高速鐵路接觸網關鍵零件的疲勞載荷譜編制

戚廣楓，陳建芳，肖曉暉，宋云超

(武漢大學 動力與機械學院，湖北 武漢 430072)

高速鐵路是國民經濟發展的重要支撐。接觸網，作為直接向電力機車供電的線路，是高速鐵路的主要組成部分。由于接觸網沿鐵路露天架設，無備用線路，長期承受自然環境中風載荷等隨機載荷和列車行駛過程中的動載荷，疲勞是其主要失效形式之一。因此，研究接觸網的疲勞可靠性對保障高速鐵路運行安全有重要意義。

針對接觸網的疲勞與可靠性分析，文獻[1]分析確定了影響接觸線疲勞的參數，并采用數值軟件(簡稱OSCAR)評估接觸線的載荷，進行疲勞估算。文獻[2]提出用擴展有限元理論來預測接觸線疲勞裂紋的擴展路線與速率。文獻[3]采用故障樹模型與最小割集算法評估接觸網系統的可靠性指標。文獻[4]通過對反定位支持架腕臂進行靜、動力學分析，采用模糊數學方法進行腕臂等結構的模糊可靠度分析。文獻[5]通過樣條插值和極大似然等方法估算分布參數，以應力-強度的干涉模型得到各零部件可靠度。針對接觸網的疲勞分析，文獻[6]基于接觸網支持架的動力學仿真，得到不同頻率下的最大應力幅值，根據零件S-N曲線計算零件疲勞壽命。文獻[7，8]采用有限壽命設計法，取應力譜的最大值和最小值，對列車低速180 km/h行駛工況下柔性懸掛接觸網進行疲勞分析。

綜上，針對接觸網的疲勞，國內外有不少成果，但針對高速鐵路接觸網的運行環境與參數，尚缺乏系統地建模與分析。因此，本文針對列車250～300 km/h時速工況，結合接觸網故障樹模型與有限元動態響應分析得到接觸網系統的關鍵零部件；基于疲勞可靠性設計的理論與方法，編制了關鍵零件的疲勞載荷譜，為接觸網疲勞壽命、可靠性分析奠定基礎。

1 高速鐵路接觸網的結構與受力特點

1.1 高速鐵路接觸網的結構

接觸網主要由接觸懸掛、定位裝置、支持裝置、支柱和基礎4部分組成。本文研究的重點是定位裝置和支持裝置。支持裝置主要由腕臂底座、平腕臂、斜腕臂、腕臂支撐、承力索座、定位管等組成；定位裝置主要由定位線夾、定位器、定位支座、定位管連接器、定位管支撐、防風拉線等組成。

1.2 接觸網的受力特點

高速運行條件下的受流質量，是高速電氣化鐵路的關鍵技術之一。列車高速運行時保持穩定的受流狀態，即受電弓與接觸線間保持一定的接觸壓力。當接觸壓力過小，易造成離線，即受電弓脫離接觸線或產生電弧；當接觸壓力過大，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，加劇接觸線磨耗，嚴重時造成弓網事故[9]。

本文重點研究接觸網零部件在列車高速運行過程中的疲勞可靠性。

2 研究方法

通過對接觸網系統故障樹模型與有限元動態響應分析，確認接觸網系統的關鍵零部件，對列車行駛典型工況下接觸網零部件的應力-時間歷程數據進行濃縮，采用雨流法計數，編制接觸網定位裝置、支持結構的載荷譜。

2.1 接觸網關鍵零部件的確定

本文采用故障樹法分析影響接觸網結構可靠性的關鍵環節。建立接觸網系統故障樹模型，確認接觸網系統故障樹的全部最小割集，利用串并聯可修復系統可靠性指標的計算公式，得到接觸網系統的可靠性指標，分析接觸網系統中的薄弱環節；提取接觸網系統仿真環境下的各部件的應力時程，得到零部件的最大應力值Smax、應力均值Sm、應力幅值Sa。Goodman直線表達式為

