楊紅梅

側(cè)風(fēng)環(huán)境下高速鐵路接觸網(wǎng)腕臂系統(tǒng)受力特性研究

楊紅梅

（四川鐵道職業(yè)學(xué)院，成都 611937）

隨著我國鐵路建設(shè)向西南、西北等復(fù)雜艱險山區(qū)大力推進，強風(fēng)對接觸網(wǎng)腕臂系統(tǒng)的影響愈發(fā)受到關(guān)注。本文研究側(cè)風(fēng)環(huán)境下腕臂系統(tǒng)的定常氣動特性，采用計算流體動力學(xué)方法，建立腕臂空氣動力學(xué)模型；采用雷諾時均方法對不同風(fēng)速下的腕臂氣動特性進行模擬，獲得腕臂氣動力系數(shù)值；最后對腕臂系統(tǒng)各構(gòu)件的應(yīng)力和位移進行詳細(xì)分析，得到不同載荷疊加類型下的系統(tǒng)關(guān)鍵受力位置。研究結(jié)果可為接觸網(wǎng)腕臂選型和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供參考。

高速鐵路；接觸網(wǎng)；腕臂系統(tǒng)；側(cè)風(fēng)環(huán)境；受力特性

0 引言

我國八縱八橫鐵路網(wǎng)已基本形成，電氣化鐵路運營里程突破12萬km，鐵路建設(shè)向西南、西北等艱險山區(qū)推進，牽引供電系統(tǒng)的安全性更加受到關(guān)注。接觸網(wǎng)系統(tǒng)作為牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，是為電力機車提供能量的惟一通道，其動態(tài)特性是確保機車穩(wěn)定受流的關(guān)鍵之一。

然而，這些地區(qū)氣候環(huán)境復(fù)雜多變，接觸網(wǎng)系統(tǒng)面臨環(huán)境風(fēng)、地震等外界環(huán)境激擾影響[1]。腕臂結(jié)構(gòu)是用于固定承力索和接觸線的裝置，通過設(shè)置合理的拉出值，使接觸線在受電弓碳滑板運行軌跡范圍內(nèi)，并將接觸線的載荷傳給支柱。因此，接觸網(wǎng)腕臂系統(tǒng)不僅持續(xù)受線索張力作用，而且同時受環(huán)境風(fēng)等影響，其受力特性更需引起重視。

在接觸網(wǎng)腕臂受力研究中，王玉環(huán)利用Midas軟件分析高原鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的腕臂結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，并提出優(yōu)化建議[2]。李少鵬實現(xiàn)了基于有限元法的腕臂靜剛度、靜強度分析，并以此為基礎(chǔ)，研究截面的拓?fù)鋬?yōu)化[3]。羅健等通過傳統(tǒng)腕臂與新型腕臂的動態(tài)特性對比，以固有頻率為主要評價依據(jù)，分析了新型腕臂的結(jié)構(gòu)性能[4]，并在非工作支最大工作載荷條件下，通過Abaqus軟件對幾種不同腕臂結(jié)構(gòu)及其定位裝置應(yīng)力及撓度進行了校核[5]。鄧洪等從理論分析和仿真計算兩個角度，探討了復(fù)合材料腕臂的受力情況，并對其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行優(yōu)化[6]。張靜等通過模態(tài)分析法求得接觸網(wǎng)腕臂的固有頻率，進而基于變形方程獲得腕臂系統(tǒng)載荷的傳遞函數(shù)，分析腕臂上載荷的分布規(guī)律[7]。在環(huán)境風(fēng)作用方面的研究主要集中于其對弓網(wǎng)系統(tǒng)受流性能的影響。郎天翼等以簡單鏈型懸掛為對象分析龍卷風(fēng)下的接觸網(wǎng)動力響應(yīng)[8]。吳凡平等針對山區(qū)峽谷地形風(fēng)場，考慮其時間和空間相關(guān)性，研究接觸網(wǎng)的風(fēng)振特性[9]。

