接觸線磨耗對接觸網靜態性能的影響研究

白羽希

摘要：目前，我國的經濟在快速的發展，社會在不斷的進步，接觸線在受電弓滑板摩擦作用下，其表面會產生磨損現象?？紤]接觸線的磨耗為均勻磨耗，利用有限單元法，建立整個錨段的接觸網模型。針對不同磨耗下接觸網的靜態模型，研究接觸網的空間位置和彈性性能變化，最后對接觸網因磨耗而產生的幾何不平順提出了修正方案。

關鍵詞：接觸線；磨耗；接觸網；變形；有限元法

引言

接觸網系統由接觸線、承力索、彈性吊索、吊弦、定位器、支柱、腕臂等大尺度柔性索組合而成，是在預張力下的內應力自平衡系統。接觸網使用條件苛刻，投入運營后就擔負著繁忙的運輸任務，且無備用線路。經過長時間運行，零件不可避免會產生磨損。接觸線磨損后，質量和截面慣性矩減小，內應力平衡被打破，接觸網靜態性能發生變化。目前，高速鐵路接觸網磨耗的研究主要集中在磨耗檢測方面，針對磨耗對接觸網靜態性能影響的研究較少。在設計接觸線的最大工作張力時，考慮了接觸線的磨耗系數。規定接觸線最大允許磨耗面積為標稱截面積的 20%。利用經典力學研究了接觸線磨耗對接觸網靜態幾何形態的影響。根據中的高速鐵路接觸網檢測的參數與測量要求（靜態檢測），對基于有限單元法建立的整個錨段接觸網模型，在不同接觸線磨耗下接觸網的空間位置和彈性性能變化進行了研究，并提出改進措施。

1接觸網導線磨耗含義

接觸網磨損是受電弓作用下表面的腐蝕磨損現象。接觸線磨損的主要原因有：接觸線與滑板之間的電腐蝕、受電弓碳滑板的機械摩擦、化學腐蝕、接觸線氧化等。接觸線的載流能力、接觸線的機械安全性和接觸線的使用壽命都受接觸線磨損的影響，總磨損小和懸鏈線是正常運行的，然而，地方磨損鋼絲接觸成為更多和更嚴重的，并由服務壽命接觸線在一定程度上是受影響的。在實際運行中，列車匯流排中間接頭、錨段關節、緩坡區段、出站加速區段等是接觸線出現不均勻磨耗的主要集中地段。其中以電客車出站加速區段錨段關節與中間接頭尤為突出。正常情況下，更換接觸線依據是當接觸線磨耗到達匯流排時，但是，如果某區段或者某個點的接觸線磨耗特別大，已接近磨到匯流排，而其他地方的接觸線還未達到換線標準時，接觸線就必須整個錨段或局部進行更換。

2接觸網磨耗計算模型

2.1接觸網初始平衡模型

首先建立接觸網初始平衡模型。初始模型模擬接觸線無磨耗的狀態，接觸線各吊弦、定位器連接處的導高為標準值。以一個錨段為研究對象，基于有限單元法建立簡單鏈形接觸網三維靜態模型。由于接觸網結構復雜，建模時需進行簡化。定位器簡化為非線性彈簧單元和集中質量單元；線夾、中心錨結簡化為集中質量單元；不考慮支座、腕臂的影響，將支座、腕臂簡化為鉸支座。接觸網采用的線材及張力如表1所示，接觸網結構參數如表2所示。

表1 接觸網線材及張力

表2 接觸網結構參數

2.2磨損接觸線參數的計算

接觸線在受電弓滑板的機械摩擦作用下，其工作表面會產生磨蝕現象。接觸網在“之”字形布置情況下，當受電弓以某一速度滑過時，碳滑板不同點被磨損的程度是相同的。

2.3接觸懸掛硬點隨機性

接觸懸掛在接觸網運行過程中不可避免地會出現凸硬點（凸硬點的出現在時間和空間上是隨機的），這也導致了受電弓滑動磨損位置的隨機性。硬點的出現是指接觸懸掛導電性的突然變化，使受電弓在高速運動時直接承受接觸懸掛的機械沖擊或產生離線引弧。當機械沖擊過大時，受電弓滑板甚至會出現裂紋。根據以往的運行經驗，易發生硬點的區域有剛-柔過渡區、分段絕緣子滑動、匯流排中間接頭、錨接頭過渡等。

3計算結果分析

3.1吊弦偏轉

從圖1可知，沿線路方向每跨的導高抬升量并不相同。中錨附近抬升量最小，越遠離中錨的跨，抬升量越大。接觸線磨損后截面積A和截面慣性矩Iz減小，從而使接觸線重量下降，并使接觸線的抗拉強度、抗彎強度下降；在恒定張力的作用下接觸線被拉伸伸長，并向錨段兩端延伸；同時承力索抬升，曲率變小，承力索也會向錨段兩端延伸。圖2為不一樣磨耗下接觸線和承力索下錨處位移值。從圖2可以看出，線索下錨處的位移隨磨耗系數增大而增大，接觸線位移值較承力索的要大。接觸線和承力索沿路線方向位移的差異會導致吊弦偏轉，如圖7所示，位于錨段首尾吊弦上下段的位移差值最大達到188.8mm。吊弦偏轉后會在接觸線吊點處產生附加抬升，使導高不均勻性增加。同時改變了吊弦受力方向和受力狀態。

3.2不同磨耗下接觸網彈性

靜態彈性是接觸網系統的一個重要靜態指標，靜態彈性e定義為： 式中：δ為相應位置接觸線的靜態抬升量；F為施加在接觸線上的靜態測量抬升力。接觸網設計的基本原則是接觸線的靜態彈性應盡可能一致。通常采用彈性不均勻度u來描述接觸網系統靜態剛度的彈性一致性，彈性不均勻度定義為： 式中：u為彈性不均勻度；emax為最大彈性；emin為最小彈性。利用建立的接觸網有限元模型，通過給接觸線的節點施加向上載荷，重新計算靜平衡狀態，獲得相應節點的抬升量，即可計算接觸線不同磨耗下的靜態彈性。測量抬升力為190N，距離50～200m的3跨接觸網不同磨耗系數下的靜態彈性。

4接觸網磨耗的修正措施

接觸網的安裝過程為一次性整體安裝，整個生命周期內不允許更換零部件。上述研究表明隨著接觸線的磨損，整個錨段內的導高不均勻性逐步惡化，并遠離初始設計值?？紤]到整個使用周期內的接觸網性能，可以通過調整接觸網的初始形狀來改善因磨耗而產生的變形。取磨耗系數為0.2時接觸線懸掛點抬升量的1/2作為懸掛點的預留弛度，考察修正后的接觸網在不同磨耗下的變形情況。

結語

（1）接觸線磨損對接觸網幾何形態有顯著影響，接觸線幾何不平順增加。磨耗系數為0.2時，接觸線的高度偏差為32.62mm，超過了接觸網的驗收的標準；（2）接觸線磨損后，定位器位置柔度增大，跨中柔度基本不變，接觸網彈性不均勻度降低，結構柔度更趨一致；（3）合理設置接觸線懸掛點的預留弛度，可以改善接觸網因磨耗而產生的幾何不平順。

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（作者單位：中鐵九局集團有限公司勘察設計院）