现代城市轨道交通

2024-07-05

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为保证速度160km/h刚性悬挂接触网的安全稳定运行，其关键零部件的选型和技术参数至关重要。文章基于有限元分析法对刚性悬挂接触网关键性部件进行详细建模和分析，并通过模拟实际工况下的载荷时域特性，获得各种载荷情况的详细数据。在此基础上，采用载荷疲劳理论和静力学仿真方法，深入分析关键部件在不同工况下的受力情况及其抗载荷极限能力。分析结果不仅揭示关键部件在实际运行中的性能表现，还为优化设计和选材提供科学依据。同时通过多次迭代仿真计算，确定关键部件的最佳材料和几何参数，使其在长期运行中能够有效抵抗疲劳破坏和突发载荷。实验验证，经过优化设计的关键部件在实际应用中表现出优异的稳定性和耐久性，该研究成果可为未来更高速度的悬挂系统设计奠定坚实的理论和实践基础，以确保列车高速运行时的可靠性和安全性。

接触网关键性零部件

从速度160km/h刚性悬挂接触网系统可靠性分析过程中可知，高速刚性接触网对支持结构、接头位置的精度要求高，同时受限于汇流排的安装工艺和稳定性，因此在关键零部件的定义中将支撑结构、膨胀接头、汇流排归为关键部件。

（1）悬臂支撑装置。悬臂支撑装置主要由吊柱、旋转底座、绝缘子、调整底座及线夹组成。作为汇流排的支撑装置，悬臂支撑装置决定了在刚性接触网运行期间的稳定性。

（2）膨胀接头。用于补偿锚段内汇流排因温度变化引发的纵向伸缩变动，以确保锚段间电气连接的稳固性，并进一步促进受电弓在锚段转换过程中的平滑过渡。膨胀接头由右滑道、左滑道、压线夹板、导流座、固定座、固定盖板、导流杆（管）、圆形防护罩等零件组成。

（3）汇流排。汇流排是刚性接触网中的重要组成部分，它负责固定和夹持接触线，同时实现电流传导。在弓网关系中，汇流排作为接触网的关键支持机构（除接头部分外），其设计特点确保了刚性接触网具备高精度和大载流量的优势。

（4）旋转可调底座。该部件用于在旋臂支撑装置中连接吊柱及绝缘子，由连接底板、旋转底座组件、固定压块、连接轴、固定角钢等零件组成。

（5）弹性可调悬挂线夹。该零件用于在旋臂支撑装置中固定汇流排，具备接触线导高±25mm调节功能。其由线夹本体组件、夹板、连接底座、圆柱螺旋压缩弹簧、调节螺套、防转垫圈、电气连接跳线等零件组成。

刚性接触网系统失效分析

在考虑弓网接触硬点下刚性接触网受冲击时的载荷，为寻求受电弓结构中的危险点，采用不断增大载荷的方法，尝试寻找不同载荷下刚性接触网容易发生疲劳失效的部件，以评估影响寿命的危险载荷极限。最终，根据静态受力分析和疲劳分析结果，评估刚性接触网是否满足支持结构（图1）可靠性的要求。

2.1 有限元模型建立

在寻求复杂微分方程的近似解时，有限元分析已成为当前备受推崇且高效的方法之一，其效果卓越且应用广泛。通过离散化方法实现将连续体或结构体的求解域划分成单元或子域，然后将其边界的节点进行互相结合从而构成组合体。为对刚性接触网系统失效进行精准分析，本文采用有限元的方法进行计算。

为优化网格质量和降低计算成本，本模型在建模过程中简化了部分圆角、圆孔和螺栓结构，转而采用直角、平面以及布尔运算的连接方式进行替代建模。图2和图3 即为经过上述方法优化后所构建的模型。

2.2 静力学仿真计算与分析

为校验刚性接触网零部件的结构强度，对整体结构进行静力学分析，分析刚性接触网各部件在静力学载荷下的变形、应力、应变等情况，判断其结构强度是否符合对结构要求的安全标准，并探求刚性接触网的抗载荷极限。

