大風(fēng)區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)定位裝置劣化規(guī)律研究

吳亞飛

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

引言

接觸網(wǎng)定位裝置連接接觸網(wǎng)線索和腕臂，是高速鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵裝備之一，其安全性、穩(wěn)定性及抗疲勞性時(shí)刻受大風(fēng)、異物等外部環(huán)境的影響[1-2]。在大風(fēng)區(qū)擋風(fēng)墻地段，大風(fēng)經(jīng)過后在擋風(fēng)墻后部形成渦流區(qū)，會(huì)引起接觸網(wǎng)線索劇烈振動(dòng)，導(dǎo)致定位器擺動(dòng)，長期以往會(huì)造成定位磨損，一旦脫落打弓，將會(huì)造成弓網(wǎng)設(shè)備損壞，嚴(yán)重時(shí)引起弓網(wǎng)事故[3-5]。為提高定位裝置的結(jié)構(gòu)可靠性，有必要研究大風(fēng)條件下接觸網(wǎng)定位裝置劣化規(guī)律。

國內(nèi)諸多專家學(xué)者對(duì)其開展了研究，常占寧、鄧波等[6-7]分析了強(qiáng)風(fēng)對(duì)接觸網(wǎng)定位裝置可能造成的影響，并從風(fēng)偏設(shè)計(jì)、風(fēng)速設(shè)計(jì)、裝備選型優(yōu)化等角度對(duì)接觸網(wǎng)防風(fēng)提出一些建議；田志軍[8]較早對(duì)鐵路沿線如高架橋、高路堤、風(fēng)口及擋風(fēng)墻等復(fù)雜環(huán)境下，特別是風(fēng)口的高路堤區(qū)段引起風(fēng)速增強(qiáng)及風(fēng)向上吹角增加，對(duì)風(fēng)區(qū)定位器抬升量給出了量化參考指標(biāo)；曹樹森、王迎波[9-10]采用有限元分析方法，以錨段關(guān)節(jié)為建模對(duì)象進(jìn)行大風(fēng)條件下動(dòng)力穩(wěn)定性分析，提出了適當(dāng)減小接觸線截面積及增加接觸線、承力索初始張力等提升接觸網(wǎng)防風(fēng)性能的措施，為大風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)零部件選型提供指導(dǎo)依據(jù)；王玉環(huán)[11]針對(duì)我國大風(fēng)區(qū)段強(qiáng)風(fēng)對(duì)接觸網(wǎng)支持裝置的受力影響，提出一種新型防風(fēng)腕臂結(jié)構(gòu)，并通過有限元分析驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)的合理性；譚德強(qiáng)[12]針對(duì)定位器與定位底座進(jìn)行磨損性能分析，結(jié)果表明定位器與定位支座發(fā)生滑動(dòng)狀態(tài)下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)磨損量顯著增加，并于定位器受力成正比；張若剛[13]提出定位器受正反兩方向風(fēng)的作用下會(huì)發(fā)生擺動(dòng)，且受力較小時(shí)擺動(dòng)頻率加大，磨損加劇，同時(shí)提出調(diào)整參數(shù)及結(jié)構(gòu)等措施，但并未深入研究風(fēng)對(duì)定位裝置的作用機(jī)理及劣化規(guī)律。綜上可知，目前針對(duì)大風(fēng)區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)定位裝置劣化規(guī)律的相關(guān)研究較少，對(duì)接觸網(wǎng)零部件仿真分析仍不夠深入。

為辨析接觸網(wǎng)定位裝置力學(xué)性能劣化規(guī)律，需確定大風(fēng)條件對(duì)接觸網(wǎng)定位裝置的影響程度，建立風(fēng)區(qū)風(fēng)場[14-15]、受電弓與含定位裝置的接觸網(wǎng)仿真模型，獲取定位裝置的時(shí)變載荷和時(shí)變位移，研究定位裝置時(shí)變載荷與自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的力學(xué)性能關(guān)系。

1 大風(fēng)條件下接觸網(wǎng)定位裝置仿真模型建立

根據(jù)表1新疆某高鐵接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)，建立兩個(gè)錨段接觸網(wǎng)仿真模型，如圖1所示。

