張莉娜，鄧 斌，劉桓龍，王國志

0 引言

地處新疆的蘭新線鐵路和南疆線鐵路，接觸網(wǎng)設備沿鐵路線露天布置，工作環(huán)境惡劣且無備用，受風雪等自然災害影響較大，一旦失效破壞，將引起弓網(wǎng)故障，嚴重時導致列車停駛，經(jīng)濟損失巨大[1]。

隨著電氣化鐵路運行速度的不斷提高，機車受電弓在沿接觸線運行的過程中，會引起接觸網(wǎng)的振動以及接觸壓力的變化，接觸線的應力也會隨之變化。為保證機車受電弓在橫向風力作用下沿接觸線滑行時的正常受流，接觸網(wǎng)設計時僅僅按靜強度設計是不夠的，還需要考慮其動態(tài)性能[2，3]。因此，需深入進行接觸網(wǎng)動力穩(wěn)定性影響的研究，為進一步研究強風載荷下的接觸網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性提供依據(jù)和參考。

1 接觸網(wǎng)模型建立

本文以蘭新線鐵路某直線段接觸網(wǎng)為研究對象，結(jié)合接觸網(wǎng)各部件在弓網(wǎng)系統(tǒng)中的作用和實際情況，建立承力索、接觸線、吊弦和支撐結(jié)構耦合的6 跨單個錨段接觸網(wǎng)有限元模型。

模型建立時，考慮接觸懸掛系統(tǒng)材料非線性，引入雙線性隨動強化彈塑性模型（BKIN）來模擬；考慮懸掛系統(tǒng)幾何非線性，假設承力索和接觸線是理想柔性的。

接觸網(wǎng)的結(jié)構布置參數(shù)見表1，吊弦等間距均勻分布；接觸網(wǎng)兩端全約束，5 個支柱底部約束3個方向自由度，釋放承力索與承力索支座鉸接點的z 方向旋轉(zhuǎn)自由度。其中懸掛結(jié)構承力索、接觸線因考慮其軸向變形，采用beam4 梁單元模擬；吊弦只受拉力，采用桿單元link10 模擬。接觸網(wǎng)有限元模型見圖1。

表1 接觸網(wǎng)布置參數(shù)表

2 弓網(wǎng)作用力

弓網(wǎng)系統(tǒng)中，受電弓與接觸網(wǎng)是通過接觸壓力耦合在一起的。在弓網(wǎng)系統(tǒng)的研究過程中，一般是通過列車的運行速度以及運行時間來確定某一時刻弓網(wǎng)間接觸點的位置。運用數(shù)值計算方法分別計算出該時刻接觸線、弓頭的位移，然后求得接觸壓力，具體計算方法見文獻[4]。本文共計算了受電弓分別以120，160，200，250 km/h運行時的弓網(wǎng)接觸壓力，圖2示出了受電弓在運行速度為120，250 km/h時接觸壓力隨時間的變化曲線。

圖1 接觸網(wǎng)有限元模型圖

圖2 接觸壓力變化曲線圖

由圖2 知，隨著運行速度的增加，接觸壓力最大值增加，最小值則大幅減小，波動幅度增大。速度增加到250 km/h 時，最小值已減小到零。接觸壓力過小，易造成離線；接觸壓力過大，接觸線抬升量過大，使接觸線局部彎曲，引起接觸線疲勞損傷，同時使接觸線磨耗增大，嚴重時將造成弓網(wǎng)事故[5]。

3 接觸網(wǎng)動態(tài)響應計算

3.1 接觸線動態(tài)抬升量

將受電弓以速度120，160，200，250 km/h 運行時的弓網(wǎng)作用力作為瞬態(tài)分析的載荷，利用接觸網(wǎng)動力學平衡方程進行瞬態(tài)分析，計算接觸線的動態(tài)抬升量。受電弓在各速度下，接觸線的最大抬升量如圖3 所示。

圖3 接觸線動態(tài)抬升量比較圖

從圖3 可看出，抬升量的最大值通常在受電弓行至每跨跨中時，在受電弓與接觸線的接觸點附近出現(xiàn)；抬升量最小值通常在受電弓行至支柱時，但不一定在接觸點，因為支柱處剛度很大，接觸壓力引起的位移很小。

