接觸網腕臂結構系統防松研究

韓凌青，李少鵬，張慧潔

接觸網腕臂結構系統防松研究

韓凌青，李少鵬，張慧潔

根據實際工況建立了腕臂結構系統的有限元模型。利用有限元法對該模型進行受力分析，校核其靜強度、靜剛度。建立了腕臂結構系統的動力學模型，通過模態分析得出模型的前十階固有頻率及振型，并通過諧響應分析計算在外載荷的影響下結構的共振頻率。通過對腕臂結構系統的動力學分析，得出在外載荷作用下，整體結構系統不會發生共振現象，與實際工程項目相符。同時分析出腕臂結構的連接件中振動影響最大的部件，為螺栓防松提出建設性意見，并為工程實際提供了理論支持。

有限元法；固有頻率；防松；動力學分析；腕臂結構

0 引言

在接觸網設計施工階段應盡量避免發生共振現象，以防止降低其結構的可靠性、螺栓螺母的松動以及影響受電弓的受流特性[1]。高速列車受電弓在經過定位線夾的時候，會對腕臂結構系統造成沖擊及振動，同時風載荷、接觸線張力等外載荷的變化對接觸網整個結構系統也會產生一定的影響。對接觸網系統，正常行車的情況下，接觸線垂直方向固有頻率在1 Hz左右[2]。目前鮮有腕臂支撐結構以及其與接觸線之間的共振關系進行分析計算的研究，一般只依靠工作經驗，沒有理論支撐。國標中對此沒有嚴格要求，該項往往被忽略，淡漠了結構的動態性能。同時，螺栓螺母的防松措施種類繁多：機械防松、破壞性防松、摩擦防松。經濟性和適用性也各不相同。腕臂結構系統的防松措施比較陳舊，現場反饋的問題也較多，亟待對該類問題結合經濟實用性進行優化解決。

本文通過對腕臂結構系統進行模態分析、諧響應分析以及相關力學計算，對整體結構系統的動力學性能進行分析評估，驗證模型與實際工況的符合程度，并提出相應的優化方案。

1 結構靜力學模型及特性分析

本文選用最不利工況，即下錨支的大限界腕臂結構系統作為分析對象。腕臂底座間距1.8 m，平腕臂總長4.1 m，且為鋼腕臂結構。建立完整的SolidWorks實體模型，并對模型根據實際工況進行簡化，完成有限元模型的轉化。同時，有限元模型的腕臂和絕緣子用空間梁單元模擬，腕臂支撐用桿單元模擬[3，4]。圖1 a為該腕臂結構系統的SolidWorks實體模型，圖1 b為其Ansys的有限元簡化模型。

實際工作狀態中，考慮到接觸線的張力、自重、風載荷、冰雪載荷以及下錨等引起的額外負載，對腕臂結構系統進行靜力分析[5]。

本文由于旨在分析腕臂結構的整體受力情況，為了排除所有由于建模原因可能引起的局部應力使計算結果更符合工程實際，對結構銜接處的連接件（螺栓、定位環等）進行簡化，以兩點耦合的形式模擬鉸接。同時由于絕緣子結構在建模時極易引起局部應力，且其對計算結果影響極小，故將其簡化為簡單的圓柱體結構，但其質量、尺寸與真實情況相符。

圖1 腕臂結構系統模型圖

采用基于鐵木辛柯梁理論[6][7]的BEAM188梁單元進行模擬。本文的腕臂結構系統模型可簡化為空間彈性支撐連續梁，根據相關文獻，可導出連續梁單元有限元方程[8]：

節點位移函數為

式中，vi為單元節點i處的位移；θi為單元節點i處的轉角；vj為單元節點j處的位移；θj為單元節點j處的轉角；l為i、j節點間的距離。

用節點位移表示的單元應力的關系為

式中，E為材料的彈性模量。

用節點位移表示單元的剛度矩陣為

考慮到[D]為與材料彈性模量有關的矩陣，且橫截面慣性矩，由虛功原理建立作用于單元上的節點力和節點位移之間的關系式，即單元剛度方程為

式中，{F}e為單元節點力分量列陣，由此可解出[K]e。

綜上所述，利用有限元法進行計算時的方程可描述為

式中，[K]為結構的總體剛度矩陣，由各單元的剛度矩陣組成；{δ}為節點位移列陣；{F}為節點載荷列陣。

通過將實際的位移邊界條件帶入式（5），解之可得單元的節點位移，再通過單元特性分析建立的關系式，即可求得所需應力、應變。

本文通過Ansys有限元計算軟件對模型進行強度、靜剛度分析計算，結果如圖2和圖3所示。

圖2 腕臂結構系統最大應力圖

圖4 腕臂結構諧響應分析圖

同時，本文截取定位環、套管雙耳、支撐管卡子等連接件進行局部諧響應分析，找出受振動影響最大的部件，結果如圖5所示?？梢娛苷駝佑绊憦娙醯呐判驗槎ㄎ画h、支撐管卡子以及套管雙耳。施工人員可根據受影響的嚴重程度對相應螺栓螺母進行擇優選取，用不同等級的防松件來應對不同的振動情況。

圖5 諧響應分析曲線圖

3 結論

本文根據工程實際，建立了腕臂結構系統的實體模型和有限元模型。通過對模型的分析計算，校核了結構系統的靜強度、靜剛度，并對外載荷作用下的結構系統進行了動力學分析。通過模態分析以及諧響應分析確定了結構的固有頻率。由以上計算可得，本文所建立模型的靜強度、靜剛度滿足使用要求，并且在外載荷（接觸線張力、受電弓、風載荷等）作用下不會發生影響整體可靠性的共振現象，與實際情況相符，為實際工程項目提供了理論支持。同時，通過本文的計算，得出結構振動的基本形式，分析并概括了各連接部件的振動情況，為施工單位防松螺栓螺母的選取提供了一定的理論支持。對螺栓螺母的防松研究有一定的指導意義。

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A finite element model of cantilever structure was set up based on the engineering practices. The loading analysis was performed by using finite element method to verify the model’s strength and stiffness. The kinetic model was established for the cantilever structure system, the first ten inherent frequencies and modes of resonance were obtained through the modal analysis, and the calculation of resonance frequency of the structure under the external load were performed on the basis of the harmonic response analysis. A conclusion was obtained that the resonance frequency will not occur on the entire structure system under the action of the external load, and it is identical to the actual engineering actuality. The most impacted connecting parts in the cantilever structure caused by the resonance were identified at the same time after the analysis. The constructive proposals for locking of bolts were raised, and the theoretical supports for the engineering practices were provided.

Finite element method; inherent frequency; looseness proofing; kinetic analysis; cantilever structure

U225.4+2

：B

：1007-936X(2016)01-0024-04

2015-06-30

韓凌青.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，工程師，電話：13752393334；李少鵬.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，助理工程師；張慧潔.天津市賽英工程建設咨詢管理有限公司，助理工程師。