地鐵接觸網(wǎng)U型密封裝置有限元數(shù)值模擬★

陳華明　張瑞龍（中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院有限公司，北京　100048）

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地鐵接觸網(wǎng)U型密封裝置有限元數(shù)值模擬★

陳華明張瑞龍
（中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院有限公司，北京100048）

摘要：介紹了剛性接觸網(wǎng)密封裝置選材與形狀設(shè)計方法，對該裝置的接觸問題進行了有限元分析，實現(xiàn)了不斷開剛性接觸網(wǎng)前提下的防護密閉處理，計算結(jié)果表明接觸網(wǎng)移動板壓縮行程超過5.5 mm時，密封性能是可靠和安全的，為剛性接觸密封裝置在實際工程中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地鐵接觸網(wǎng)，橡膠，密封裝置，移動板

★：“十二五”國家科技支撐計劃課題（編號：2012BAJ01B00）

1　概述

近二十年來，我國城市軌道交通建設(shè)如火如荼，發(fā)展迅猛。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，地鐵平時作為城市交通的骨干，戰(zhàn)時作為城市防空疏散干道和人員緊急掩蔽場所。地鐵列車按受電方式可分為剛性接觸網(wǎng)和柔性接觸網(wǎng)，其中剛性懸掛接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護方便，在我國軌道交通行業(yè)內(nèi)應(yīng)用廣泛［1］。

在地鐵設(shè)計中，一般在區(qū)間隧道或者車站端頭設(shè)置單扇防護密閉隔斷門，能雙向承受沖擊波荷載。這樣在戰(zhàn)時，當(dāng)炸彈爆炸造成門扇一側(cè)的防護單元破壞后，門扇另一側(cè)的防護單元仍然能正常使用。剛性接觸網(wǎng)U型密封裝置作為單扇防護密閉隔斷門的主要部件，是否能夠有效實現(xiàn)密封功能是關(guān)鍵所在。對于接觸網(wǎng)密封裝置中接觸網(wǎng)移動板的壓縮行程和密閉性能，國內(nèi)相關(guān)設(shè)計單位一般根據(jù)經(jīng)驗來進行設(shè)計，設(shè)計成果缺乏理論依據(jù)。近年來，中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院在國內(nèi)原有隔斷門的基礎(chǔ)上，研制了不需斷開剛性接觸網(wǎng)就能啟閉的區(qū)間單扇防護密閉隔斷門，實際工程應(yīng)用中操作方便，平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換效率高［2］。

在設(shè)計時，按照功能要求區(qū)間隔斷門一般設(shè)計成雙向受力，即門扇正反兩面分別承受50 km/m2的爆炸沖擊波荷載。正常工作狀態(tài)時，剛性接觸網(wǎng)密封裝置中接觸網(wǎng)移動板擠壓接觸網(wǎng)密封橡膠和上密封板密封膠條，從而達到密封目的；在戰(zhàn)時，橡膠除了滿足前述要求外，還要求能抵抗爆炸沖擊波的作用，即不能發(fā)生破裂，這就對密封橡膠的力學(xué)性能提出了嚴(yán)格要求，通過非線性接觸有限元分析可以解決上述問題。

2　U型密閉裝置有限元模擬

橡膠屬于完全無定型聚合物，是一種超彈性材料，具有良好的伸縮性和復(fù)原性，可以理想化為沒有塑性屈服的彈性材料。在Ansys中，橡膠的本構(gòu)關(guān)系用2參數(shù)的Mooney-Rivlin模型來表示：

其中，C10和C01均為Rivlin系數(shù)；W為應(yīng)變能密度函數(shù)［3］。

接觸問題的特點是屬于邊界非線性問題，邊界條件不再是定解條件，而是待求結(jié)果；兩接觸體間接觸面積與壓力隨外載的變化而變化，并與接觸體的剛性有關(guān)。在Ansys中，常用的接觸問題的求解方法包括拉格朗日乘子法和罰函數(shù)法［4］。

地鐵區(qū)間單扇防護密閉隔斷門總裝圖和密封橡膠分別如圖1和圖2所示。實體模型和分析單元網(wǎng)格劃分如圖3和圖4所示。通過接觸網(wǎng)移動板擠壓接觸網(wǎng)移動板的橡膠密封條、接觸網(wǎng)密封橡膠實現(xiàn)密封功能。由于接觸網(wǎng)移動板的橡膠密封條受密封上壓板（鋁板）擠壓，同時又與稍軟的接觸網(wǎng)密封橡膠進行接觸密封，即多邊界條件下不同硬度橡膠、不同物質(zhì)之間同時發(fā)生非線性接觸，這就使接觸網(wǎng)移動板的合理壓縮行程成為計算的關(guān)鍵。如果行程過小，則橡膠之間、橡膠和鋁板之間會有空隙，沒有緊密貼合；如果行程過大，則擠壓的橡膠可能發(fā)生破裂或單側(cè)鼓包，計算無法有效收斂。經(jīng)過多次試算，當(dāng)壓縮行程為5.5 mm時，有限元計算結(jié)果得到收斂，應(yīng)力和變形合理，形成了有效密封，實現(xiàn)了系統(tǒng)的密封功能要求。

