接触网吊弦结构的优化设计_王增辉.pdf

年第期接触网吊弦结构的优化设计王增辉，巨子琪（西安交通工程学院，西安 ）摘要：当列车在行进过程中，列车受电弓会给予接触线一个抬升力的作用，最终抬升力会作用在整体吊弦处从而使整体吊弦发生弯曲现象，并且当列车驶离后还会产生一定的振动能量从而影响整体吊弦的使用寿命。基于此类情况的发生，本文设计一种吸能缓冲装置，通过减小整体吊弦的弯曲量和能够吸收一部分振动能量从而增加整体吊弦的使用寿命。关键词：整体吊弦；抬升力；吸能缓冲装置中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；作者简介：王增辉，单位：西安交通工程学院，学生，专业：车辆工程。引言在接触网系统中，整体吊弦位于接触线与承力索之间，其主要作用是连接接触线和承担一定量的载流作用。当受电弓经过时，接触线会发生抬升、振动的现象，整体吊弦由于受到接触线的影响也会发生同样的现象。经过对武广高铁线路整体吊弦的服役状况来看，随着服役时间的变长，整体吊弦出现问题也随之增多，其中发生断丝、断股的现象较为严重。本文将对整体吊弦的断裂情况进行研究，优化其结构性能从而改善整体吊弦的服役状况。整体吊弦的基本结构整体吊弦主要有两种类型：压接式整体吊弦和可调节整体吊弦，两者主要区别在于可调节整体吊弦拥有调节螺栓，可根据现场实际情况进行调节。因可调节整体吊弦对地形有着特殊的要求，现我国大部分地区均采用压接式整体吊弦。压接式整体吊弦由承力索线夹、接触线线夹、钳压管、心型环、吊弦主弦等零部件构成。压接式整体吊弦与环节吊弦相比较有两个方面的优势：一是压接式整体吊弦由铜镁合金制成相比较于镀锌制成的环节吊弦耐腐蚀性能更佳。二是随着列车的不断提速，要求列车受流质量不断提高，压接式整体吊弦相比较与环节吊弦拥有足够的可靠性。整体吊弦的设计安装整体吊弦介于接触线与承力索之间，是连接两者的重要部件。如图所示：整体吊弦相比较其他几种类型的吊弦安装标准要高，安装精度要更加的准确。对于整体吊弦的安装来说主要图整体吊弦位于接触网之间的位置包括两个方面：简单链形悬挂和复杂链形悬挂。简单链形悬挂：/复杂链形悬挂：/（表示安装整体吊弦间距，表示某一段跨距，为安装吊弦的个数）等效振动疲劳实验当列车在行进过程中，受电弓与接触线进行滑动摩擦接触，这时受电弓会产生一个抬升力作用于接触线上，由于接触线与整体吊弦通过接触线线夹连接在一起，抬升力最终会使整体吊弦发生弯曲现象。当受电弓驶离后，整体吊弦受到自身重量和接触线拉力的影响发生复原现象并在复原过程中会产生振动能量。根据等效振动模拟实验，模拟列车在行进过程中整体吊弦的运动状态，图所示弹簧块可看作受电弓给予整体吊弦的抬升力，弯曲表示列车经过时受电弓使接触线发生抬升现象，造成整体吊弦弯曲量的产生。产生振动为受电弓驶离后整体吊弦发生回落现象并伴随着振动能量的产生。DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.01.027内燃机与配件 图模拟列车经过时整体吊弦的运动状态整体吊弦弯曲量的采集原理采集列车经过某一段跨距内整体吊弦的弯曲量变化趋势，通过图像的分析来计算整体吊弦弯曲量的大小。当无列车经过时，整体吊弦处于拉伸状态，并无抬升力的产生，此时将接触线线夹看成起始原点。列车经过时，起始原点会向上发生偏移量，通过图像的分析计算弯曲量的大小。另外，需注意图像采集地点须满足两个方面的要求：一是避免在车站附近采集数据，原因是车站附近列车速度达不到采集的标准，造成数据的不准确性。