張桂林肖偉強

城市軌道交通牽引供電接觸軌系統(tǒng)溫度應(yīng)力有限元分析

張桂林1肖偉強2

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，451200，鄭州；2.廣州市地下鐵道總公司，510320，廣州//第一作者，講師）

溫度變化時接觸軌內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的溫度應(yīng)力，嚴(yán)重時甚至?xí)＜俺鞘熊壍澜煌恳╇姲踩?。結(jié)合目前應(yīng)用較廣泛的鋼鋁復(fù)合接觸軌，基于有限單元法，采用三維軟件SOLIDWORKS建模，并在有限元軟件AnsysWorkbench中對接觸軌模型的溫度應(yīng)力進行了模擬分析。該模型考慮了卡爪、尼龍墊塊及支座等構(gòu)件的束縛影響，采用邊界條件控制環(huán)境的溫度變化，得到了接觸軌內(nèi)部溫度應(yīng)力場云圖，并分析了此溫度應(yīng)力對絕緣支座的影響。研究結(jié)果可為接觸軌系統(tǒng)中各構(gòu)件的設(shè)計、優(yōu)化、安裝及檢修提供參考。

牽引供電接觸軌系統(tǒng)；溫度應(yīng)力；有限元分析

First-author′s addressZhengzhou Railway Vocational& Technical College，451200，Zhengzhou，China

城市軌道交通牽引供電接觸軌是將標(biāo)準(zhǔn)長度的接觸軌通過中間接頭連接成一定長度的錨段，并使用支架等構(gòu)件作為支撐鋪設(shè)到軌道線路側(cè)面某空間位置上（一般敷設(shè)在列車的側(cè)下方）。接觸軌錨段中部的支架處需設(shè)置中心錨結(jié)以防止其在自身重力、列車集電靴摩擦力等力的作用下發(fā)生躥動爬行。兩個中心錨結(jié)間設(shè)置溫度膨脹接頭，使兩個中心錨結(jié)間的接觸軌能夠自由爬行。由于支座等構(gòu)件的摩擦束縛及線路曲線的影響，接觸軌不能自由熱脹冷縮。如果兩個中心錨結(jié)間的接觸軌不能自由爬行，環(huán)境溫度發(fā)生變化時，就會在其內(nèi)部產(chǎn)生極大的溫度應(yīng)力，進而影響接觸軌系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。此時產(chǎn)生的較大的溫度應(yīng)力亦有可能會超過接觸軌系統(tǒng)構(gòu)件的允許應(yīng)力，甚至?xí)菇佑|軌系統(tǒng)的接觸軌支座等構(gòu)件發(fā)生變形、毀損。因此需要對接觸軌支座提出更高的強度要求。

本文在借鑒鐵路無縫線路臌曲理論的基礎(chǔ)上［1-3］，采用專業(yè)有限元分析軟件AnsysWorkbench對鋼鋁復(fù)合接觸軌溫度應(yīng)力進行有限元分析，為牽引供電接觸軌系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提供參考。

1 基于三維軟件的接觸軌有限元模型

1.1接觸軌系統(tǒng)組成

如圖1所示，接觸軌系統(tǒng)主要由接觸軌、絕緣支架、支撐卡、卡爪、連接螺栓、尼龍墊塊、防護罩、魚尾板、電纜連接板及膨脹接頭等組成［4-5］，其中接觸軌為其主要部件。目前，鋼鋁復(fù)合接觸軌應(yīng)用較為廣泛，該接觸軌由高導(dǎo)電性鋁型材作為導(dǎo)電主體，且以不銹鋼作為接觸軌的頂部耐磨表面。

1.2接觸軌模型建立

采用三維建模軟件Solidworks建立接觸軌模型，并將此模型導(dǎo)入有限元軟件AnsysWorkbench中進行有限元分析。

圖1 接觸軌系統(tǒng)組成

理想狀況下，接觸軌在絕緣支架、卡爪及尼龍墊塊等支撐結(jié)構(gòu)處的邊界條件為：在接觸軌中心錨結(jié)錨固處約束縱向線位移，其余支撐支點處無縱向位移約束，同時釋放繞水平橫軸的旋轉(zhuǎn)約束。實際運用中，因接觸軌鋁合金本體與尼龍墊塊間受到摩擦約束及線路曲線等影響，接觸軌不能自由熱脹冷縮而卡滯，即接觸軌的縱向位移會受到一定約束。考慮到接觸軌卡滯發(fā)生的位置、數(shù)量以及卡滯程度的不確定性，以及簡化接觸軌模型的需要，僅建立臨近接觸軌中心錨結(jié)所在處的2個跨距的接觸軌模型（隧道外接觸軌錨段長度為75m），并通過改變溫度、摩擦系數(shù)等參數(shù)來模擬分析接觸軌處于不同卡滯狀態(tài)下的溫度應(yīng)力。接觸軌模型如圖2所示，左側(cè)支架為支架1，右側(cè)支架為支架2，中間中心錨結(jié)處支架為支架0。