綜上可知，目前針對腕臂力學(xué)特性的研究工作主要集中在靜力學(xué)分析、動力學(xué)分析及疲勞特性分析上，考慮側(cè)風(fēng)作用下的腕臂氣動特性的研究相對較少。在西南、西北等復(fù)雜艱險風(fēng)區(qū)[10]，強風(fēng)對腕臂系統(tǒng)及接觸網(wǎng)系統(tǒng)的影響不可忽略。因此，本文系統(tǒng)研究側(cè)風(fēng)環(huán)境下腕臂系統(tǒng)的定常氣動特性，分析不同腕臂結(jié)構(gòu)、不同載荷疊加類型下各關(guān)鍵構(gòu)件的最大應(yīng)力、最大位移和最大變形情況，以期為復(fù)雜艱險風(fēng)區(qū)大規(guī)模接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運行提供支撐。

1 側(cè)風(fēng)環(huán)境下腕臂氣動特性分析

1.1 腕臂流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型

本節(jié)重點關(guān)注不同風(fēng)速下的腕臂氣動力系數(shù)，通過流體計算軟件Fluent高效求解不同工況下腕臂系統(tǒng)各零部件的升力系數(shù)和阻力系數(shù)大小，滿足工程技術(shù)求解要求。

目前，常用的流體力學(xué)數(shù)值模擬研究方法有大渦模擬（large eddy simulation, LES）、雷諾平均（Reynolds-average Navier-Stokes, RANS）方法和分離渦模擬（detached-eddy simulation, DES）[11-13]。LES能夠獲得詳細(xì)的流場瞬態(tài)信息，從而準(zhǔn)確捕捉不同大小尺度的渦結(jié)構(gòu)，但對近壁面邊界層網(wǎng)格要求非常精細(xì)，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的網(wǎng)格數(shù)，且要求計算的迭代步數(shù)非常大。因此，LES方法對計算機硬件水平要求很高，會消耗較多的計算資源和計算時間。DES則是結(jié)合了大渦模擬和雷諾平均湍流模型的優(yōu)點，被應(yīng)用于列車周圍瞬態(tài)流場的模擬，計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合。

RANS方法求解控制方程時進行了時間平均，這導(dǎo)致RANS方法的求解結(jié)果只反映了流場流動的宏觀平均量。同時，RANS方法對網(wǎng)格精度的要求不是很高，計算所需的時間步長也相對更低。對于大尺度脈動不是非常明顯的情況，RANS方法快捷、高效的優(yōu)點可以很好地滿足工程求解要求，因而被廣泛采用。故本文采用RANS方法對腕臂周圍流場及定常氣動特性進行研究。

1）連續(xù)性方程

2）動量守恒方程

3）湍動能方程

4）湍動能耗散率方程

1.2 腕臂計算模型及流場區(qū)域

圖1 腕臂流體計算基本模型及網(wǎng)格劃分

速度方向長度取40m，垂直速度方向為20m× 10m的矩形面。腕臂流場計算區(qū)域如圖1（b）所示。腕臂表面采用無滑移的壁面邊界條件。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，并結(jié)合TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》和TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》給定的載荷系數(shù)，本文確定討論35m/s和46.1m/s兩種風(fēng)速情況。速度入口面設(shè)置為速度入口邊界，入口速度分別為35m/s、46.1m/s，壓力出口面設(shè)置為壓力出口邊界，壓力出口的相對壓強設(shè)置為0Pa；對稱面即頂面和兩個側(cè)面的邊界條件設(shè)置為對稱邊界條件。采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格對流場進行劃分，空間流場最大網(wǎng)格為1m，腕臂表面網(wǎng)格為0.01m。腕臂網(wǎng)格和腕臂流場空間體網(wǎng)格分別如圖1（c）和圖1（d）所示。

1.3 腕臂各部件氣動系數(shù)分析

對鋁合金三角正定位腕臂和反定位腕臂進行35m/s、46.1m/s風(fēng)速下空氣動力學(xué)模擬，正反定位腕臂的表面壓力云圖、流場截面速度等值線云圖和流場截面流線云圖如圖2所示，獲得對應(yīng)風(fēng)速下的氣動阻力系數(shù)和氣動升力系數(shù)見表1和表2。由表可知，除定位管外，正定位腕臂大部分部件在不同風(fēng)速時升力呈相反特性，這是由于氣動系數(shù)隨雷諾數(shù)變化，使部件在不同風(fēng)速下呈現(xiàn)出不同值。