二是采集地点的距离保持适中位置，若采集地点过近，会造成图像分析偏差过大，数据采集可能会超出规定范围。若采集地点过远，整体吊弦弯曲量的变化趋势不明显，造成拍摄出的图片模糊。如图所示：图整体吊弦弯曲量的产生整体吊弦发生断裂的影响因素整体吊弦的断裂除了与机械疲劳、电气疲劳相关外，还与外界环境有一定的关系。当铁路线路位于工厂附近和环境比较潮湿的地方时，整体吊弦易受到腐蚀物的影响，会大大缩减整体吊弦的使用寿命，本文主要说明机械疲劳与电气疲劳两个方面的影响。机械疲劳：当无列车经过时，整体吊弦处于原本拉伸状态，此时，整体吊弦只受到静态力的作用。根据研究表明，静态力不是使整体吊弦发生断裂的主要原因。当列车受电弓经过整体吊弦正下方，接触线会发生抬升现象，从而使整体吊弦发生弯曲现象，这时整体吊弦会受到动态力的作 用。当 列 车 时 速 为 时，弯 曲 量 范 围 在 之间，列车驶离后，整体吊弦会发生复原现象并伴随着振动能量的产生。根据测量结果可知，动态力约为静态力的 倍左右。由此可说明动态力是使整体吊弦发生断裂的主要原因之一。电气疲劳：在接触网系统中，接触线与承力索之间有着专门允许电流通过的节点（变流点）。变流点通常有两种类型：接触线和受电弓接触点称为瞬时变流点，跨距内锚段关节处可以看为固定变流点。接触线与承力索之间安装电联接，电流绝大部分通过电连接传递，只有少部分的杂散电流通过吊弦传递。当无电连接安装时，吊弦承担着双重作用，既起连接作用又有载流作用。模拟整体吊弦在实际工作过程中的电流情况可得，当变流点位于中部时电流强度为 ，位于端部电流强度为 。相比较来说，变流点位于端部吊弦的电流负载强度较大。整体吊弦在电流通过时，只起到多条线路并联的作用，变流点附近根左右吊弦只有少量电流通过，其余吊弦电流通过量可以忽略不记。假设当接触网系统发生短路情况，整体吊弦此时会有最大电流量通过，受电弓与接触线之间的接触点电流量为 ，取当接触点电流量为 时，根据变流点位于跨距端部电流强度为 ，计算得接触点电流量为 。通过分析可知，无论变流点位于端部或中部，整体吊弦均会发生电致塑性反应。电致塑性反应是指在电因素的影响下，整体吊弦会发生硬度降低塑性升高的过程，从而导致电气因素引起的整体吊弦疲劳现象。整体吊弦的优化设计 吸能缓冲装置根据上述研究发现，当列车经过时，因受电弓产生抬升力的影响，最终会使整体吊弦发生弯曲现象。另外，由于受电弓在交变载荷及振动能量会作用于整体吊弦处，使整体吊弦产生疲劳现象从而发生断裂情况。针对这种故障现象，在整体吊弦主弦中部位置加入一个吸能缓冲装置。如图所示：图吸能缓冲装置位于整体吊弦位置吸能缓冲装置主要由外壳、橡胶片、中间块、底部外壳几部分组成。其中，外壳、中间块、底部外壳采用合成的低合金高强度结构钢制成，橡胶片采用硅橡胶制成。如图所示：外壳，中间块，橡胶片，吊弦主弦图吸能缓冲装置二维简图 整体吊弦优化设计原理：模拟列车经过时，吸能缓冲装置内部结构变化。当跨距内无列车通过时，整体吊弦处于拉伸状态，如图所示：此时，中间块距离外壳顶端 。年第期图无列车通过吸能缓冲装置内部结构图当跨距内有列车通过时，受到受电弓抬升力的作用，使整体吊弦发生抬升现象。整体吊弦主弦带动中间块向上运动，挤压橡胶片。如图所示，此时，中间块与外壳顶端的距离为 。图有列车通过吸能缓冲装置内部结构图列车驶离后，整体吊弦会产生回落现象。整体吊弦主弦带动中间块回到原始位置，如图所示，另外，整体吊弦回落时会产生一定量的振动能量，橡胶片因具有吸振性，可以吸收部分因振动产生的能量。图列车驶离后吸能缓冲装置示意图 整体吊弦优化设计的三维建模本设计采用的三维软件为 ，作为 软件的升级版，能够轻易的绘制出所需要的三维建模，具有草图绘制、实体建模、实体装配、材料设定等强大功能。