高速鐵路接觸網(wǎng)定位裝置固定方式研究

胡 峰

中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)北方工程有限公司 山西 太原 030053

引言

高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)是高速動(dòng)車組牽引動(dòng)力的來(lái)源,其服役可靠性是線路正常運(yùn)營(yíng)的重要基礎(chǔ)。隨著動(dòng)車組運(yùn)行速度和開行數(shù)量的不斷增加,接觸網(wǎng)的服役環(huán)境變得更加復(fù)雜、惡劣,因關(guān)鍵零部件失效而導(dǎo)致的接觸網(wǎng)故障時(shí)有發(fā)生。限位定位裝置是接觸網(wǎng)支撐結(jié)構(gòu)中的主要組成部分,它在定位處對(duì)接觸線施加相對(duì)于線路中心的橫向定位,在保證接觸網(wǎng)系統(tǒng)服役可靠性方面起著重要作用。限位定位裝置主要包括限位定位器(簡(jiǎn)稱定位器)、定位支座和定位線夾,其中定位器由定位鉤、定位器管以及定位套筒組裝而成,定位鉤通過(guò)鉤環(huán)結(jié)構(gòu)和定位支座連接,從而對(duì)定位器進(jìn)行限位和定位,如圖1所示。在現(xiàn)場(chǎng)服役過(guò)程中發(fā)現(xiàn),定位鉤和定位支座在鉤環(huán)結(jié)構(gòu)的連接處時(shí)常發(fā)生磨損失效。由于定位鉤和定位支座在服役時(shí)不僅要承受過(guò)弓激勵(lì)、風(fēng)振等疲勞載荷作用,還受大溫差、鹽霧、電流、風(fēng)霜雨雪等復(fù)雜環(huán)境因素影響,研究其失效機(jī)理十分困難。對(duì)服役失效零部件的失效分析是研究其失效模式、失效原因和失效機(jī)理的重要途徑,而目前針對(duì)定位鉤和定位支座的失效研究較少,尤其是鉤環(huán)結(jié)構(gòu)連接處磨損失效的相關(guān)研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)收集服役中磨損失效的定位鉤和定位支座,結(jié)合多種摩擦學(xué)分析手段,系統(tǒng)研究鉤環(huán)結(jié)構(gòu)連接處磨損失效的原因和機(jī)理,并提出解決其磨損失效問(wèn)題的建議。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

水平鋼腕臂結(jié)構(gòu)呈三角形,腕臂管采用外徑60mm、壁厚5mm 的碳素結(jié)構(gòu)鋼,連接件為金屬模鍛鋼件。該結(jié)構(gòu)型式比較簡(jiǎn)單,整體強(qiáng)度和剛度較好,但鋼材質(zhì)量較重,且需熱浸鍍鋅防腐,不能隨意切割,不易預(yù)配組裝;連接件和緊固件數(shù)量較多,易松脫;定位裝置采用帶限位功能的直形鋁合金定位器,與受電弓包絡(luò)線之間匹配程度一般,可能造成安全余量小甚至余量不足而打弓的后果;定位器與定位支座為鉤環(huán)連接,易磨損。鋁合金腕臂結(jié)構(gòu)在我國(guó)350km/h高速鐵路中應(yīng)用廣泛,腕臂使用外徑70mm、壁厚6mm 的鋁合金管(6082－T6),連接件同樣為鑄造鋁合金材料。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與水平鋼腕臂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)類似。其材料采用鋁合金,質(zhì)量較輕,易于切割和安裝,防腐性能較好,但鑄造件工藝質(zhì)量要求較高。拉桿式腕臂結(jié)構(gòu)呈銳角三角形,穩(wěn)定性較好。腕臂支撐采用方鋼型材,加工工序少,生產(chǎn)成本低,且現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單可靠。連接件材料選用銅合金并使用鑄造工藝,強(qiáng)度較高且塑性大,但對(duì)工藝要求高,需逐件探傷檢驗(yàn)。銅合金電偶性能良好,因此定位器與定位支座之間不需要電氣連接線連接。定位器采用弧形結(jié)構(gòu),與定位支底座連接采用銷軸結(jié)構(gòu),定位器可在定位管立柱上進(jìn)行位置調(diào)整。整體式腕臂結(jié)構(gòu)在腕臂和定位管的連接處采用了單耳與雙耳連接的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),雙耳焊接在腕臂管上,再與單耳進(jìn)行連接。其平腕臂為彎型結(jié)構(gòu),取代了傳統(tǒng)的腕臂支撐及吊線結(jié)構(gòu),連接簡(jiǎn)單可靠,使腕臂結(jié)構(gòu)在大風(fēng)區(qū)的復(fù)雜環(huán)境下可靠性較高。零部件連接處為合頁(yè)結(jié)構(gòu),減少了螺紋副連接可能造成的松動(dòng)現(xiàn)象。定位器外形為弧形,與定位支座連接采用銷軸結(jié)構(gòu),定位器具備彈性功能。