表1 鋁合金三角正定位腕臂氣動力系數(shù)

表2 鋁合金三角反定位腕臂氣動力系數(shù)

2 接觸網(wǎng)腕臂系統(tǒng)載荷分析

2.1 建?；驹O(shè)定

為提高仿真效率，對部分零部件做了簡化處理，建立正反定位腕臂裝置有限元模型，分析模型實際受力情況及約束方式，選擇合適的連接方式，加載模型并求解，最終得到關(guān)鍵部件應(yīng)力分布和形變狀態(tài)。仿真過程考慮重力作用，同時對關(guān)鍵部件和非關(guān)鍵部件剛?cè)狍w進行區(qū)別設(shè)置。

1）基本技術(shù)條件

依托Ansys Workbench和Fluent仿真平臺，采用的零部件技術(shù)條件包括：TB/T 2073—2020《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》、TB/T 2074—2020《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗方法》、TB/T 2075.1—2020《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件第1部分：腕臂支撐裝置》和GB/T 6892—2015《一般工業(yè)用鋁及鋁合金擠壓型材》。

2）幾何參數(shù)

腕臂系統(tǒng)主要幾何參數(shù)包括上下腕臂底座距離、絕緣子長度、定位器長度、腕臂管、定位管、絕緣子斷面尺寸等。

3）各構(gòu)件連接方式

（1）腕臂底座與大地：固定。

（2）各腕臂連接件螺栓連接處：固定。

（3）絕緣子與腕臂底座，定位管與斜腕臂定位環(huán)：轉(zhuǎn)動。

（4）定位器和定位器座連接處：轉(zhuǎn)動。

4）載荷加載

載荷分為最大工作荷重和破壞荷重；試驗工況分靜態(tài)工況和動態(tài)工況兩種。本次只針對靜態(tài)工況下靜載荷、小風(fēng)載荷（風(fēng)速35m/s）+靜載荷、大風(fēng)載荷（風(fēng)速46.1m/s）+靜載荷三種工況進行分析。根據(jù)TB/T 2074—2020《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗方法》中整懸掛試驗加力的規(guī)定：

（1）接觸線定位處施加水平載荷，大小為定位器的水平工作載荷。

（2）承力索在承力索座處施加水平載荷，大小為承力索座的水平工作荷重，同時施加垂直載荷，大小為承力索座的垂直工作荷重。也可以用一個合力替代水平載荷與垂直載荷，大小及方向由計算確定。

在參考標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上采用仿真結(jié)果的載荷，靜載荷基本力值按標(biāo)準(zhǔn)最大值進行設(shè)定，承力索豎直方向4kN、水平方向2.5kN，定位線夾水平方向3kN。通過采用RANS方法測得小風(fēng)載荷（35m/s）和大風(fēng)載荷（46.1m/s）時腕臂各部件的阻尼系數(shù)。

5）網(wǎng)格劃分

對腕臂各組成部分均賦材料屬性，由于零件種類較多且外形較為復(fù)雜，網(wǎng)格劃分方式為Automatic Method，element size為5mm，最終劃分單元數(shù)量為1 074 324個。腕臂網(wǎng)格處理和網(wǎng)格劃分示例分別如圖3和圖4所示。

圖3 腕臂網(wǎng)格處理

6）計算結(jié)果誤差來源分析

為方便零件受力分析，對部分零件進行簡化處理，網(wǎng)格劃分會丟失部分模型特征，各部件之間的連接方式也未考慮摩擦。綜上，應(yīng)力和位移計算值可能會稍高于實際值。

圖4 網(wǎng)格劃分示例

2.2 腕臂載荷分析

正定位腕臂裝置各構(gòu)件應(yīng)力云圖和位移云圖如圖5所示。

圖5 正定位腕臂裝置靜態(tài)求解

正反定位腕臂各構(gòu)件最大應(yīng)力見表3，最大位移和最大變形見表4。表3和表4中，A、B和C分別表示靜載荷、靜載荷與小風(fēng)載荷（風(fēng)速35m/s）疊加和靜載荷與大風(fēng)載荷（風(fēng)速46.1m/s）疊加三種載荷類型；A-sc、B-sc分別表示相應(yīng)的實測數(shù)據(jù)，可以看出：

