輸電線斷線對鐵路防護網的沖擊作用*

穆云飛 黃志輝 夏朝國

(西南交通大學牽引動力國家重點實驗室 成都 610031)

作為中國基礎設施中2個重要的組成部分，中國鐵路網絡和國家輸電網絡以較快的速度發展建設，2個龐大的網絡縱橫交錯，架空輸電線路橫跨鐵路的情況時有發生。根據《中華人民共和國鐵路法(2015修訂)》[1]第四十六條規定，在鐵路線路上架設電力、通信線路，埋置電纜、管道設施，穿鑿通過鐵路路基的地下坑道，必須經鐵路運輸企業同意，并采取安全防護措施。

在鐵路上方架設輸電線路時，鐵路兩側線塔之間的距離少則幾十米，多則幾百米，且架設的輸電線距離鐵路軌道及電網的垂向高度也在30 m以上。一旦在跨越軌道架設輸電線路的過程中發生斷線事故，輸電線斷線沖擊在鐵路電網或列車上，鐵路運營安全將受到極大的挑戰。所以，做好鐵路運營的安全防護是非常有必要的[2]。以下對一款跨越軌道防護裝備的新型鐵路運營安全防護裝置，使用ABAQUS有限元軟件對輸電線斷線沖擊其防護網的整個過程進行動態仿真計算，分析跨越軌道防護裝備是否可以攔截下落的輸電線斷線，對鐵路運營起到安全防護作用。

1 跨越軌道防護裝備介紹

跨越軌道防護裝備由2套功能相同的框架機構和中間的3張柔性防護網組成。每套框架機構由底座、回轉盤、主塔、橫梁、副塔驅動架及副塔等零部件組成；3張柔性防護網均位于2套框架結構中間，其中1張防護網張掛在2個橫梁之間，1張防護網張掛在2個主塔之間，另外1張防護網張掛在2個副塔之間，水平位置和豎直位置防護網之間有空當。跨越軌道防護裝備見圖1。

圖1 跨越軌道防護裝備

夏朝國[3]對跨越軌道防護裝備的框架結構進行了強度計算，計算結果表明其框架結構滿足各工況的強度要求。分析輸電線斷線對防護網的沖擊作用，計算防護網的強度，查看防護網是否滿足各工況的強度要求，便可判斷跨越軌道防護裝備是否可以攔截下落的輸電線斷線，對鐵路運營起到安全防護作用。

2 輸電線及防護網

仿真計算采用的輸電線是國內某橫跨鐵路的架空輸電線路中的導線，架空輸電線路中輸電桿塔參數見表1，導線規格及力學性能參數見表2[4]。

表1 輸電線桿塔參數

表2 導線規格及力學性能參數

防護網是由直徑8 mm的進口迪尼瑪繩編織、多個0.5 m×0.5 m的正方形網格組成的柔性網。跨越軌道防護裝備共包含3張防護網，水平張掛在2個橫梁之間的防護網長和寬均為18 m，其工作高度為距離地面16 m；另外2張防護網大小相同，長、寬分別為18 m、10 m，分別豎直張掛在2個主塔之間和2個副塔之間。其中，2張防護網的工作高度均為防護網中心距離地面10 m，兩者之間相距19 m。迪尼瑪繩是一種采用凝膠紡絲方法生產的超強聚乙烯纖維，其力學性能參數見表3。

表3 迪尼瑪繩力學性能參數

3 輸電線斷線沖擊防護網理論分析

在輸電線發生斷線事故，防護網攔截輸電線斷線過程中，輸電線斷線沖擊防護網使其變形下凹，輸電線斷線的動能全部轉化為防護網的彈性勢能和輸電線斷線與防護網之間摩擦產生的熱能[5]。隨后，防護網恢復原狀，將其部分彈性勢能轉化為輸電線斷線的動能和輸電線斷線與防護網之間摩擦產生的熱能；輸電線斷線繼續向上運動，離開防護網。輸電線斷線向上運動至最高點后再次下落沖擊防護網，并重復上述過程，直到輸電線斷線完全離開防護網或靜止停留在防護網上。