(Sa/S-1)+(Sm/Su)=1

( 1 )

式中：S-1為對稱循環載荷下材料的疲勞極限；Su為材料的強度極限。若要將一個應力幅值為Sa1、應力均值不為零(Sm1≠0)的應力水平，轉換為應力均值等于零(Sm2=0)的應力水平，利用式( 1 )有

(Sa1/Sa2)+(Sm1/Su)=1

( 2 )

可求得Sa2，依據其值的大小對接觸網零部件進行重要度排序，最終確定直接影響接觸網系統運行可靠性的關鍵零部件。

2.2 載荷歷程的獲取

建立接觸網的連續多跨有限元模型[10]，腕臂結構簡化為一個以梁單元、管單元和桿單元構成的有限元模型。其中，腕臂底座與支柱固接，用梁單元模擬；絕緣子、腕臂以及定位管等部件，根據結構特點和受力情況，用管單元模擬；定位支撐由于兩端鉸接，只受軸向拉壓力，用桿單元模擬。接觸網中的承力索、接觸線和吊弦選用Link10單元模擬。

對腕臂結構進行列車行駛工況下的動態響應仿真。根據國內現行高鐵、動車的行駛工況，確定12種運行工況，即在單弓、雙弓兩種運行模式250 km/h、260 km/h、270 km/h、280 km/h、290 km/h、300 km/h六種時速。采用完全法進行典型工況下的接觸網的動態響應分析，通過仿真結果與現場試驗數據的對比分析，驗證模型的有效性；提取關鍵零部件對應的模型節點的力-時間歷程，做為關鍵零件的載荷歷程。

2.3 載荷計數

在編制載荷譜時，忽略零件所承受的小載荷段，進行載荷“濃縮”，即截取列車駛至支持架懸掛點前2 s與駛離后載荷幅值衰減至最大振幅10%～20%的時間段為分析的源數據。

結合列車行駛工況下測點載荷-時間歷程的幅值與均值，針對不同零件采取不同的載荷級數。在載荷“濃縮”及載荷分級的基礎上采用雨流計數法進行計數，得到各關鍵零部件的應力統計譜。

2.4 編制載荷譜

材料的循環疲勞特性是標準構件在試驗條件下獲得的，試驗條件下施加的載荷通常為零均值等幅交變載荷，而實際工況下接觸網系統各零部件的工作載荷也是典型的非零均值等幅交變載荷。應力時間歷程經循環計數處理之后得到的輸出數據文件是整個歷程中各次應力循環的均值和幅值，不僅數據量大，而且具有一定的隨機性，不能用于疲勞試驗機加載。因此本文采用Goodman直線方法，得到零均值載荷，形成可以用于試驗加載的塊狀程序譜，用于壽命估算和疲勞試驗。

3 結果與分析

3.1 關鍵零件的確定

高速鐵路接觸網失效的故障樹模型如圖1所示。定位裝置、支持裝置故障樹見文獻[11]。根據接觸網系統故障樹分析得到接觸懸掛、支持裝置、定位裝置、支柱與基礎4部分的最小割集[11]。

圖1 接觸網故障樹模型

接觸懸掛故障樹的最小割集：承力索，接觸線，吊弦，線夾；支持裝置故障樹的最小割集：斜腕臂，水平腕臂，絕緣子，承力索座，套管，定位環；定位裝置故障樹的最小割集：定位桿，定位管，定位器，定位支座，定位線夾，定位銷；支柱與基礎故障樹的最小割集：支柱，基礎。

本文通過最小割集求頂事件發生的概率，表1為我國2011年部分接觸網零部件故障統計數據得到的零部件故障率、修復率及故障平均修復時間。

表1 接觸網各部件故障統計參數

建立接觸網的28跨有限元模型，如圖2所示。并在表2所示的12種典型工況下進行仿真。

圖2 接觸網連續28跨有限元模型

速度250260270280290300單弓S250S260S270S280S290S300雙弓D250D260D270D280D290D300

在S300工況下仿真得到接觸線跨距中點的縱向振動位移最大值為36.66 mm，現場測得接觸線中點的最大振動位移為36.24 mm，偏差未超過13%，證明該有限元模型有效。