表1 新疆某高鐵接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 新疆某高鐵接觸網(wǎng)仿真模型

脈動(dòng)風(fēng)速需利用結(jié)構(gòu)建筑風(fēng)載荷計(jì)算中常用的Davenport順向譜和Panofsky豎向譜構(gòu)造[16]。Davenport順向譜模擬出水平脈動(dòng)風(fēng)速，風(fēng)向?yàn)榻佑|網(wǎng)模型的正z軸方向。Panofsky豎向譜模擬出垂向脈動(dòng)風(fēng)速，風(fēng)向?yàn)榻佑|網(wǎng)模型的正y軸方向。

根據(jù)多點(diǎn)相關(guān)風(fēng)速諧波疊加模擬方法[17]，利用MATALB軟件編寫生成接觸網(wǎng)不同空間點(diǎn)的模擬風(fēng)速[18]。按25 m取一個(gè)模擬風(fēng)速特征點(diǎn)，風(fēng)速特征點(diǎn)布置在跨中和腕臂支撐點(diǎn)，特征點(diǎn)的風(fēng)載荷沿跨中和腕臂支撐點(diǎn)向兩邊12.5 m范圍內(nèi)均勻施加。

考慮新疆某高鐵的地貌屬于B類地區(qū)，地面粗糙度系數(shù)取0.16，接觸線和承力索處風(fēng)速按高度修正，地面阻力系數(shù)取0.002 16，假設(shè)時(shí)間步長為0.1 s，模擬時(shí)程總長為100 s，計(jì)算得到不同平均風(fēng)速的50個(gè)特征點(diǎn)隨機(jī)脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程(為區(qū)分平均風(fēng)速，本文脈動(dòng)風(fēng)速包含平均風(fēng)速)，其中，特征點(diǎn)1的水平和垂向脈動(dòng)風(fēng)速曲線如圖2所示。

圖2 風(fēng)速特征點(diǎn)1的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程

圖3為特征點(diǎn)1模擬脈動(dòng)風(fēng)速的自功率理論目標(biāo)譜與模擬譜[19]，兩個(gè)譜特性非常接近，說明模擬的脈動(dòng)風(fēng)速精度較高。

圖3 風(fēng)速特征點(diǎn)1的水平脈動(dòng)風(fēng)速功率譜

圖4為特征點(diǎn)1和2、5、7、14、26、50水平脈動(dòng)風(fēng)速的互相關(guān)函數(shù)[20]。圖中數(shù)字為歸一化互相關(guān)函數(shù)的最大值，代表不同距離點(diǎn)的風(fēng)速相關(guān)性強(qiáng)弱，數(shù)值越大，兩特征點(diǎn)風(fēng)速相關(guān)性越強(qiáng)。點(diǎn)1隨線路中心方向距離的增加，依次與點(diǎn)2、5、7、14的相關(guān)系數(shù)逐步遞減。點(diǎn)1與點(diǎn)26為同一線路中心位置，不同高度，體現(xiàn)出的風(fēng)速相關(guān)系數(shù)最大為0.95，即同一斷面上的風(fēng)速變化不大。點(diǎn)1與點(diǎn)50間隔距離最遠(yuǎn)，其風(fēng)速相關(guān)系數(shù)最小為0.16。不同特征點(diǎn)風(fēng)速互相關(guān)函數(shù)的比較規(guī)律體現(xiàn)出多個(gè)風(fēng)速隨距離變化的相關(guān)性，說明模擬的脈動(dòng)風(fēng)速與實(shí)際風(fēng)速規(guī)律相符。

圖4 不同接觸網(wǎng)特征點(diǎn)水平脈動(dòng)風(fēng)速的互相關(guān)函數(shù)

統(tǒng)計(jì)風(fēng)速譜生成的每個(gè)特征點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)速的瞬時(shí)最大值，為不失一般性，將各個(gè)瞬時(shí)最大值取算術(shù)平均，得到一定平均風(fēng)速下的脈動(dòng)瞬時(shí)最大風(fēng)速，如表2所示，水平瞬時(shí)最大風(fēng)速是平均風(fēng)速的1.4倍左右，而垂直瞬時(shí)最大風(fēng)速的變化較小。