輸電線斷線沖擊防護網時，兩者形成動態接觸并存在接觸力，采用動力學分析，其平衡方程見式(1)、(2)。

(1)

(2)

4 輸電線斷線沖擊防護網仿真計算

4.1 輸電線和防護網有限元模型的建立

在ABAQUS軟件中建立輸電線和3張防護網的實體模型，并使用不同大小的T3D2桿單元分別對2個模型進行離散。輸電線有限元模型單元大小為0.5 m，共有200個單元。輸電線有限元模型采用Rayleigh阻尼假設，阻尼比取0.02。防護網有限元模型單元大小為0.125 m，共有19 891個節點，10 656個單元。在防護網攔截輸電線斷線的過程中，輸電線斷線沖擊速度大，防護網變形時間短，迪尼瑪繩拉伸速率大。由于迪尼瑪繩的聚乙烯材料特性，防護網采用線彈性材料變形模擬[7]。

由于輸電線斷線可能與地面接觸，故選擇無需劃分網格便可進行有限元計算的解析剛性面來模擬地面。輸電線、防護網及地面有限元模型見圖2。

圖2 輸電線、防護網及地面有限元模型

4.2 有限元模型約束、載荷及接觸設置

在輸電線兩端和3張防護網兩側分別與橫梁、主塔及副塔相連的網格結點處約束3個方向的平動自由度，在模擬地面的剛性面添加參考點并施加完全固定約束。在整個仿真計算過程中，輸電線斷線在自身重力作用下掉落；故對輸電線有限元模型施加重力加速度g作為載荷，其中g取9.81 m/s2。有限元模型約束和載荷施加位置示意見圖3。

圖3 有限元模型約束和載荷施加位置示意圖

輸電線斷線與防護網及輸電線斷線與地面之間的接觸屬性，在法向行為上通過硬接觸模擬，在切向行為上通過庫侖摩擦模型模擬，采用罰函數方法計算[8]。假定輸電線斷線與地面接觸后動能被完全吸收，兩者接觸部分不再分開[9]。輸電線斷線與防護網之間的摩擦系數為0.12，輸電線斷線與地面之間的摩擦系數按照輸電線在沙土中移動的摩擦系數取值為1.5[10]。輸電線斷線與防護網之間的接觸采用通用接觸模擬，輸電線斷線與地面之間的接觸采用表面與表面接觸模擬；最終對2種接觸分別賦予對應的接觸屬性。

4.3 有限元計算步驟及計算工況說明

在ABAQUS軟件中對輸電線斷線沖擊防護網進行仿真計算，采用以下步驟。

1) 通過靜力分析得到在自身重力作用下平衡狀態的輸電線和各單元應力。

2) 在新的動力學分析中建立防護網及地面有限元模型，并導入平衡狀態的輸電線有限元模型和各單元應力。動力學分析采用自動時間步長控制，總的時間長度為10 s。

3) 設置輸電線、防護網及地面有限元模型的約束、載荷及接觸。

4) 刪除輸電線中斷線位置的桿單元，提交作業進行仿真計算。

考慮到輸電線斷線位置的不確定性和極限情況，為簡化計算工況，選取了端部懸掛點、中間位置處和3/4位置處3個典型的輸電線斷線位置。分別計算3個工況下，輸電線斷線對防護網的沖擊作用結果。

4.4 有限元模型計算結果

斷線位置分別在輸電線端部懸掛點、中間位置處、3/4位置處時，求解有限元模型各節點動態變化的應力，并利用后處理功能查看計算結果。3個工況防護網最大應力隨時間變化圖見圖4；3個工況防護網在最大應力時刻的應力云圖見圖5。

圖4 3個工況防護網最大應力隨時間變化圖

圖5 防護網在最大應力時刻的應力云圖(單位：Pa)

由有限元計算結果可知，防護網最大應力出現在第3工況，輸電線斷線后2.13 s，位于輸電線斷線端部與豎直位置防護網中間迪尼瑪繩接觸位置附近。防護網最大應力235.0 MPa，小于8 mm迪尼瑪繩破斷應力1 193.7 MPa，安全系數為5.08，防護網滿足強度要求。