提取接觸網系統仿真環境下各部件的應力時程，如圖3為S250、D250兩種工況下定位管的應力時程圖。計算得到零部件的最大應力值Smax、應力均值Sm1、零均值應力幅值Sa2等，詳見表3。

圖3 定位管等效應力-時程曲線

表3 單弓工況應力典型值 單位：MPa

表3所列支持與定位裝置中各零部件的材料均為碳素鋼Q235A。忽略尺寸系數、表面處理系數及應力集中系數的差別，依據零均值等效載荷的大小對上述零部件進行重要度排序，得到表4。

表4 定位-支持裝置零部件重要度排序

在實際應用中，定位卡子與定位環在材料、形狀、尺寸及表面處理各方面具有高度的相似性，且各典型工況下，定位環的載荷較定位卡子的都大，本文后續只研究定位環。此外，腕臂支撐在各典型工況下的等效載荷均明顯小于其他零部件，且在我國2011年部分接觸網零部件故障統計數據中也并未提及此零件。因此，腕臂支撐不列為關鍵零部件。

通過接觸網系統故障樹模型及仿真環境下各部件的應力時程分析，確定了以定位裝置、支持裝置為主的直接影響接觸網系統運行可靠性的7個關鍵零部件：定位器支座、定位管、定位環、套管雙耳、承力索座、斜腕臂、水平腕臂。

3.2 載荷計數

本文提取列車12種運行工況下的關鍵零部件節點力時程，截取有效的源數據進行載荷“濃縮”，結合列車行駛工況下測點載荷-時間歷程的幅值與均值，定位器支座、定位管、定位卡子和承力索座采用32級，套管雙耳、斜腕臂和平腕臂采用16級。

在載荷“濃縮”及載荷分級的基礎上，本文針對7個關鍵零部件的載荷數據采用雨流計數法進行計數，得到了各關鍵零部件的應力統計譜。本文僅給出定位管在S250工況下的載荷時程曲線及載荷統計直方圖，如圖4所示。

圖4 S250工況下定位管應力時程與計數統計

3.3 載荷譜編制

基于上述采用Goodman直線方法得到的零均值載荷，形成可以用于試驗加載的塊狀載荷譜。在各關鍵零部件疲勞載荷譜編制過程中，剔除了計數統計后各工況下頻次均為零的組合。限于篇幅，本文僅給出定位管的疲勞載荷譜，見表5。

表5 定位管疲勞載荷譜 單位：頻次

3.4 結果分析

分析圖5(a)可知，當應力值逐漸增大到0.6 MPa時，只有定位管存在相應的頻次，故定位管是高速鐵路接觸網零部件中的薄弱環節。

圖5 關鍵零部件載荷譜分析曲線

分析圖5(b)可知，對于較小的應力值0.195 MPa，當列車運行速度小于290 km/h時，雙弓運行的頻次幾乎是單弓運行的2倍；當速度大于等于290 km/h時，單雙弓運行的頻次接近；對于較大應力值0.952 MPa，隨著列車運行速度增加，雙弓運行與單弓運行發生的頻次差距逐漸增大。因此當運行速度增加到290 km/h時，雙弓運行產生的疲勞破壞明顯增加。

4 結論

本文基于接觸網故障樹模型與有限元動力仿真分析得到接觸網系統的7個關鍵零部件：定位器支座、定位管、定位環、套管雙耳、承力索座、斜腕臂、水平腕臂，編制了塊狀疲勞載荷譜。分析載荷譜結果表明，當運行速度增加到290 km/h時，雙弓運行產生的疲勞破壞明顯增加；定位管是高鐵接觸網零部件中的薄弱環節。

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