160km/h刚性接触网滑槽螺栓的选型研究

柳恩恩

摘  要：对160km/h刚性接触网高速旋转摆臂与滑槽连接的螺栓进行研究，首先，通过机械设计方法对螺栓强度进行分析研究，从而确定螺栓直径。然后用整体建模法建立悬臂组与滑槽连接的有限元模型对系统进行应力分析。将两种分析方法得到的结果进行对比，表明系统最大应力小于材料的许用应力，与机械计算方法吻合，选取的螺栓型号满足使用要求，为160km/h刚性接触网悬臂组与滑槽连接设计提供了理论依据。

关键词：160km/h刚性悬挂;滑槽连接;螺栓强度分析;仿真分析

中图分类号：U225.1        文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）25-0052-03

Abstract： The researches are made on coupling bolt joint strength of the 160 km/h high speed rigid catenary chute suspension. First， using the mechanical design method to make an analysis of the strength of the coupling bolts to determine the bolt diameter， and using holistic modeling method， it is intended to build the coupling bolt joint strength of the 160 km/h high speed rigid catenary chute suspension models， so as to study the stress of the system. The analysis results， after compared with the strength analysis of mechanical design， show that the tensile strength from both analyses can meet the requirements. This research provides a theoretical basis for designing bolt connection of the 160 km/h high speed rigid catenary chute suspension.

Keywords： 160 km/h high speed rigid catenary suspension; chute connection; analysis of the strength of the coupling bolts; simulation analysis

城市軌道交通160km/h及以上刚性接触网在盾构区段支撑结构一般采用高速旋转摆臂组合结构，也称绝缘悬臂组合结构。同时可调节刚性悬挂的拉出值和悬挂高度，悬臂组端部具有一定的弹性及灵活性，对受电弓的跟随性较好[1]。悬臂组一般安装于线路中心行车方向右侧，采用后置锚栓或滑槽T头螺栓与隧道壁固定，如图1所示。相比于后置锚栓方案，滑槽方案的主要特点是能直接通过槽道把悬挂装置连接到隧道混凝土结构上，而不再需要对隧道进行打孔，也无需再焊接，对施工和运营维护优势明显。滑槽应用的起源地是在欧洲，因其防腐蚀能力非常高、动载荷能力强，且便于安装与维护等特性，逐步引入国内，深圳地铁9号线是国内首次在盾构区段采用预埋滑槽技术的地铁线路，目前应用良好[2，3]。随着列车提速，为提高车辆行驶的安全性和可靠性，需对适用于160km/h刚性接触网悬臂组与滑槽连接螺栓进行强度分析和评估。

本文以盾构区间悬臂组与滑槽连接的螺栓为研究对象，采用机械设计方法对螺栓进行研究选型，并采用整体建模法建立悬臂组与滑槽连接的有限元模型对螺栓进行应力分析。将两种分析方法得到的结果进行对比，表明悬臂组与滑槽连接螺栓最大应力小于材料的许用应力，选取螺栓型号满足要求。通过对悬臂组滑槽螺栓强度进行计算及选型，为国内160km/h刚性接触网线路设计优化工作提供参考及理论依据。

1 悬臂组与滑槽连接T头螺栓强度分析

1.1 悬臂组零部件几何信息

Furrer+Frey AG悬臂组零部件重量及几何尺寸信息如图2和表1所示。

1.2 T头螺栓受力分析

根据线路条件160km/h刚性接触网连续两跨结构，跨距为8m，最小曲率半径为200m，如图3所示。

在正常工况下，悬臂组受到如下各力：

水平方向拉力Fx：

竖直方向重力Fy：

悬臂组受到顺线路方向拉力为Fz根据运行工况设为3kN。在Fx，Fy，Fz三个方向的工作载荷的作用下，滑槽螺栓组承受力和倾覆力矩：

轴向力

横向力

倾覆力矩

式中：Lv2为接触线到吊柱底板长度

1.3 计算单个T头螺栓受的最大工作拉力

在轴向力FH作用下，滑槽每个螺栓承受的工作拉力为

如图4所示，在倾覆力矩Mz作用下，吊柱底板与滑槽连接的接合面有绕O-O轴逆时针翻转的趋势，故下面两螺栓受力较大，其所受工作拉力为

在倾覆力矩Mx作用下，吊柱底板与滑槽连接的接合面有绕P-P轴逆时针翻转的趋势，故左侧两螺栓受力较大，其所受工作拉力为：

故图4左下角螺栓所受的最大工作拉力为：

1.4 计算T螺栓的预紧力Fp

在横向力FV1和FV2合力FV的作用下，吊柱底板连接面不滑移的条件为：

1.5 计算T型头螺栓的总拉力FQ

1.6 计算确定T型头螺栓的直径

根据GB/T 3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》中螺栓性能等级表，若选用8.8级T型头螺栓，则其屈服极限为σs=640MPa。机械设计手册中规定了螺纹连接的安全系数S，根据列车160km/h运行工况，选取变载荷最大安全系数S=5，因此[σ]=128MPa，T头螺栓小径d1为

根据GB/T 196-2003《普通螺纹基本尺寸》中规定的粗牙普通螺纹基本尺寸，M12T型头螺栓小径为10.106mm，故建议选用的螺栓直径为M12以上。

2 悬臂组受力分析

2.1 几何模型

选取M16螺栓组与隧道滑槽连接，如图5所示，在SolidWorks中建立悬臂组的三维模型并导入ANSYS研究悬臂组受力及结构稳定性。

2.2 应力分析

图6为悬臂组系统悬挂方案的应力分析图。悬臂组最大的应力出现在底座连接处为85MPa，小于零部件材料Q235B的许用应力，且M16螺栓轴向拉力远小于其许用应力。

2.3 位移分析

图7为悬臂组系统悬挂方案的位移分析云图。悬臂组最大的位移为0.009m（Y方向），相对于1.5m的摆臂系统，位移较小，系统相對稳定。

3 结论

对160km/h刚性接触网悬臂组与滑槽连接的螺栓进行研究：

（1）利用机械设计方法对T头螺栓的拉伸强度进行研究分析，从而确定滑槽连接螺栓的型号为M16，为160km/h刚性接触网高速悬臂与滑槽连接设计提供了理论依据。

（2）利用仿真对高速旋转摆臂系统结构及螺栓的受力及系统稳定性进行分析研究，从而确定M16螺栓的可行性及悬臂系统的稳定性。

参考文献：

[1]牛景露.地铁隧道内160km/h刚性接触网技术研究[J].科技创新与应用，2019（05）：143-145.

[2]陈青松.盾构区间预埋滑槽刚性接触网安装方案探讨[A].中国铁道学会工程分会第七届线路专委会第二次会议论文集[C].中国铁道学会工程分会：中国铁道学会，2017：7.

[3]曾斌.管片预埋滑槽在深圳地铁9号线的应用[J].都市快轨交通，2015，28（01）：114-116.

[4]成大先.机械设计手册（第五版）[M].北京：化学工业出版社，2008.