圖2 接觸軌模型（跨距為4.2m）

本文主要研究鋼鋁復(fù)合接觸軌內(nèi)部溫度應(yīng)力的變化。接觸軌模型的材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。絕緣支座、卡爪等部件主要限制接觸軌的自由度，故在模型中將絕緣支座、卡爪的連接螺栓等進行了相應(yīng)的簡化。

表1 接觸軌模型的材料力學(xué)參數(shù)

2 基于有限元軟件的溫度應(yīng)力分析

2.1溫度應(yīng)力分析過程

接觸軌系統(tǒng)可使用于地下、地面及高架線路。接觸軌系統(tǒng)安裝于地下隧道內(nèi)時，因其環(huán)境溫度變化幅度小于地面線和高架線，相應(yīng)的接觸軌溫度應(yīng)力變化也較小，故僅需分析地面線及高架線的接觸軌溫度應(yīng)力。此外，考慮到接觸軌軌溫降低至極限最低溫度與軌溫升高至極限最高溫度類似，故本文僅分析接觸軌升溫的情況。結(jié)合國內(nèi)外接觸軌設(shè)計對溫度變化的要求，其溫度應(yīng)力分析過程可分為以下幾步：

（1）建立接觸軌模型初始溫度場，取初始溫度為22℃。

（2）模擬軌溫上升至極限最高溫度。國內(nèi)外接觸軌設(shè)計中，接觸軌的允許最高溫度范圍為70～85℃。本文取80℃為最高軌溫進行分析，并輸出最高軌溫時接觸軌的溫度應(yīng)力值（熱脹）。

（3）通過改變接觸軌鋁合金本體與尼龍墊塊間接觸面的摩擦系數(shù)，模擬不同卡滯狀態(tài)時的溫度應(yīng)力變化。

2.2溫度應(yīng)力結(jié)果分析

本文對取自接觸軌中心錨結(jié)所在處的一個跨距接觸軌部分采用有限元方法得到的結(jié)果進行分析。處于正常運行狀態(tài)（即接觸軌鋁合金本體與尼龍墊塊間的摩擦系數(shù)?。?.2）時的接觸軌在最高軌溫下的溫度應(yīng)力如圖3所示。此時，接觸軌中心錨結(jié)兩側(cè)約束情況近乎相同，非中心錨結(jié)位置的接觸軌在墊塊支撐下可自由伸縮。接觸軌溫度應(yīng)力最大處主要集中在中心錨結(jié)位置附近，應(yīng)力集中區(qū)域沿著卡爪與鋁合金本體接觸面向兩側(cè)逐漸對稱減小，且此應(yīng)力是由錨固塊與卡爪間的接觸引起的。非中心錨結(jié)絕緣支架處的溫度應(yīng)力接近于0。故正常運行狀態(tài)下接觸軌的溫度應(yīng)力并不會對接觸軌系統(tǒng)的運行造成危害。

圖3 正常運行狀態(tài)時接觸軌中心錨結(jié)處最高軌溫溫度應(yīng)力圖

在實際運用中，考慮到接觸軌鋁合金本體與卡爪間的安裝誤差以及檢調(diào)不到位、緊固形變、曲線等因素帶來的影響，接觸軌中心錨結(jié)的某一側(cè)一處或多處的縱向位移會受到一定約束，即環(huán)境溫度變化時接觸軌的自由伸縮將受到限制。當(dāng)接觸軌系統(tǒng)中一處或多處接觸軌的熱脹冷縮受到約束，甚至達到卡滯程度時，溫度應(yīng)力（溫度升高對應(yīng)壓應(yīng)力，溫度下降對應(yīng)拉應(yīng)力）最終將施加到整個接觸軌錨段中唯一完全錨固的絕緣支架──中心錨結(jié)所在的絕緣支架上，導(dǎo)致此處整體絕緣支架發(fā)生扭曲偏斜，嚴(yán)重時甚至?xí)嗔?。在有限元軟件AnsysWorkbench中，通過改變尼龍墊塊與接觸軌間接觸面的摩擦系數(shù)，來模擬該種情況下的接觸軌溫度應(yīng)力情況。分析中，取摩擦系數(shù)為2.0（本文取較大摩擦系數(shù)是為了模擬接觸軌支架、卡爪及尼龍墊塊等結(jié)構(gòu)對接觸軌鋁合金本體的約束和卡滯程度的不同），并設(shè)定在模型左側(cè)絕緣支架1處，其它絕緣支架處維持原正常運行值不變，此時接觸軌的溫度應(yīng)力如圖4所示。

圖4有較大摩擦且最高軌溫時的接觸軌溫度應(yīng)力圖

圖4 a）為中心錨結(jié)處接觸軌系統(tǒng)溫度應(yīng)力，與圖3比較，此時卡爪兩側(cè)的溫度應(yīng)力不再對稱，卡滯一側(cè)的溫度應(yīng)力較小，非卡滯一側(cè)的溫度應(yīng)力較大；圖4 b）為處于卡滯位置處接觸軌的溫度應(yīng)力。由圖4可知此時最大應(yīng)力出現(xiàn)在中心錨結(jié)支架處的卡爪上，達到160.22MPa。