在不同受電弓運行速度下，接觸線不同位置的抬升量是不同的?？紤]到跨中位置處的位移響應較明顯，選取較穩(wěn)定的第4 跨跨中（140 m）位置處，對該位置在不同速度下的抬升量進行比較（圖4）。

由圖4 可看出，當受電弓運行在接觸線前3 跨時，該位置的抬升量較?。划斒茈姽\行至第4 跨時，該位置的抬升量逐漸增大，且運行至該位置時達到最大值；當受電弓通過該位置后，該位置的抬升量有一定減小，但運行至第5 跨和第6 跨跨中時，該位置的抬升量是相應跨中的極大值。隨著速度的增加，受電弓通過該位置時的抬升量有所增加；受電弓通過該位置后，該位置的抬升量近似呈以跨距為周期的周期性變化，并在運行至跨中時達到每跨中抬升量的極大值。

3.2 動應力計算

將接觸線和承力索的張力作為靜態(tài)荷載，其中接觸線張力為25 kN，承力索張力為23.5 kN，施加到接觸網(wǎng)有限元模型上。通過靜力分析，接觸線和承力索的靜態(tài)應力分別為165.5 和200.8 MPa。接觸網(wǎng)的總應力由靜態(tài)應力、弓網(wǎng)作用力和接觸網(wǎng)振動所共同引起的動應力組成。

選取受電弓以速度160 km/h 運行時，接觸線和承力索上跨中和支柱附近位置處的最大動應力和總應力的值見表2。

由表2 可見，受電弓以時速160 km 運行，當運行到100 m 位置（即第3 跨跨中）時，承力索動應力最大值為12.5 MPa，其出現(xiàn)的位置在121.5～122 m 處；當運行到182.5 m 位置（即第5 跨跨中位置附近）時，接觸線動應力最大值為8.6 MPa，其出現(xiàn)的位置在179.5～180 m 處。

表2 160 km/h 時接觸網(wǎng)最大動應力及總應力值表

因不同位置應力隨時間變化的關系不同，考慮到跨中位置應力響應較明顯，選取第3 跨跨中承力索和接觸線位置（100 m 處），分析該處橫截面上應力隨時間的變化情況，如圖5 所示。

圖5 應力隨時間變化曲線圖

由圖5 可見，受電弓在整個錨段運行過程中，不同位置時動應力大小不同。當受電弓運行在前2跨時，該位置動應力數(shù)值很小；運行至第3 跨時，動應力開始增大，并在跨中位置附近達到最大值。

4 結(jié)論

綜上所述，可得出以下結(jié)論：

（1）隨著速度的增加，接觸壓力最大值增加，最小值大幅減小，波動幅度增大。當速度增加到250 km/h 時，最小值已減小到0，已有離線發(fā)生。

（2）接觸線的動態(tài)抬升量最大值一般出現(xiàn)在每跨跨中位置附近，最小值一般出現(xiàn)在支柱附近。

（3）不同位置動應力大小不同。受電弓運行至每跨跨中時，該位置動應力達到最大值。

本文對接觸線的動態(tài)抬升量和接觸線、承力索動應力的分析結(jié)果，為進一步研究風載荷下的接觸網(wǎng)穩(wěn)定性和可靠性提供了依據(jù)和參考。

[1] 劉風華.不同類型擋風墻對列車運行按防護效果的影響[J].中南大學學報，2006，37（1）.

[2] 張衛(wèi)華，沈志云.接觸網(wǎng)動態(tài)研究[J].鐵道學報，1991，13（4）.

[3] 曹樹森，等.強風區(qū)接觸網(wǎng)動態(tài)穩(wěn)定性研究[J].中國鐵道 科學，2010，31（4）：79-84.

[4] 梅桂明.受電弓/接觸網(wǎng)系統(tǒng)動力學模型及特性[J].交通 運輸工程學報，2002，（1）.

[5] 田志軍.電氣化鐵路接觸網(wǎng)防風技術研究[J].建設機械 技術與管理，2007，（7）：100-103.