铁路接触网套管双耳风致磨损特性研究_周伟.pdf
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1、第 20 卷 第 4 期2023 年 4 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 4April 2023铁路接触网套管双耳风致磨损特性研究周伟1,2,康婧彦1,2,方聪聪1,2,陈军3,张强1,2,肖合婷1,2,王祉歆1,2(1.中南大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410075;2.中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室,轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室,轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心,湖南 长沙 410075;3.中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司 科技和信息化部,新疆
2、乌鲁木齐 830011)摘要:风区铁路接触网的风摆振动导致零部件磨损加速、线路维护成本剧增,严重时结构断裂失效,威胁列车运营安全。针对风区铁路接触网的零部件风振磨损问题,以易磨损件套管双耳结构为例,开展实际环境风载荷作用下的磨损特性研究。首先,建立接触网风致姿态解耦的风载荷识别与连接铰节点力重构模型,通过仿真计算得出风载计算公式与节点力传递系数,以新疆风区铁路实测接触网风摆姿态重构悬挂作用风载荷与套管双耳节点力时程。然后,建立套管双耳与腕臂接触的三维有限元模型,考虑双耳磨损间隙扩大导致螺栓预紧力衰减的Archard磨损预测模型,结合双耳连接铰节点载荷与动态螺栓预紧力,对风环境下套管双耳与腕臂为
3、期1 a的接触磨损特性进行分析。结果表明:磨损初期,由于大接触应力导致磨损速率快,但随着预紧力衰减,接触表面磨损速率降低,廓形磨损深度由两边往中间逐渐增大,且靠连接铰侧磨深偏高,最大接触磨损出现在定位管上部套管双耳,累积磨损深度达0.52 mm/a,螺栓预紧力衰减达20.55%。套管双耳结构的磨损特性研究成果可为风区铁路接触网零部件的运用维护提供科学依据。关键词:套管双耳;磨损特性;风载荷;预紧力衰减;铁路接触网中图分类号:U225.4 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)04-1487-13Study on wind-induced
4、wear characteristics of railway catenary bushing earZHOU Wei1,2,KANG Jingyan1,2,FANG Congcong1,2,CHEN Jun3,ZHANG Qiang1,2,XIAO Heting1,2,WANG Zhixin1,2(1.School of Traffic&Transportation Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.Key Laboratory of Traffic Safety on Track,Ministry o
5、f Education,Joint International Research Laboratory of Key Technology for Rail Traffic Safety,National&Local Joint Engineering Research Center of Safety Technology for Rail Vehicle,Central South University,Changsha 410075,China;3.Technology and Information Department of China Railway Urumqi Bureau G
6、roup Co.,Ltd.,Urumqi 830011,China)Abstract:Wind-induced vibration of railway catenary cause accelerated component wear and rising maintenance cost.Further,the component wear develops into fracture and failure in severe cases,which is harmful to train 收稿日期:2022-04-27基金项目:湖南省自然科学基金资助项目(2020JJ4118);国家重
7、点研发计划资助项目(2017YFB1201201)通信作者:方聪聪(1988),男,湖南岳阳人,副教授,博士,从事多体系统动力学和传感器技术与信号处理研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220844铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月operation safety.To treat with wind-induced wear problem of railway catenary components,bushing ears,one of the most frequent wearing parts,were investigat
8、ed to study its wear feature under the practical wind loads.First,the wind load identification and node force reconstruction were created via wind-induced catenary attitude decoupling.Wind load calculation formula and nodal force transfer coefficient were obtained through finite simulation.Time-hist