接觸軌系統(tǒng)中最關(guān)鍵的是接觸軌縱向溫度應(yīng)力。最高軌溫時接觸軌系統(tǒng)橫向、垂向、縱向溫度應(yīng)力分布見圖5、圖6。由圖5、圖6可以看出，支架0和支架1處橫向和垂向溫度應(yīng)力的最大值和最小值基本相等，少許差值是由于網(wǎng)格劃分不夠精細造成的。支架0處縱向溫度應(yīng)力的最大值和最小值相差較大，對接觸軌系統(tǒng)影響最大。

環(huán)境溫度變化的同時，伴隨著接觸軌一處或多處卡滯情況（近似對應(yīng)于不同的摩擦系數(shù)）的出現(xiàn)，接觸軌單側(cè)的溫度應(yīng)力開始逐漸增大，最終達到絕緣支架的屈服強度時，可將絕緣支架拉偏甚至毀損。這與文獻［6］中“接觸軌下接觸式整體絕緣支架在國內(nèi)地鐵線路運用中運行較穩(wěn)定，未出現(xiàn)大的安全事故，但在多條線路中接觸軌中心錨結(jié)發(fā)生偏斜、中心錨結(jié)處整體絕緣支架出現(xiàn)過扭曲現(xiàn)象”的結(jié)論是吻合的。

3 結(jié)語

接觸軌系統(tǒng)絕緣支架在城市軌道交通牽引供電中運行安全穩(wěn)定、故障率低，在國內(nèi)多條地鐵線路中被采用。本文在考慮絕緣支架、卡爪及尼龍墊塊等結(jié)構(gòu)摩擦束縛及線路曲線影響的基礎(chǔ)上，建立了鋼鋁復(fù)合接觸軌系統(tǒng)的有限元模型。同時基于接觸軌系統(tǒng)溫度變化、不同卡滯程度等情況得到對應(yīng)的接觸軌溫度應(yīng)力分布模型圖。通過進一步分析接觸軌的溫度應(yīng)力分布圖，得到了接觸軌系統(tǒng)在溫度變化時系統(tǒng)內(nèi)各結(jié)構(gòu)的受壓、受拉應(yīng)力部位。通過有限元分析可得：溫度變化時接觸軌內(nèi)部最大應(yīng)力為縱向溫度應(yīng)力，此應(yīng)力過大時會對接觸軌系統(tǒng)運行安全造成影響。本文可為進一步研究接觸軌及絕緣支架的溫度應(yīng)力和強度分析作參考，同時可為接觸軌系統(tǒng)中各部件的設(shè)計、優(yōu)化、安裝和檢修提供參考。

圖5 支架0處的切向、垂向、縱向溫度應(yīng)力

圖6 支架1處的橫向、垂向、縱向溫度應(yīng)力

［1］潘文彬，葉淵，韓洪江，等.鐵路無縫線路溫度應(yīng)力的有限元分析［J］.機電工程，2013（1）：47-50.

［2］羅雁云，施董燕，譚曉春.縱向力作用下無縫線路動態(tài)特性有限元分析［J］.力學(xué)季刊，2008，29（2）：284-290.

［3］羅雁云，李振廷.軌道參數(shù)變化對無縫線路穩(wěn)定性影響［J］.中國鐵道科學(xué)，2008，29（2）：34-36.

［4］劉衛(wèi)強，李相泉.鋼鋁復(fù)合接觸軌系統(tǒng)概述［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2007（10）：79-82.

［5］張桂林，苗斌.城市軌道交通接觸網(wǎng)［M］．成都：西南交通大學(xué)出版社，2016：95-98.

［6］閆沖.接觸軌系統(tǒng)整體絕緣支架與絕緣鋼支架［J］.電氣化鐵道，2013（1）：44-45，50.

［7］王敏，王宏．SolidWorks2012中文版工程設(shè)計速學(xué)通［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012：279-311.

［8］丁欣碩，凌桂龍．ANSYSWorkbench 14.5有限元分析案例詳解［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2014：125-136．

Finite Element Analysis on Tem perature Stress in Contact RailSystem for Urban Rail Transit Traction Power Supp ly

ZHANG Guilin，XIAOWeiqiang

The temperature stress inside contact rail system may damage the system when the temperature changes，and in themost serious condition，itw ill threat the safety of rail transit traction power supply.According to the w idely used steel/alum inum composite contact rail，a 3D SOLIDWORKSmodel is established on the basis of finite elementmethod，and a simulation analysis of the temperature stress inside contact rail system is conducted by using the finite element AnsysWorkbench software.Then，the influence of temperature stress on insulated bearings is analyzed according to the cloud image of stress field obtained from temperature changes in the boundary condition control environment.The research results can provide a reference for the design，optimization,installation and maintenance of the components in contact rail system.

traction power supply contact rail system；temperature stress；finite element analysis

TM 922.6

10.16037/j.1007-869x.2017.07.025

2016-06-22）