表2 不同平均風(fēng)速下脈動(dòng)瞬時(shí)最大風(fēng)速比較 m/s

按接觸網(wǎng)單位風(fēng)載荷計(jì)算方法[21]，得到承力索與接觸線的單位長度風(fēng)載荷，再根據(jù)線索有限單元長度，折算到接觸網(wǎng)線索的每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。將脈動(dòng)風(fēng)施加到新疆某高鐵接觸網(wǎng)仿真模型上，如圖5所示。

圖5 接觸網(wǎng)模型中的脈動(dòng)風(fēng)向

2 大風(fēng)條件下接觸網(wǎng)定位裝置劣化規(guī)律研究

2.1 接觸網(wǎng)分析區(qū)段選取

大風(fēng)和受電弓作用于接觸網(wǎng)上，引起錨段中不同部位的零部件位移和受力不同[22-23]，為不失一般性，對(duì)比兩個(gè)錨段的錨段中部四跨非絕緣關(guān)節(jié)，跨距編號(hào)從小到大(1～8)排序與受電弓運(yùn)行方向一致，如圖6所示。

圖6 接觸網(wǎng)仿真模型分析區(qū)段

為便于分析，將接觸網(wǎng)仿真模型中的定位裝置分析位置標(biāo)識(shí)在圖7上(跨距編號(hào)不變)。紅色為第1錨段，藍(lán)色為第2錨段，均為7個(gè)定位，橫風(fēng)自上往下吹。

圖7 接觸網(wǎng)定位裝置分析位置

2.2 恒定風(fēng)速下定位器劣化規(guī)律分析

分析30 m/s平均風(fēng)速的脈動(dòng)風(fēng)作用下不同定位點(diǎn)的振動(dòng)規(guī)律。繪制1～4號(hào)定位點(diǎn)二維位移的散點(diǎn)密度圖，如圖8所示。

1號(hào)、3號(hào)定位點(diǎn)位于沿x軸正向的第1個(gè)、第3個(gè)定位器，靠近風(fēng)源側(cè)，定位點(diǎn)垂向位移范圍為-0.017～0.020 m，且平均位移大于0；反之，遠(yuǎn)離風(fēng)源側(cè)2號(hào)、4號(hào)定位點(diǎn)垂向位移范圍為0.01～-0.03 m，且平均位移小于0；橫向擺動(dòng)范圍2～4 mm。遠(yuǎn)離風(fēng)源側(cè)的定位點(diǎn)受到的“之”字力較小，受電弓作用下該類定位點(diǎn)的抬升量較大[24]；且脈動(dòng)風(fēng)引起的擺動(dòng)幅度比靠近風(fēng)源側(cè)大，故遠(yuǎn)離風(fēng)源側(cè)定位器根部的磨損量相對(duì)較大。

圖8 相鄰定位點(diǎn)位移散點(diǎn)密度圖

將1號(hào)、2號(hào)定位點(diǎn)垂向位移進(jìn)行高階中值濾波處理，得到每時(shí)間段的平均值連續(xù)曲線，如圖9所示。遠(yuǎn)離風(fēng)源和靠近風(fēng)源的兩類定位點(diǎn)垂向位移隨時(shí)間有周期性地靠近和遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)，軌跡基本對(duì)稱，抬升最大幅值基本接近，約為7 mm，說明脈動(dòng)風(fēng)作用下遠(yuǎn)離風(fēng)源和靠近風(fēng)源的兩類定位點(diǎn)垂向位移的運(yùn)動(dòng)方向相反。

圖9 中值濾波后的定位點(diǎn)垂向位移曲線

2.3 不同風(fēng)速條件下定位器劣化規(guī)律分析

繪制不同風(fēng)速下接觸網(wǎng)定位點(diǎn)抬升和定位支座受力變化曲線，如圖10～圖13所示。通過對(duì)比可以看出，相同風(fēng)速下，靠近風(fēng)源側(cè)的定位點(diǎn)最大抬升和定位支座反力相對(duì)遠(yuǎn)離風(fēng)源側(cè)較大；風(fēng)速越大，靠近風(fēng)源側(cè)的定位點(diǎn)最大抬升和定位支座反力越大，且增加速度相對(duì)遠(yuǎn)離風(fēng)源側(cè)較快。