草图绘制：用户根据需要选择相关线段，绘制出需要的二维平面图纸。实体建模：根据设计结构的特征需要，操作拉伸、旋转、拔模、扫描等相关指令，从而得到设计的模型。实体装配：将建模好的实体通过一定的几何关系（标准配合、高级配合、机械配合）约束在一起，生成新的装配体。材料设定：软件设有专门的材料库，可根据选择材料的特性，体现实体的特征。外壳采用合金钢制成，具有良好的耐腐蚀性，防止因外部环境的影响对吸能缓冲装置内部造成腐蚀现象。尺寸直径 ，高度 ，中部圆心处倒圆角 （防止应力集中情况发生）；如图所示：图吸能缓冲装置外壳橡胶片采用硅橡胶材质制成，因而能够在最大程度上吸收因振动产生的能量。中部小孔尺寸直径 ，能够保证整体吊弦正常穿过。橡胶片直径为 ，上部凸台小圆通过阵列命令生成（共有个），小圆直径，通过拉伸使小圆高度为 ，即橡胶片整体厚度为。如图 所示：图 吸能缓冲装置橡胶片中间块同样采用合金钢制成，尺寸直径 ，中部圆心处倒圆角，厚度为，整体吊弦与中间块配合方式为过盈配合。中间块所处于整个装置的中部，整体吊弦将力传递给中间块，再通过中间块挤压橡胶片消耗部分作用力。如图 所示：图 吸能缓冲装置中间块内燃机与配件 吸能缓冲装置实际上为一个力的转化装置，通过把抬升力转化为橡胶片之间的挤压力。另外，由于橡胶片具有良好的吸附属性，可以吸收一部分因整体吊弦回落所产生的振动能量。如图 所示：图 吸能缓冲装置半剖面图通过利用 的评估功能，可测得吸能缓冲装置整体的质量、体积、表面积等参数。由图 可知吸能缓冲装置的质量为 千克，不会因增加了吸能缓冲装置的重量而使整体吊弦的负载发生较大的变化。图 吸能缓冲装置质量、体积、表面积属性 整体吊弦优化设计的受力分析为了证明本课题的可行性，将中间块的三维模型导入 软件进行力的分析，通过施加给中间块 的力，得到中间块等效应力的变化示意图，由图 可得出等效应力最大处在中部区域，在中部区域倒圆角，可有效防止应力集中现象发生。图 中间块等效应力变化趋势同样，将单个橡胶片的三维模型导入 软件进行力的分析，由图 和图 可知，通过施加给橡胶片 的力，得到橡胶片应变能和总变形相关力学性能分析。其中，应变能指橡胶片可以吸收振动能量的数值。总变形指橡胶片会发生弹性形变。图 橡胶片应变能图 橡胶片总变形由上述 软件应力数据分析可知，当整体吊弦施加力给吸能缓冲装置时，装置内部橡胶片之间有明显的变形现象发生，说明此时受电弓给予整体吊弦的部分抬升力通过吸能缓冲装置内部橡胶片之间的挤压力抵消。列车驶离后整体吊弦会发生回落现象并且产生了一定频率的振动能量，橡胶片由于其特殊的物理性质，可以吸收部分由列车产生的振动能量。吸能缓冲装置通过减小整体吊弦的弯曲量并且可以吸收部分振动能量从而延长整体吊弦的使用寿命。结语结论表明，列车经过会对整体吊弦产生抬升力的影响，列车离开后，整体吊弦发生回落并产生振动能量。通过在整体吊弦的主弦处加入一个吸能缓冲装置，把受电弓给予整体吊弦的抬升力转化为橡胶片之间的挤压力，实现了力的转化过程，并由于橡胶片拥有良好的吸附性能，可以吸收部分振动能量，从而延长整体吊弦的使用寿命，实现列车的安全运行。参考文献：陈时光高铁用整体吊弦线体断裂机理研究 山东大学，刘曦洋高速铁路接触网载流型整体吊弦弯曲微动疲劳损伤机理研究 西南交通大学，潘利科，陈立明，张海波，徐超，杨才智，邢彤，董冠阔高速铁路接触网整体吊弦受力研究 北京力学会第二十七届学术年会论文集 出版者不详，：王大洋高速铁路接触网横向电连接故障机理研究 西南交通大学，