2 高速鐵路接觸網(wǎng)定位裝置固定方式研究

2.1 定位管安全角度檢算 通過(guò)上述計(jì)算可知,定位器在靜態(tài)工作狀態(tài)下定位器與水平面保持一個(gè)固定夾角α,在普速鐵路,由于列車運(yùn)行速度不高,受電弓的最大抬升量較小,定位管可以按水平狀態(tài)設(shè)計(jì),但在高速鐵路中,由于列車運(yùn)行速度快,受電弓的最大抬升量也隨之增大,最大時(shí)可達(dá)225mm。因此在高速鐵路接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)中必須考慮受電弓在最大抬升時(shí),不與任何定位零部件發(fā)生碰撞。為了避免定位器在最大抬升時(shí)與定位管發(fā)生碰撞,還應(yīng)核算定位管與水平面的夾角β。

2.2 定位管吊線靜態(tài)受力計(jì)算 根據(jù)上述分析可知,整套定位裝置水平方向所受到的力包括“之”字力f2、曲線力f1;垂直方向受到的力包括定位器自身重力m1g、兩吊弦之間接觸線的重力m2g、定位器支座重力m3g、定位管自身重力m4g、支撐管卡子(拉線定位鉤)重力m5g、防風(fēng)拉線定位耳環(huán)重力m6g。

2.3 有限元分析 為分析定位鉤和定位支座在鉤環(huán)結(jié)構(gòu)連接處的受力情況,采用有限元分析手段對(duì)整個(gè)限位定位裝置進(jìn)行仿真分析。在SolidWorks軟件中建立限位定位裝置各零件的幾何模型,并按服役時(shí)的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)各零件進(jìn)行裝配,然后將模型導(dǎo)入ABAQUS中進(jìn)行有限元分析,裝配模型及網(wǎng)格如圖9所示。定位鉤彈性模量取70GPa,泊松比取0.3,定位支座的彈性模量取75GPa,泊松比取0.33。定位鉤與定位支座采用面面接觸模式,摩擦因數(shù)取試驗(yàn)測(cè)得的0.55,定位器坡度取服役中常用的10°。定位支座按服役時(shí)的固定方式施加邊界條件,在定位線夾處施加2.5k N 的工作載荷,采用ABAQUSStandard求解器進(jìn)行求解。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文分析可得到如下結(jié)論：(1)在進(jìn)行定位裝置固定方式選擇時(shí),必須進(jìn)行定位管吊線或拉線受力分析和檢算,并且只有受力檢算結(jié)果在動(dòng)、靜狀態(tài)下都大于0時(shí),才可選擇定位管吊線或V型拉線,否則應(yīng)改為定位管硬支持的固定方式。(2)在對(duì)拉出值大小進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),除考慮曲線因素外,還應(yīng)考慮定位器初始安裝角在受電弓最大抬升時(shí)定位器與水平面的角度,據(jù)此判斷定位管應(yīng)該處于水平狀態(tài)還是應(yīng)與水平面保持一定夾角。(3)在高速鐵路接觸網(wǎng)中,當(dāng)跨距較小時(shí)應(yīng)適當(dāng)減小拉出值,避免定位管吊線在動(dòng)態(tài)時(shí)不受力,形成定位管脫落隱患。