高速鐵路接觸網定位裝置固定方式研究

胡 峰

中國鐵建電氣化局集團北方工程有限公司 山西 太原 030053

引言

高速鐵路接觸網系統是高速動車組牽引動力的來源,其服役可靠性是線路正常運營的重要基礎。隨著動車組運行速度和開行數量的不斷增加,接觸網的服役環(huán)境變得更加復雜、惡劣,因關鍵零部件失效而導致的接觸網故障時有發(fā)生。限位定位裝置是接觸網支撐結構中的主要組成部分,它在定位處對接觸線施加相對于線路中心的橫向定位,在保證接觸網系統服役可靠性方面起著重要作用。限位定位裝置主要包括限位定位器(簡稱定位器)、定位支座和定位線夾,其中定位器由定位鉤、定位器管以及定位套筒組裝而成,定位鉤通過鉤環(huán)結構和定位支座連接,從而對定位器進行限位和定位,如圖1所示。在現場服役過程中發(fā)現,定位鉤和定位支座在鉤環(huán)結構的連接處時常發(fā)生磨損失效。由于定位鉤和定位支座在服役時不僅要承受過弓激勵、風振等疲勞載荷作用,還受大溫差、鹽霧、電流、風霜雨雪等復雜環(huán)境因素影響,研究其失效機理十分困難。對服役失效零部件的失效分析是研究其失效模式、失效原因和失效機理的重要途徑,而目前針對定位鉤和定位支座的失效研究較少,尤其是鉤環(huán)結構連接處磨損失效的相關研究鮮見報道。本文通過收集服役中磨損失效的定位鉤和定位支座,結合多種摩擦學分析手段,系統研究鉤環(huán)結構連接處磨損失效的原因和機理,并提出解決其磨損失效問題的建議。

1 結構特點

水平鋼腕臂結構呈三角形,腕臂管采用外徑60mm、壁厚5mm 的碳素結構鋼,連接件為金屬模鍛鋼件。該結構型式比較簡單,整體強度和剛度較好,但鋼材質量較重,且需熱浸鍍鋅防腐,不能隨意切割,不易預配組裝;連接件和緊固件數量較多,易松脫;定位裝置采用帶限位功能的直形鋁合金定位器,與受電弓包絡線之間匹配程度一般,可能造成安全余量小甚至余量不足而打弓的后果;定位器與定位支座為鉤環(huán)連接,易磨損。鋁合金腕臂結構在我國350km/h高速鐵路中應用廣泛,腕臂使用外徑70mm、壁厚6mm 的鋁合金管(6082－T6),連接件同樣為鑄造鋁合金材料。該結構的特點與水平鋼腕臂結構特點類似。其材料采用鋁合金,質量較輕,易于切割和安裝,防腐性能較好,但鑄造件工藝質量要求較高。拉桿式腕臂結構呈銳角三角形,穩(wěn)定性較好。腕臂支撐采用方鋼型材,加工工序少,生產成本低,且現場安裝簡單可靠。連接件材料選用銅合金并使用鑄造工藝,強度較高且塑性大,但對工藝要求高,需逐件探傷檢驗。銅合金電偶性能良好,因此定位器與定位支座之間不需要電氣連接線連接。定位器采用弧形結構,與定位支底座連接采用銷軸結構,定位器可在定位管立柱上進行位置調整。整體式腕臂結構在腕臂和定位管的連接處采用了單耳與雙耳連接的簡化結構,雙耳焊接在腕臂管上,再與單耳進行連接。其平腕臂為彎型結構,取代了傳統的腕臂支撐及吊線結構,連接簡單可靠,使腕臂結構在大風區(qū)的復雜環(huán)境下可靠性較高。零部件連接處為合頁結構,減少了螺紋副連接可能造成的松動現象。定位器外形為弧形,與定位支座連接采用銷軸結構,定位器具備彈性功能。

2 高速鐵路接觸網定位裝置固定方式研究

2.1 定位管安全角度檢算 通過上述計算可知,定位器在靜態(tài)工作狀態(tài)下定位器與水平面保持一個固定夾角α,在普速鐵路,由于列車運行速度不高,受電弓的最大抬升量較小,定位管可以按水平狀態(tài)設計,但在高速鐵路中,由于列車運行速度快,受電弓的最大抬升量也隨之增大,最大時可達225mm。因此在高速鐵路接觸網設計中必須考慮受電弓在最大抬升時,不與任何定位零部件發(fā)生碰撞。為了避免定位器在最大抬升時與定位管發(fā)生碰撞,還應核算定位管與水平面的夾角β。

2.2 定位管吊線靜態(tài)受力計算 根據上述分析可知,整套定位裝置水平方向所受到的力包括“之”字力f2、曲線力f1;垂直方向受到的力包括定位器自身重力m1g、兩吊弦之間接觸線的重力m2g、定位器支座重力m3g、定位管自身重力m4g、支撐管卡子(拉線定位鉤)重力m5g、防風拉線定位耳環(huán)重力m6g。

2.3 有限元分析 為分析定位鉤和定位支座在鉤環(huán)結構連接處的受力情況,采用有限元分析手段對整個限位定位裝置進行仿真分析。在SolidWorks軟件中建立限位定位裝置各零件的幾何模型,并按服役時的相對位置關系對各零件進行裝配,然后將模型導入ABAQUS中進行有限元分析,裝配模型及網格如圖9所示。定位鉤彈性模量取70GPa,泊松比取0.3,定位支座的彈性模量取75GPa,泊松比取0.33。定位鉤與定位支座采用面面接觸模式,摩擦因數取試驗測得的0.55,定位器坡度取服役中常用的10°。定位支座按服役時的固定方式施加邊界條件,在定位線夾處施加2.5k N 的工作載荷,采用ABAQUSStandard求解器進行求解。

結語

通過本文分析可得到如下結論：(1)在進行定位裝置固定方式選擇時,必須進行定位管吊線或拉線受力分析和檢算,并且只有受力檢算結果在動、靜狀態(tài)下都大于0時,才可選擇定位管吊線或V型拉線,否則應改為定位管硬支持的固定方式。(2)在對拉出值大小進行設計時,除考慮曲線因素外,還應考慮定位器初始安裝角在受電弓最大抬升時定位器與水平面的角度,據此判斷定位管應該處于水平狀態(tài)還是應與水平面保持一定夾角。(3)在高速鐵路接觸網中,當跨距較小時應適當減小拉出值,避免定位管吊線在動態(tài)時不受力,形成定位管脫落隱患。