9、ory of suspension wind loads and bushing ear node forces were given based on the detected wind deviation of catenary suspension on Xinjiang railway line in wind area.Second,a three-dimensional finite element model of the contact between bushing ear and wrist arm was established.Considering bolt pre-
10、tension attenuation due to wear clearance expansion between ears,the wear prediction model was constructed based on Archard wear theory.With the nodal force time-history at bushing ear and the dynamic bolt pretension,the contact wear propagation was analyzed between bushing ear and cantilever beam u
11、nder winds.Results indicate that a big wear ratio occurs at the initial wear period because of high contact stress.However,the wear decelerates as the bolt pre-tension weakens due to the expansion of wear clearance.The wear depth follows a gradual increasing from two sides to the middle,where the de
12、eper wear locates closer to the linking joint.The accumulative wear depth and bolt pre-tension attenuation reaches to 0.52 mm per year and 20.55%separately,when the maximum wear occurs at the bushing ear on top of positioning tube.The research outcome in bushing ear wear feature can provide a scient
13、ific support for operation and maintenance of railway catenary components in wind area.Key words:bushing ear;wear characteristic;wind load;pre-tension attenuation;railway catenary 接触网是电气化铁路列车牵引动力的来源,在大风等附加自然载荷作用下,接触网关键受流、定位与支撑单元振动失稳,影响弓网系统的正常工作,严重时导致零部件磨损断裂,危害风区列车运行安全12。以新疆铁路为典型的风区铁路,昼夜温差大、风速高、风期长、风
14、区跨度大、起风速度快,接触网在长期风摆振动下关键功能部件磨损、断裂或脱落等时有发生35,导致供电线网中断,严重时造成铁路线路瘫痪、铁路运营长时间停滞,影响整个铁路系统的正常秩序,造成巨大经济损失和不良社会影响。新疆兰新铁路作为首条穿越世界内陆的最大风区铁路,接触网防风安全问题突出。一方面,强风环境下接触网的大幅摆动导致列车运行时弓网离线失压,钻弓及打弓等事故频发;另一方面,环境风作用引发接触网振荡和零部件磨损,接触导线、吊弦、定位线夹及套管双耳等连接部件的磨损情况尤为严重6,根据对零件故障次数统计,套管双耳故障次数较多,容易发生断裂7,如图1。现行接触网的设计、运用与维护管理,重点关注接触网偏
15、移过大导致的弓网关系劣化,而针对交变风作用下接触网关键零部件的疲劳磨损失效缺乏有效应对措施,且目前接触网零部件静强度89与疲劳研究或基于弓网冲击振动1011、或基于随机风载模拟1213,采用实际作用风载的接触网零部件疲劳磨损研究鲜见报导。模拟的随机脉动风载考虑了历史风监测数据特性,但受现场复杂地形地貌影响,气象站监测数据并不能完全表征接触网悬挂部位的真实风载;而要在接触网悬挂部位直接进行风速的测量,运营条件下不具备现场可操作性。目前,针对风区接触网易磨损零件的研究主要集中在疲劳强度分析1415,对于磨损的分析手段包括试验、观察分析、有限元仿真以及力学特性分析等。图 1套管双耳结构断裂失效Fig
16、.1Fracture diagram of bushing ear1488第 4 期周伟,等:铁路接触网套管双耳风致磨损特性研究因此,针对目前铁路接触网零部件接触疲劳磨损难以直接测量且缺少真实风载荷数据支撑的问题,本文通过接触网悬挂系统的风摆姿态监测,提出基于接触悬挂姿态解耦的接触网风载荷识别与部件节点力重构理论,并以接触网腕臂的易磨易损件套管双耳为对象,研究其在交变风载作用下的接触磨损特性,为风区铁路接触网零部件的运用检修和维护提供科学依据。1 接触网节点力解算在以横风为主风向的新疆风区铁路,通过建立柔性悬挂-缓冲定位-悬臂支撑耦合的接触网有限元模型,分别构建沿水平横向风与竖直垂向风作用下的
17、悬挂定位点姿态响应模型。基于载荷叠加原理,建立基于悬挂定位点实测姿态的接触网横向、垂向风载荷识别模型,研究横向、垂向风载荷分别作用下的接触网套管双耳节点力的响应规律。最终,建立由实测的悬挂定位点姿态到套管双耳节点力的解算模型,并结合现场大风试验建立实际风载荷作用下的套管双耳节点力时程数据,为双耳结构的磨损特性分析提供载荷输入。1.1理论建模以接触网支柱为对称中心、两侧各半跨接触悬挂为分析对象,理论建模的基本假设如下。1)风载荷沿接触网跨长度区间均匀作用在接触悬挂、缓冲定位和悬臂支撑结构上。2)根据线路风特性试验结果16,风区铁路现场主风向角以水平横风为主,而由于地形地貌影响在竖直方向有爬坡风效