1）無論是正定位腕臂還是反定位腕臂，三種載荷類型下腕臂系統(tǒng)的管件整體應(yīng)力都較小，最大應(yīng)力發(fā)生在定位器，且位于定位器和定位支座連接處。

2）正定位腕臂在三種載荷類型下的最大位移發(fā)生在定位器上，位于定位器和定位線夾連接處，定位器發(fā)生最大變形。

表3 不同類型腕臂結(jié)構(gòu)、不同載荷類型下各構(gòu)件的最大應(yīng)力 單位：MPa

表4 不同類型腕臂結(jié)構(gòu)、不同載荷類型下各構(gòu)件的最大位移和最大變形 單位：mm

3）反定位腕臂在三種載荷類型下的最大位移與最大變形大部分發(fā)生在定位管上，位于定位管與管帽連接處。

4）根據(jù)表3和表4中不同類型腕臂結(jié)構(gòu)、不同載荷類型下各構(gòu)件最大應(yīng)力、最大位移實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果的對比可以得出，實測結(jié)果與計算結(jié)果誤差在10%以內(nèi)，進一步說明了本文建立的腕臂空氣動力學(xué)模型及相應(yīng)計算方法有效，可以準(zhǔn)確反映本文研究對象的動力學(xué)特性。

3 結(jié)論

腕臂結(jié)構(gòu)的安全可靠是保障接觸網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件之一，特別在側(cè)風(fēng)等復(fù)雜環(huán)境下。本文研究了側(cè)風(fēng)環(huán)境下腕臂系統(tǒng)的定常氣動特性，采用計算流體動力學(xué)方法，建立了腕臂空氣動力學(xué)模型；采用雷諾時均方法對不同風(fēng)速下的腕臂氣動特性進行模擬，獲得了腕臂氣動力系數(shù)值；最后對腕臂系統(tǒng)各構(gòu)件的應(yīng)力和位移進行了詳細(xì)分析，得到了不同載荷疊加類型下的系統(tǒng)關(guān)鍵受力位置。

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)均可以看出，三種載荷下的最大應(yīng)力均發(fā)生在定位器處，正定位腕臂的定位器和反定位腕臂的定位管產(chǎn)生了最大變形。因此，在外界風(fēng)載荷作用下，腕臂系統(tǒng)的定位結(jié)構(gòu)是薄弱環(huán)節(jié)，為了提高其可靠性，建議定位器與定位支座連接處采用銷軸形式，可以避免定位器在外界風(fēng)載影響下，受壓產(chǎn)生不均勻磨損。同時，應(yīng)適當(dāng)增加定位管壁厚，提高定位器材質(zhì)強度，特別是在側(cè)風(fēng)影響較大的地區(qū)。研究結(jié)果可為復(fù)雜艱險山區(qū)接觸網(wǎng)腕臂選型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

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Stress characteristics of catenary cantilever system of high-speed railway under crosswind environment

YANG Hongmei

(Sichuan Railway College, Chengdu 611937)

With the development of China’s railway construction to the southwest, northwest and other complex mountainous areas, the impact of strong wind on the catenary cantilever system is attracting more attention. In this paper, the steady aerodynamic characteristics of the cantilever system in the crosswind environment are studied. The aerodynamic model of the cantilever is established by using the computational fluid dynamics method. Reynolds time-mean method is used to simulate the aerodynamic characteristics at different wind speeds. The aerodynamic coefficients of the cantilever are obtained. Finally, the stress and displacement of each components of the cantilever are analyzed in detail, and the key stress positions under different load are obtained. The research results may provide a reference for catenary cantilever selection and parameter optimization.

high-speed railway; catenary; cantilever system; crosswind environment; stress characteristics

2022-05-05

2022-05-21

楊紅梅（1987—），女，碩士，講師，主要從事鐵路電氣化研究工作。

國家自然科學(xué)基金青年基金項目（52102478）

四川鐵道職業(yè)學(xué)院重點項目（202111001）