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(wǎng)絡和國家輸電網(wǎng)絡以較快的速度發(fā)展建設，2個龐大的網(wǎng)絡縱橫交錯，架空輸電線路橫跨鐵路的情況時有發(fā)生。根據(jù)《中華人民共和國鐵路法(2015修訂)》[1]第四十六條規(guī)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(jīng)鐵路運輸企業(yè)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(wǎng)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(fā)生斷線事故，輸電線斷線沖擊在鐵路電網(wǎng)或列車上，鐵路運營安全將受到極大的挑戰(zhàn)。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(wǎng)的整個過程進行動態(tài)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(wǎng)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(wǎng)均位于2套框架結構中間，其中1張防護網(wǎng)張掛在2個橫梁之間，1張防護網(wǎng)張掛在2個主塔之間，另外1張防護網(wǎng)張掛在2個副塔之間，水平位置和豎直位置防護網(wǎng)之間有空當?？缭杰壍婪雷o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(wǎng)的沖擊作用，計算防護網(wǎng)的強度，查看防護網(wǎng)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(wǎng)

仿真計算采用的輸電線是國內(nèi)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(shù)見表1，導線規(guī)格及力學性能參數(shù)見表2[4]。

表1 輸電線桿塔參數(shù)

表2 導線規(guī)格及力學性能參數(shù)

防護網(wǎng)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(wǎng)格組成的柔性網(wǎng)。跨越軌道防護裝備共包含3張防護網(wǎng)，水平張掛在2個橫梁之間的防護網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)的工作高度均為防護網(wǎng)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(chǎn)的超強聚乙烯纖維，其力學性能參數(shù)見表3。

表3 迪尼瑪繩力學性能參數(shù)

3 輸電線斷線沖擊防護網(wǎng)理論分析

在輸電線發(fā)生斷線事故，防護網(wǎng)攔截輸電線斷線過程中，輸電線斷線沖擊防護網(wǎng)使其變形下凹，輸電線斷線的動能全部轉化為防護網(wǎng)的彈性勢能和輸電線斷線與防護網(wǎng)之間摩擦產(chǎn)生的熱能[5]。隨后，防護網(wǎng)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(wǎng)之間摩擦產(chǎn)生的熱能；輸電線斷線繼續(xù)向上運動，離開防護網(wǎng)。輸電線斷線向上運動至最高點后再次下落沖擊防護網(wǎng)，并重復上述過程，直到輸電線斷線完全離開防護網(wǎng)或靜止停留在防護網(wǎng)上。

輸電線斷線沖擊防護網(wǎng)時，兩者形成動態(tài)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(wǎng)仿真計算

4.1 輸電線和防護網(wǎng)有限元模型的建立

在ABAQUS軟件中建立輸電線和3張防護網(wǎng)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(wǎng)有限元模型單元大小為0.125 m，共有19 891個節(jié)點，10 656個單元。在防護網(wǎng)攔截輸電線斷線的過程中，輸電線斷線沖擊速度大，防護網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)及地面有限元模型見圖2。

圖2 輸電線、防護網(wǎng)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(wǎng)兩側分別與橫梁、主塔及副塔相連的網(wǎng)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(wǎng)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(shù)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(wǎng)之間的摩擦系數(shù)為0.12，輸電線斷線與地面之間的摩擦系數(shù)按照輸電線在沙土中移動的摩擦系數(shù)取值為1.5[10]。輸電線斷線與防護網(wǎng)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(wǎng)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(tài)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(wǎng)及地面有限元模型，并導入平衡狀態(tài)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(wǎng)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(yè)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(wǎng)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(jié)點動態(tài)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(wǎng)最大應力隨時間變化圖見圖4；3個工況防護網(wǎng)在最大應力時刻的應力云圖見圖5。

圖4 3個工況防護網(wǎng)最大應力隨時間變化圖

圖5 防護網(wǎng)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(wǎng)最大應力出現(xiàn)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(wǎng)中間迪尼瑪繩接觸位置附近。防護網(wǎng)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(shù)為5.08，防護網(wǎng)滿足強度要求。

分析有限元計算結果發(fā)現(xiàn)，輸電線斷線位置不同，導致防護網(wǎng)所受沖擊作用不同，防護網(wǎng)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(wǎng)最大應力，由輸電線斷線位置的不確定性可知，防護網(wǎng)最大應力出現(xiàn)在輸電線斷線端部沖擊豎直位置防護網(wǎng)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(wǎng)的過程中，其端部越接近豎直位置防護網(wǎng)底部，輸電線斷線對豎直位置防護網(wǎng)的沖擊作用越大，豎直位置防護網(wǎng)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(wǎng)的過程中，其端部與豎直位置防護網(wǎng)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(wǎng)的沖擊作用最大，豎直位置防護網(wǎng)應力也最大。計算此工況下防護網(wǎng)最大應力，判斷防護網(wǎng)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(wǎng)的過程中，其端部與豎直位置防護網(wǎng)底部迪尼瑪繩接觸。求解有限元模型各節(jié)點動態(tài)變化的應力，并利用后處理功能查看計算結果。防護網(wǎng)最大應力隨時間變化圖見圖6；防護網(wǎng)在最大應力時刻的應力云圖見圖7。

圖6 防護網(wǎng)最大應力隨時間變化圖

圖7 防護網(wǎng)在最大應力時刻的應力云圖(單位：Pa)

由圖7可知，防護網(wǎng)最大應力出現(xiàn)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(wǎng)底部迪尼瑪繩接觸位置附近。防護網(wǎng)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(shù)為4.04，防護網(wǎng)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(wǎng)動態(tài)變化的應力，發(fā)現(xiàn)存在另一斷線位置，輸電線斷線在沖擊防護網(wǎng)的過程中，其端部略超出水平位置防護網(wǎng)最外側迪尼瑪繩，可穿過水平位置和豎直位置防護網(wǎng)之間的空當。此工況下輸電線斷線對水平位置防護網(wǎng)的沖擊作用最大，水平位置防護網(wǎng)應力也最大。計算此工況下防護網(wǎng)最大應力，判斷防護網(wǎng)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(wǎng)的過程中，其端部略超出水平位置防護網(wǎng)最外側迪尼瑪繩，可穿過水平位置和豎直位置防護網(wǎng)之間的空當。求解有限元模型各節(jié)點動態(tài)變化的應力，并利用后處理功能查看計算結果。防護網(wǎng)最大應力隨時間變化圖見圖8；防護網(wǎng)在最大應力時刻的應力云圖見圖9。

圖8 防護網(wǎng)最大應力隨時間變化圖

圖9 防護網(wǎng)在最大應力時刻的應力云圖(單位：Pa)

由圖9可知，防護網(wǎng)最大應力出現(xiàn)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(wǎng)最外側迪尼瑪繩接觸位置附近。防護網(wǎng)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(shù)為2.98，防護網(wǎng)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(fā)生斷線事故，導致輸電線斷線沖擊防護網(wǎng)時，防護網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)的過程中，其端部略超出水平位置防護網(wǎng)最外側迪尼瑪繩，可穿過水平位置和豎直位置防護網(wǎng)之間的空當。此工況下輸電線斷線對防護網(wǎng)的沖擊作用最大，防護網(wǎng)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(wǎng)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(xù)還需進一步分析上述因素對輸電線斷線沖擊防護網(wǎng)的影響。