18、应,因此不考虑沿线路长度方向的纵向风,仅考虑水平横向与竖直垂向风载荷。3)由于跨距远大于接触网定位之字值,因此不考虑由于之字布置带来的导线横向位置差异,接触网定位点两侧接触导线沿一条直线方向布置建模。以接触网定位点为原点 O建立坐标系,水平横向为X轴方向、竖直垂向为Y轴方向、沿线路方向为Z轴方向,在OXY平面的环境风载定义为FW(单位Pa),沿水平横向与竖直垂向的分量分别为FX和FY。在FW作用下,接触网定位点横向位移定义为X,垂向位移定义为Y,如图2所示。为解耦环境风载FX和FY与定位点姿态X和Y之间的理论关系,通过有限元仿真,可获取横向风载荷FX作用下的定位点横向位移X1与垂向位移Y1,以
19、及垂向风载荷FY作用下的定位点横向位移X2与垂向位移Y2。根据载荷叠加原理,定位点姿态X和Y可分别表示为横向和垂向风载荷引起的2个方向位移之和:X=X1+X2=fX1(FX)+fY1(FY)(1)Y=Y1+Y2=fX2(FX)+fY2(FY)(2)式中:fX1(FX)和 fX2(FX)分别为定位点横向位移 X1和垂向位移Y1与横向风载荷FX之间的关系函数;fY1(FY)和fY2(FY)分别为定位点横向位移X2和垂向位移Y2与垂向风载荷FY之间的关系函数,4个函数1腕臂撑顶部双耳;2腕臂撑底部双耳;3定位管下部双耳;4定位器双耳;5定位管上部双耳图 2接触网附加风载荷示意图Fig.2Schema
20、tic diagram of additional wind load on catenary1489铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月均通过不同风压载荷作用下的有限元仿真节点位移拟合获取。联立式(1)(2),反求环境横向风载荷FX与垂向风载荷FY如下:FX=g1(X,Y)(3)FY=g2(X,Y)(4)式中:g1(X,Y)为横向风载荷与定位点二维姿态的关系函数;g2(X,Y)为垂向风载荷与定位点二维姿态的关系函数。在横向、垂向风载荷作用下,腕臂结构5处套管双耳的节点载荷取为沿其所抱管件方向的剪切力NS和沿OXY平面垂直于管件的轴向力NA,根据横向、垂向风载荷的叠加原理,各位
21、置的节点载荷可表示为:NS(i)=hXS(i)(FX)+hYS(i)(FY)=h1(FX,FY)(5)NA(i)=hXA(i)(FX)+hYA(i)(FY)=h2(FX,FY)(6)式中:hXS(i)(FX)和hXA(i)(FX)分别为第i处套管双耳剪切力NS(i)和轴向力NA(i)与横向风载荷FX之间的关系函数;hYS(i)(FY)和 hYA(i)(FY)分别为第 i处套管双耳剪切力NS(i)和轴向力NA(i)与垂向风载荷FY之间的关系函数,均通过不同风压载荷作用下的有限元仿真节点力拟合获取;h1(FX,FY)与h2(FX,FY)分别为第i处套管双耳剪切力和轴向力与横向风载荷和垂向风载荷的最
22、终关系函数。1.2仿真计算由于接触网系统承受来自接触悬挂、腕臂支撑与接触网支柱的作用风载荷,本文构建接触网系统整体有限元模型,以考虑所有风载荷作用下的接触悬挂定位点位移响应。新疆兰新铁路接触网跨距为40 m,考虑接触网沿线路长度方向的对称性,以支柱为对称中心、左右侧各选半跨建立接触网有限元模型,在悬挂两端的承力索和接触导线节点上施加对称约束,在接触网支柱底部施加全约束,如图3所示。接触网承力索与接触导线张力均为25 kN,其中接触导线受自动补偿与吊弦牵引,不考虑其预弛度,接触导线呈水平布置。为确定吊弦拉力与承力索的预弛度,将接触悬挂分解为接触导线、吊弦系统和承力索,分解各子系统的载荷示意如图
23、4(a)所示。以吊弦为分界点将接触导线分为 8段,定位器与其相邻吊弦的距离为L1,吊弦间距离为L2,接触导线单位长度重量为gc,考虑沿接触导线重力与两侧吊弦拉力T1,中间吊弦拉力T2的平衡作用,根据空间几何布置计算接触导线与吊弦连接点拉力T1和T2,分别为T1=gc(L1+L2)/2,T1=gcL2。而针对吊弦结构,其承受接触导线的下拉力T1和T2,自身重力WD,承力索拉力T1+WD和T2+WD达到平衡。由此换算到承力索结构,其承受来自于吊弦的集中载荷T1+WD,T2+WD,自身重力以及预张力,通过有限元仿真确定承力索各节点初始位移如图4(b)所示,接触线保持水平布置,实现对接触悬挂的初始找形
24、。为了保证接触悬挂的几何平衡状态,有限元分析时不再施加接触导线与承力索的重力及吊弦力。为获取环境作用风载、连接节点力与定位点位移之间的关系模型,所有接触网部件均通过梁单元建模,梁单元截面形状定义与部件实际形状一致,其中接触导线和承力索建模为预应力梁单图3接触网整体模型及边界约束示意图Fig.3Catenary model and boundary constraint diagram1490第 4 期周伟,等:铁路接触网套管双耳风致磨损特性研究元以模拟25 kN预张力。接触网各部件的材料属性定义如下:接触导线与承力索材料为 CuMg120,弹性模量为 124 GPa,泊松比为 0.3,材料密度
25、为8.94 g/cm3,截 面 积 为 120 mm2;吊 弦 材 料 为06Cr19Ni10,弹性模量为206 GPa,泊松比为0.3,材料密度为7.85 g/cm3;腕臂结构、定位器、支柱材料均为 Q345,弹性模量为 206 GPa,泊松比为0.3,材料密度为 7.85 g/cm3;绝缘子材料为 SiC,弹性模量为 55 GPa,泊松比为 0.25,材料密度为3.10 g/cm3。其中,定位器缓冲簧通过弹簧单元模拟,其刚度通过实验室加载标定为7.67 N/mm。其中,水平、斜腕臂绝缘子与腕臂底座接触表面设置为绑定约束,承力索、接触线外表面与线夹夹持部位内表面设置为绑定约束。风载荷的计算公
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