地鐵接觸網U型密封裝置有限元數值模擬★

陳華明　張瑞龍（中國建筑標準設計研究院有限公司，北京　100048）

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地鐵接觸網U型密封裝置有限元數值模擬★

陳華明張瑞龍
（中國建筑標準設計研究院有限公司，北京100048）

摘要：介紹了剛性接觸網密封裝置選材與形狀設計方法，對該裝置的接觸問題進行了有限元分析，實現了不斷開剛性接觸網前提下的防護密閉處理，計算結果表明接觸網移動板壓縮行程超過5.5 mm時，密封性能是可靠和安全的，為剛性接觸密封裝置在實際工程中的應用提供了理論依據。

關鍵詞：地鐵接觸網，橡膠，密封裝置，移動板

★：“十二五”國家科技支撐計劃課題（編號：2012BAJ01B00）

1　概述

近二十年來，我國城市軌道交通建設如火如荼，發展迅猛。根據相關規范要求，地鐵平時作為城市交通的骨干，戰時作為城市防空疏散干道和人員緊急掩蔽場所。地鐵列車按受電方式可分為剛性接觸網和柔性接觸網，其中剛性懸掛接觸網結構簡單、安裝維護方便，在我國軌道交通行業內應用廣泛［1］。

在地鐵設計中，一般在區間隧道或者車站端頭設置單扇防護密閉隔斷門，能雙向承受沖擊波荷載。這樣在戰時，當炸彈爆炸造成門扇一側的防護單元破壞后，門扇另一側的防護單元仍然能正常使用。剛性接觸網U型密封裝置作為單扇防護密閉隔斷門的主要部件，是否能夠有效實現密封功能是關鍵所在。對于接觸網密封裝置中接觸網移動板的壓縮行程和密閉性能，國內相關設計單位一般根據經驗來進行設計，設計成果缺乏理論依據。近年來，中國建筑標準設計研究院在國內原有隔斷門的基礎上，研制了不需斷開剛性接觸網就能啟閉的區間單扇防護密閉隔斷門，實際工程應用中操作方便，平戰轉換效率高［2］。

在設計時，按照功能要求區間隔斷門一般設計成雙向受力，即門扇正反兩面分別承受50 km/m2的爆炸沖擊波荷載。正常工作狀態時，剛性接觸網密封裝置中接觸網移動板擠壓接觸網密封橡膠和上密封板密封膠條，從而達到密封目的；在戰時，橡膠除了滿足前述要求外，還要求能抵抗爆炸沖擊波的作用，即不能發生破裂，這就對密封橡膠的力學性能提出了嚴格要求，通過非線性接觸有限元分析可以解決上述問題。

2　U型密閉裝置有限元模擬

橡膠屬于完全無定型聚合物，是一種超彈性材料，具有良好的伸縮性和復原性，可以理想化為沒有塑性屈服的彈性材料。在Ansys中，橡膠的本構關系用2參數的Mooney-Rivlin模型來表示：

其中，C10和C01均為Rivlin系數；W為應變能密度函數［3］。

接觸問題的特點是屬于邊界非線性問題，邊界條件不再是定解條件，而是待求結果；兩接觸體間接觸面積與壓力隨外載的變化而變化，并與接觸體的剛性有關。在Ansys中，常用的接觸問題的求解方法包括拉格朗日乘子法和罰函數法［4］。

地鐵區間單扇防護密閉隔斷門總裝圖和密封橡膠分別如圖1和圖2所示。實體模型和分析單元網格劃分如圖3和圖4所示。通過接觸網移動板擠壓接觸網移動板的橡膠密封條、接觸網密封橡膠實現密封功能。由于接觸網移動板的橡膠密封條受密封上壓板（鋁板）擠壓，同時又與稍軟的接觸網密封橡膠進行接觸密封，即多邊界條件下不同硬度橡膠、不同物質之間同時發生非線性接觸，這就使接觸網移動板的合理壓縮行程成為計算的關鍵。如果行程過小，則橡膠之間、橡膠和鋁板之間會有空隙，沒有緊密貼合；如果行程過大，則擠壓的橡膠可能發生破裂或單側鼓包，計算無法有效收斂。經過多次試算，當壓縮行程為5.5 mm時，有限元計算結果得到收斂，應力和變形合理，形成了有效密封，實現了系統的密封功能要求。