分析有限元計算結果發現，輸電線斷線位置不同，導致防護網所受沖擊作用不同，防護網最大應力與輸電線斷線位置有直接關系。對比上述3個輸電線斷線位置的防護網最大應力，由輸電線斷線位置的不確定性可知，防護網最大應力出現在輸電線斷線端部沖擊豎直位置防護網的工況。

通過動能定理可知，不同斷線位置的輸電線斷線在沖擊防護網的過程中，其端部越接近豎直位置防護網底部，輸電線斷線對豎直位置防護網的沖擊作用越大，豎直位置防護網應力也越大。因此，需找到某一斷線位置，輸電線斷線在沖擊防護網的過程中，其端部與豎直位置防護網底部迪尼瑪繩接觸。此工況下輸電線斷線對豎直位置防護網的沖擊作用最大，豎直位置防護網應力也最大。計算此工況下防護網最大應力，判斷防護網是否滿足強度要求。

4.5 新斷線位置工況下有限元計算結果

斷線位置在輸電線79 m位置處時，輸電線斷線在沖擊防護網的過程中，其端部與豎直位置防護網底部迪尼瑪繩接觸。求解有限元模型各節點動態變化的應力，并利用后處理功能查看計算結果。防護網最大應力隨時間變化圖見圖6；防護網在最大應力時刻的應力云圖見圖7。

圖6 防護網最大應力隨時間變化圖

圖7 防護網在最大應力時刻的應力云圖(單位：Pa)

由圖7可知，防護網最大應力出現在輸電線斷線后2.37 s，位于輸電線斷線端部與豎直位置防護網底部迪尼瑪繩接觸位置附近。防護網最大應力295.2 MPa，小于8 mm迪尼瑪繩破斷應力1 193.7 MPa，安全系數為4.04，防護網滿足強度要求。

通過計算不同斷線位置的輸電線斷線運動軌跡，分析防護網動態變化的應力，發現存在另一斷線位置，輸電線斷線在沖擊防護網的過程中，其端部略超出水平位置防護網最外側迪尼瑪繩，可穿過水平位置和豎直位置防護網之間的空當。此工況下輸電線斷線對水平位置防護網的沖擊作用最大，水平位置防護網應力也最大。計算此工況下防護網最大應力，判斷防護網是否滿足強度要求。

斷線位置在輸電線65 m位置處時，輸電線斷線在沖擊防護網的過程中，其端部略超出水平位置防護網最外側迪尼瑪繩，可穿過水平位置和豎直位置防護網之間的空當。求解有限元模型各節點動態變化的應力，并利用后處理功能查看計算結果。防護網最大應力隨時間變化圖見圖8；防護網在最大應力時刻的應力云圖見圖9。

圖8 防護網最大應力隨時間變化圖

圖9 防護網在最大應力時刻的應力云圖(單位：Pa)

由圖9可知，防護網最大應力出現在輸電線斷線后1.86 s，位于輸電線斷線與水平位置防護網最外側迪尼瑪繩接觸位置附近。防護網最大應力400.3 MPa，小于8 mm迪尼瑪繩破斷應力1 193.7 MPa，安全系數為2.98，防護網滿足強度要求。由上述2個工況的有限元計算結果可知，跨越軌道防護裝備成功地攔截下落的輸電線斷線，對鐵路運營起到了安全防護作用。

5 結語

1) 橫跨鐵路的架空輸電線路在施工過程中發生斷線事故，導致輸電線斷線沖擊防護網時，防護網滿足強度要求，跨越軌道防護裝備成功地攔截下落的輸電線斷線，對鐵路運營起到了安全防護作用。

2) 輸電線斷線位置不同，導致防護網所受沖擊作用不同。存在某一斷線位置，輸電線斷線在沖擊防護網的過程中，其端部略超出水平位置防護網最外側迪尼瑪繩，可穿過水平位置和豎直位置防護網之間的空當。此工況下輸電線斷線對防護網的沖擊作用最大，防護網應力也最大。

3) 由于架空輸電線路多種多樣，在輸電線斷線沖擊防護網的仿真計算過程中進行了簡化處理，未考慮風載、多根輸電線同時斷裂等因素，后續還需進一步分析上述因素對輸電線斷線沖擊防護網的影響。