（1）重力作用下，刚性接触网支持装置主要受到垂直方向的载荷和由该载荷带来的弯矩作用。刚性接触网各部件在重力作用下的变形量如图4所示。由整体变形量情况可知，刚性接触网系统在重力作用下最大的变形量出现在锚段关节膨胀接头中心处，变形量仅为0.756mm，由此证明刚性接触网在自重作用下几乎不会产生变形，结构稳定可靠。但在锚段关节处，由于集中质量较大，容易出现变形，尤其在中间接头处，因受结构特点和集中质量影响，其变形量往往略大于跨中的变形量。

（2）刚性接触网系统在自重作用下，各零部件受到纵向或横向的拉力、压力以及弯矩的作用，整体的受应力情况如图5所示。刚性接触网系统中零部件所受应力在0～60MPa之间，由图5可知，最大应力为55.039MPa，完全满足许用应力要求。

2.3 160km/h受电弓-接触网接触力分析

为分析160km/h受电弓-接触网接触力关系，在仿真中建立刚性接触网仿真模型如图6所示。

在刚性接触网系统的研究中，主要针对受电弓以160km/h 速度运行的工况进行弓网动态仿真分析，仿真结果图7a、7b、7c 详细描绘了弓网接触力随时间变化的动态特性。观察发现，锚段中部的弓网接触力主要在65～130N的范围内波动，而锚段关节处的弓网接触力则显示出一定程度的波动。经过对弓网接触力的数据进行进一步的统计分析，如表1所示，所有关键的接触力指标均达到了既定的标准与要求，从而验证了系统性能的可靠性和稳定性。

参照TB10009-2016《铁路电力牵引供电设计规范》要求，经分析可得，平均接触力、最小接触力、最大接触力和接触力最大标准偏差均满足标准要求的限值范围，且离限值有很大余量，弓网动态性能良好。

2.4 实测工况下的载荷时域特性分析

本节对受电弓载荷时域特性的试验分析与计算是在实验验证仿真准确性的基础上进行的。本文在700mm升弓高度、80N静态抬升力的单倍和2倍弓网接触力作用下、弓头以160km/h的速度通过的工况下，经过弓网动态仿真，进行受电弓的疲劳寿命分析计算，最终得到弹性线夹处的载荷-时间历程如图8所示。

为研究刚性接触网在弓网接触不平顺的状态下的疲劳特性，考虑弓网接触不平顺带来的弓头冲击，根据有关地铁规定，受电弓垂向振动加速度应不大于50g，弓网动态接触力不高于350N，因此，考虑2倍最大弓网接触力，将刚性接触网受到的动态力峰值放大到600N，得到如图9所示的载荷-时间历程图。

通过对图8和图9所呈现的载荷-时间历程曲线进行分析，可以明确观察到接触力载荷展现出显著的周期性特点。进一步观察发现，随着运行速度的提升，其振动现象愈发显著，呈现出加剧的趋势。基于这一载荷特性，能够对刚性接触网系统在可能面临的最大动态接触力作用下的疲劳寿命进行有效评估。基于测试结果的分析，建议在刚性接触网的设计阶段，应着重针对锚段间距、刚性悬挂定位点间距以及受电弓的弓头悬挂结构进行深入的研究与优化，以确保其能满足实际运营中的高标准需求。