圖1　門扇整體安裝示意圖

在Ansys10.0有限元軟件中，選用Solid185單元來模擬橡膠單元，接觸網(wǎng)密封橡膠和橡膠密封條參數(shù)為：硬度分別為45紹爾和55紹爾；彈性模量分別為E =1.70 MPa和E =2.51 MPa；摩擦系數(shù)分別為0.55和0.6；泊松比υ=0.47。選用Solid45單元來模擬鋼板和鋁板，彈性模量分別為E = 2.06×105MPa和E = 7.17×104MPa，泊松比υ=0.29和0.33。在橡膠之間、橡膠和鋁板之間、橡膠和鋼板之間設(shè)置接觸單元。密封裝置中的橡膠變形圖如圖5所示，計算結(jié)果表明，當(dāng)壓縮行程為5.5 mm時，接觸網(wǎng)移動板的橡膠密封條和接觸網(wǎng)密封橡膠發(fā)生明顯的不均勻變形，變形后的橡膠填滿了空隙，接觸網(wǎng)密封橡膠在沖擊波的作用下（沖擊波荷載取50 kN/m2）沿接觸網(wǎng)長度方向發(fā)生一定的偏移，但是和接觸網(wǎng)仍然緊密接觸。圖6是橡膠接觸狀態(tài)圖，圖中A區(qū)域表示兩部分橡膠之間、橡膠與剛體緊密接觸的部位；圖中B區(qū)域表示兩部分橡膠之間、橡膠與剛體表面接觸并沿切面有相對滑移；圖中C區(qū)域表示橡膠與剛體將要發(fā)生接觸的部位。從變形和接觸圖可以判斷：接觸網(wǎng)移動板的橡膠密封條、接觸網(wǎng)密封橡膠、鋁板和接觸網(wǎng)緊密接觸，在沖擊波的作用下橡膠偏移很小，達到密封功能。圖7為剛性接觸網(wǎng)密封橡膠Von Mises應(yīng)力云圖，圖8為密封上壓板（鋁板）應(yīng)力云圖，從圖7，圖8中可以判斷橡膠和鋁板沒有破壞。

圖2　密封橡膠體

圖3　實體模型

圖4　分析單元網(wǎng)格劃分

圖5　橡膠變形圖

圖6　橡膠接觸狀態(tài)圖

圖7　橡膠應(yīng)力云圖

圖8　密封上壓板（鋁板）應(yīng)力云圖

綜上所述，當(dāng)接觸網(wǎng)移動板壓縮行程超過5.5 mm時，接觸網(wǎng)移動板的橡膠密封條、接觸網(wǎng)密封橡膠、密封上壓板（鋁板）和剛性接觸網(wǎng)緊密接觸，在50 kN/m2沖擊波荷載的作用下，橡膠一直處于彈性階段，沒有發(fā)生破裂，形成了有效的密封。

3　結(jié)語

非線性有限元分析結(jié)果表明當(dāng)接觸網(wǎng)移動板壓縮行程超過5.5 mm時，密封橡膠一直處于彈性階段，沒有發(fā)生破裂，形成了有效的密封，實現(xiàn)了不斷開剛性接觸網(wǎng)前提下的防護密閉處理，并且該密封裝置已用于北京地鐵14號線和南京地鐵3號線，獲得了普遍好評。

參考文獻：

［1］胡玉鏡，張偉剛，劉斌生.地鐵新型人防區(qū)間隔斷門的研制［J］.都市快軌交通，2008（6）：87-90.

［2］袁海忠，陳華明，王海燕.地鐵軌道密封裝置三維非線性有限元分析［J］.山西建筑，2011，37（7）：121-122.

［3］王偉，鄧濤，趙樹高.橡膠Mooney-Rivlin模型中材料常數(shù)的確定［J］.特種橡膠制品，2004，25（4）：8-10.

［4］于振波，蔡永梅，唐曉初.C形密封圈結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］.石油化工設(shè)備，2008，25（4）：8-10.

中圖分類號：U231

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0122-03

收稿日期：2015-12-16

作者簡介：陳華明（1978-），男，博士，高級工程師；張瑞龍（1964-），男，教授級高級工程師

On finite element numeric simulation of U-shaped sealing devices at subway catenary★

Chen Huaming Zhang Ruilong
（China Institute of Building Standard Design and Research，Beijing 100048，China）

Abstract：The paper introduces the materials selection and shape design for the rigid catenary，undertakes the finite element analysis of some problems at the catenary of the device，realizes the protective sealing treatment with the premise of opening the rigid catenary continuously，and the calculation results shows that the sealing performance can be reliable and safe when the compression travel of the moveable plate of the catenary is over 5.5 mm，so as to provide some theoretic reference for its application.

Key words：subway catenary，rubber，sealing device，moveable plate