圖1　門扇整體安裝示意圖

在Ansys10.0有限元軟件中，選用Solid185單元來模擬橡膠單元，接觸網密封橡膠和橡膠密封條參數為：硬度分別為45紹爾和55紹爾；彈性模量分別為E =1.70 MPa和E =2.51 MPa；摩擦系數分別為0.55和0.6；泊松比υ=0.47。選用Solid45單元來模擬鋼板和鋁板，彈性模量分別為E = 2.06×105MPa和E = 7.17×104MPa，泊松比υ=0.29和0.33。在橡膠之間、橡膠和鋁板之間、橡膠和鋼板之間設置接觸單元。密封裝置中的橡膠變形圖如圖5所示，計算結果表明，當壓縮行程為5.5 mm時，接觸網移動板的橡膠密封條和接觸網密封橡膠發生明顯的不均勻變形，變形后的橡膠填滿了空隙，接觸網密封橡膠在沖擊波的作用下（沖擊波荷載取50 kN/m2）沿接觸網長度方向發生一定的偏移，但是和接觸網仍然緊密接觸。圖6是橡膠接觸狀態圖，圖中A區域表示兩部分橡膠之間、橡膠與剛體緊密接觸的部位；圖中B區域表示兩部分橡膠之間、橡膠與剛體表面接觸并沿切面有相對滑移；圖中C區域表示橡膠與剛體將要發生接觸的部位。從變形和接觸圖可以判斷：接觸網移動板的橡膠密封條、接觸網密封橡膠、鋁板和接觸網緊密接觸，在沖擊波的作用下橡膠偏移很小，達到密封功能。圖7為剛性接觸網密封橡膠Von Mises應力云圖，圖8為密封上壓板（鋁板）應力云圖，從圖7，圖8中可以判斷橡膠和鋁板沒有破壞。

圖2　密封橡膠體

圖3　實體模型

圖4　分析單元網格劃分

圖5　橡膠變形圖

圖6　橡膠接觸狀態圖

圖7　橡膠應力云圖

圖8　密封上壓板（鋁板）應力云圖

綜上所述，當接觸網移動板壓縮行程超過5.5 mm時，接觸網移動板的橡膠密封條、接觸網密封橡膠、密封上壓板（鋁板）和剛性接觸網緊密接觸，在50 kN/m2沖擊波荷載的作用下，橡膠一直處于彈性階段，沒有發生破裂，形成了有效的密封。

3　結語

非線性有限元分析結果表明當接觸網移動板壓縮行程超過5.5 mm時，密封橡膠一直處于彈性階段，沒有發生破裂，形成了有效的密封，實現了不斷開剛性接觸網前提下的防護密閉處理，并且該密封裝置已用于北京地鐵14號線和南京地鐵3號線，獲得了普遍好評。

參考文獻：

［1］胡玉鏡，張偉剛，劉斌生.地鐵新型人防區間隔斷門的研制［J］.都市快軌交通，2008（6）：87-90.

［2］袁海忠，陳華明，王海燕.地鐵軌道密封裝置三維非線性有限元分析［J］.山西建筑，2011，37（7）：121-122.

［3］王偉，鄧濤，趙樹高.橡膠Mooney-Rivlin模型中材料常數的確定［J］.特種橡膠制品，2004，25（4）：8-10.

［4］于振波，蔡永梅，唐曉初.C形密封圈結構的有限元分析［J］.石油化工設備，2008，25（4）：8-10.

中圖分類號：U231

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0122-03

收稿日期：2015-12-16

作者簡介：陳華明（1978-），男，博士，高級工程師；張瑞龍（1964-），男，教授級高級工程師

On finite element numeric simulation of U-shaped sealing devices at subway catenary★

Chen Huaming Zhang Ruilong
（China Institute of Building Standard Design and Research，Beijing 100048，China）

Abstract：The paper introduces the materials selection and shape design for the rigid catenary，undertakes the finite element analysis of some problems at the catenary of the device，realizes the protective sealing treatment with the premise of opening the rigid catenary continuously，and the calculation results shows that the sealing performance can be reliable and safe when the compression travel of the moveable plate of the catenary is over 5.5 mm，so as to provide some theoretic reference for its application.

Key words：subway catenary，rubber，sealing device，moveable plate