载荷疲劳分析

3.1 载荷疲劳理论分析

基于第2章节中的有限元分析，并结合行驶速度为160km/h时受电弓的接触力-时间历程数据，本节进行循环统计计数处理，以将上述动态载荷数据转化为适用于疲劳损伤计算的恒定幅值载荷。计数法通常包括单参数循环计数法和二参数循环计数法，其中，二参数循环计数法因其能够精确再现变幅循环加载的特性，在预测疲劳寿命方面被普遍认为是一种更优的方法。在实际工程中，雨流计数法作为二参数循环计数法的一种，得到广泛应用。通过运用雨流计数法，可以对应力-时间历程进行重构，忽略加载顺序和频率的影响，仅保留关键的波峰和波谷信息。这样，随机应力谱就能被转化为包含应力幅值、均值和频次信息的二维载荷谱，为后续载荷谱的编辑提供了基础。同时，利用威布尔分布函数进行拟合，并推断出极值载荷，可以编制出上框架加速寿命实验的载荷谱。最后，结合双线性损伤模型，便能计算出各级载荷谱的疲劳损伤。

在车辆实际运行弓网相互作用过程中，接触网由于重力作用的下沉和横向刚度的设计，从而造成受电弓所受垂向作用力和扭矩总体在一恒定力上下浮动，然而在实际台架试验中，同时考虑幅值和均值的二维载荷谱实现难度较大。因此，通常采用简化的处理方式，即将二维载荷谱简化为更便于处理的一维载荷谱。为达成该目的，本文采用“波动中心法”统一处理随机变量，其具体的计算公式如下。

针对载荷谱的编制，本文运用威布尔分布函数进行拟合，并结合极值载荷的推断，构建上框架加速寿命实验的载荷谱。根据累计分布函数F (x)，可推断载荷极值公式：

3.2 载荷谱编制

基于第2章中获取的接触力-时间历程数据，本文采用雨流循环计数法，成功地将变幅加载历程转化为一系列离散的、简单的恒幅加载过程。这一转换过程的结果以图10的形式呈现。

基于短周期动力学分析的结果，本研究构建了累计频率分布曲线，并据此进行循环数的外推处理。在工程实践中，外推后载荷极值出现的概率通常设定为P=10^-6。随后，利用给定的公式（2），计算出应力幅的最大值为45MPa，这一数值符合既定的应力限制要求。

刚性接触网系统

可靠性分析

4.1 可靠性数学建模

可靠性模型旨在评估系统故障对维修和后勤保障的潜在需求。显然，一旦系统内的任何组件发生故障，均需要进行维修或替换。因此，系统中的所有功能单元实际上构成一个串联模型，即系统功能单元的增多将直接导致系统基础可靠性的相应降低。研究刚性接触网的可靠性设计可从2 方面考虑：一是设备、零部件层次上的可靠性；二是系统、结构上的可靠性。根据刚性接触网的特点，把刚性接触网划分为若干功能单元，功能单元的级别可以是系统、结构级别，又可以是设备、零部件级别，分层次、有机地组合成完整的接触网系统，如图11刚性接触网锚段系统所示。

对于具体的刚性接触网参数计算可靠性指标，可以由3种途径得出：

（1）根据余量计算，得出刚性接触网零部件的强度值，通过仿真计算，模拟实际应用条件，得出该零部件故障的时间；

（2）通过实验的方式，模拟实际工作条件，得出该零部件故障的时间；

（3）从现场实际故障发生的频率得出其可靠性指标，即2故障间的平均时间（MTBF）。

4.2 安全性、可用性评估

一方面，通过统计的刚性接触网系统故障，找到可能造成安全性后果的故障，定性评估此类故障发生的概率，在认定该类事件发生概率极小的情况下，可认为刚性接触网系统具有故障导向安全性的特征。另一方面，通过刚性接触网系统的静力学仿真和疲劳仿真，完成系统的失效分析与结构可靠性分析，以评估刚性接触网在结构上的可用性和可靠性。通过弓网静力学仿真，得到如图12所示的结果。

该仿真表明，刚性接触网系统在自重以及接触力的作用下，最大变形量约为0.76mm，考虑到刚性接触网纵向结构的长度，可近似认为刚性接触网不会在静力学条件下产生变形，因此系统具有可用性。刚性接触网在同时考虑自重与接触力的情况下其应力如图13所示，其应力水平最大为41.045MPa，所有零部件所受应力远小于其许用应力，因此，刚性接触网系统具有结构可靠性。