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，定位點(diǎn)最大抬升為108 mm，定位支座反力為1 870 N，均出現(xiàn)在靠近風(fēng)源側(cè)，分別見圖12、圖13?？梢缘贸?，靠近風(fēng)源側(cè)的定位器與定位支座的磨損行程和摩擦力較大。軸銷摩擦副的磨損行程和摩擦力是影響摩擦副磨損量的關(guān)鍵因素[25]，因此，靠近風(fēng)源側(cè)的定位裝置出現(xiàn)磨損失效的風(fēng)險(xiǎn)較其他定位點(diǎn)高，其磨損壽命相對(duì)較低。

圖10 第1錨段定位點(diǎn)最大抬升變化曲線(大風(fēng)作用下)

圖11 第1錨段定位支座反力變化曲線(大風(fēng)作用下)

圖12 第2錨段定位點(diǎn)最大抬升變化曲線(大風(fēng)作用下)

圖13 第2錨段定位支座反力變化曲線(大風(fēng)作用下)

大風(fēng)和受電弓作用下接觸網(wǎng)定位點(diǎn)抬升和定位支座受力變化曲線，如圖14～圖17所示。

圖14 第1錨段定位點(diǎn)最大抬升變化曲線(大風(fēng)和受電弓作用下)

圖15 第1錨段定位支座反力變化曲線(大風(fēng)和受電弓作用下)

圖16 第2錨段定位點(diǎn)最大抬升變化曲線(大風(fēng)和受電弓作用下)

圖17 第2錨段定位支座反力變化曲線(大風(fēng)和受電弓作用下)

經(jīng)對(duì)比，當(dāng)受電弓通過大風(fēng)作用下接觸網(wǎng)，風(fēng)速為30 m/s時(shí)，定位點(diǎn)最大抬升110 mm，定位支座最大反力為2 280 N，分別見圖16、圖17。對(duì)比同一錨段受電弓作用前后，定位點(diǎn)最大抬升和定位支座反力較僅有大風(fēng)作用時(shí)均有所增加，且定位支座增幅達(dá)22%。

3 結(jié)語

通過有限元分析方法，建立了含定位裝置的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真模型，模擬脈動(dòng)風(fēng)并利用互相關(guān)函數(shù)驗(yàn)證了模擬風(fēng)載荷的有效性，最終折算成垂向和橫向脈動(dòng)風(fēng)荷載施加到弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)模型。應(yīng)用弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真模型，在恒定風(fēng)速和不同風(fēng)速兩種條件下進(jìn)行了定位裝置的劣化規(guī)律研究，得出主要結(jié)論如下。

(1)恒定風(fēng)作用下，靠近風(fēng)源側(cè)定位點(diǎn)垂向平均位移大于0，而遠(yuǎn)離風(fēng)源側(cè)小于0，且擺動(dòng)幅度和磨損量相對(duì)大；二者垂向運(yùn)動(dòng)軌跡呈對(duì)稱狀態(tài)。

(2)相同風(fēng)速下，靠近風(fēng)源側(cè)的定位點(diǎn)最大抬升和定位支座反力相對(duì)遠(yuǎn)離風(fēng)源側(cè)較大；風(fēng)速為30 m/s時(shí)定位點(diǎn)最大抬升為108 mm，定位支座反力為1 870 N；靠近風(fēng)源側(cè)定位裝置出現(xiàn)磨損失效的風(fēng)險(xiǎn)較其他定位點(diǎn)高，其磨損壽命相對(duì)較低；風(fēng)速越大，靠近風(fēng)源側(cè)的增加速度相較遠(yuǎn)離風(fēng)源側(cè)更快。

(3)相較于僅有大風(fēng)作用時(shí)，受電弓與大風(fēng)共同作用下定位點(diǎn)最大抬升和定位支座反力均有所增加，且定位支座反力增幅達(dá)22%，說明受電弓對(duì)接觸網(wǎng)作用的影響不容忽視。

(4)大風(fēng)區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)定位裝置在標(biāo)準(zhǔn)制定、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及選型時(shí)，較常規(guī)區(qū)域應(yīng)考慮脈動(dòng)風(fēng)橫向和縱向的作用后對(duì)定位裝置磨損、疲勞及受力性能等方面影響。