其平腕臂为弯型结构,取代了传统的腕臂支撑及吊线结构,连接简单可靠,使腕臂结构在大风区的复杂环境下可靠性较高。零部件连接处为合页结构,减少了螺纹副连接可能造成的松动现象。定位器外形为弧形,与定位支座连接采用销轴结构,定位器具备弹性功能。

2 高速铁路接触网定位装置固定方式研究

2.1 定位管安全角度检算 通过上述计算可知,定位器在静态工作状态下定位器与水平面保持一个固定夹角α,在普速铁路,由于列车运行速度不高,受电弓的最大抬升量较小,定位管可以按水平状态设计,但在高速铁路中,由于列车运行速度快,受电弓的最大抬升量也随之增大,最大时可达225mm。因此在高速铁路接触网设计中必须考虑受电弓在最大抬升时,不与任何定位零部件发生碰撞。为了避免定位器在最大抬升时与定位管发生碰撞,还应核算定位管与水平面的夹角β。

2.2 定位管吊线静态受力计算 根据上述分析可知,整套定位装置水平方向所受到的力包括“之”字力f2、曲线力f1;垂直方向受到的力包括定位器自身重力m1g、两吊弦之间接触线的重力m2g、定位器支座重力m3g、定位管自身重力m4g、支撑管卡子(拉线定位钩)重力m5g、防风拉线定位耳环重力m6g。

2.3 有限元分析 为分析定位钩和定位支座在钩环结构连接处的受力情况,采用有限元分析手段对整个限位定位装置进行仿真分析。在SolidWorks软件中建立限位定位装置各零件的几何模型,并按服役时的相对位置关系对各零件进行装配,然后将模型导入ABAQUS中进行有限元分析,装配模型及网格如图9所示。定位钩弹性模量取70GPa,泊松比取0.3,定位支座的弹性模量取75GPa,泊松比取0.33。定位钩与定位支座采用面面接触模式,摩擦因数取试验测得的0.55,定位器坡度取服役中常用的10°。定位支座按服役时的固定方式施加边界条件,在定位线夹处施加2.5k N 的工作载荷,采用ABAQUSStandard求解器进行求解。

结语

通过本文分析可得到如下结论：(1)在进行定位装置固定方式选择时,必须进行定位管吊线或拉线受力分析和检算,并且只有受力检算结果在动、静状态下都大于0时,才可选择定位管吊线或V型拉线,否则应改为定位管硬支持的固定方式。(2)在对拉出值大小进行设计时,除考虑曲线因素外,还应考虑定位器初始安装角在受电弓最大抬升时定位器与水平面的角度,据此判断定位管应该处于水平状态还是应与水平面保持一定夹角。(3)在高速铁路接触网中,当跨距较小时应适当减小拉出值,避免定位管吊线在动态时不受力,形成定位管脱落隐患。