基于運(yùn)行工況的接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命分析

劉 濤，陳 可，關(guān)金發(fā)

0 引言

接觸網(wǎng)沿鐵路線路架設(shè)，無備用，長期承受受電弓和外部環(huán)境的隨機(jī)載荷，接觸網(wǎng)零部件疲勞是接觸網(wǎng)故障的主要類型之一，屬于與服役時間相關(guān)的故障。若能預(yù)估接觸網(wǎng)零部件的疲勞壽命，則可按照該預(yù)估值制定接觸網(wǎng)零部件的維修周期，對接觸網(wǎng)的運(yùn)營維修具有重要意義。

研究接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命的文獻(xiàn)有：文獻(xiàn)[1]篩選了接觸網(wǎng)的關(guān)鍵零件，利用弓網(wǎng)動力仿真手段得出了不同速度等級的接觸網(wǎng)零件載荷分布；文獻(xiàn)[2～4]利用雨流計數(shù)法統(tǒng)計接觸線的疲勞應(yīng)力譜，并研究了接觸線的疲勞壽命；文獻(xiàn)[5]利用仿真手段，研究了風(fēng)作用在接觸線上的接觸線疲勞壽命；文獻(xiàn)[6，7]利用計算機(jī)仿真手段建立弓網(wǎng)動態(tài)模型以及吊弦模型，分析吊弦的疲勞載荷特性及壽命；文獻(xiàn)[8，9]分析了高鐵接觸網(wǎng)吊弦斷裂原因，并對吊弦疲勞試驗方法提出改進(jìn)措施；文獻(xiàn)[10]通過建立接觸網(wǎng)仿真模型，對高速鐵路接觸網(wǎng)進(jìn)行了受力分析；文獻(xiàn)[11]根據(jù)微動理論，對接觸網(wǎng)吊弦進(jìn)行仿真建模，分析吊弦損傷機(jī)理，并提出改進(jìn)壓接結(jié)構(gòu)提高整體吊弦性能等相關(guān)措施；文獻(xiàn)[12]對接觸網(wǎng)定位裝置開展磨損試驗，得出定位器與定位座的磨損形式與定位器水平力有關(guān)，定位器與定位座的接觸越緊密磨損量越小的結(jié)論；文獻(xiàn)[13]針對京滬高鐵接觸網(wǎng)吊弦及定位裝置的工作載荷和位移分布，提出了吊弦及定位裝置的疲勞試驗條件；文獻(xiàn)[14]通過建立弓網(wǎng)動態(tài)仿真模型，分析了承力索座、腕臂、定位器等接觸網(wǎng)零部件的載荷譜，并估算了不同運(yùn)行速度下的零部件壽命；文獻(xiàn)[15]通過建立接觸網(wǎng)仿真模型，分析了棘輪本體和腕臂定位裝置的靜強(qiáng)度，并得到吊弦的疲勞特性曲線；文獻(xiàn)[16～19]仿真分析了400 km/h速度時接觸線預(yù)弛度和列車速度對吊弦壽命的影響，得到了接觸線預(yù)弛度越大、列車速度越快，吊弦的使用壽命越短的結(jié)論；文獻(xiàn)[20]設(shè)計了接觸線疲勞壽命試驗臺，并定量估算了接觸線的疲勞性能。

既有接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命的研究主要側(cè)重載荷譜的編制和接觸線、吊弦及定位裝置的壽命預(yù)估，尚未有通用性的接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命建模與分析方法，并針對不同線路接觸網(wǎng)的運(yùn)行工況，預(yù)估零部件的疲勞壽命。本文首先研究接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命預(yù)估所需的分析流程和分析工具；然后以某實際線路接觸網(wǎng)為研究對象，建立該線路的受電弓與接觸網(wǎng)動態(tài)仿真模型，開展線路實測試驗，并確認(rèn)仿真結(jié)果的有效性；最后，分析該線路的接觸網(wǎng)零部件載荷分布，比較同種零部件在不同載荷下的疲勞壽命。

1 零部件疲勞壽命分析流程

接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命受零部件的結(jié)構(gòu)、形狀和材料等抗載荷能力，以及所加載的機(jī)械和電氣載荷等外部載荷的影響。一般情況，抗載荷能力是載荷與安全系數(shù)的乘積。在零部件抗載荷能力一定的情況下，零部件的疲勞壽命取決于外部施加的載荷。假設(shè)忽略接觸網(wǎng)的電氣載荷和外部環(huán)境的影響，僅考慮受電弓作為接觸網(wǎng)的單一外力作用。

為獲取有效的接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命，首先需獲取基于弓網(wǎng)運(yùn)行工況的實際零部件載荷。獲取實際零部件載荷的途徑有兩種，一種是在線路對零部件加裝傳感器測試，另一種是弓網(wǎng)動態(tài)仿真計算。

線路實測對接觸網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生一定影響，且測試對象單一，不能逐一測量每一個接觸網(wǎng)零部件。而弓網(wǎng)動態(tài)仿真則可計算任一零部件的載荷，但弓網(wǎng)動態(tài)仿真需要考慮兩方面問題，一方面是弓網(wǎng)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性驗證，另一方面是真實的弓網(wǎng)運(yùn)行工況模擬。弓網(wǎng)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性可利用弓網(wǎng)動態(tài)性能測試獲取的實測結(jié)果進(jìn)行比對。為模擬真實的工況，接觸網(wǎng)仿真參數(shù)中的接觸線高度和拉出值應(yīng)為實際測量值，受電弓仿真參數(shù)與實際使用的受電弓參數(shù)一致。

通過對受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)仿真獲取接觸懸掛和定位點(diǎn)、支持點(diǎn)的載荷時程。接觸懸掛包括接觸線、承力索、吊弦、彈性吊索和電連接等線索，以及各類線夾。以定位點(diǎn)和支持點(diǎn)的載荷時程作為輸入，進(jìn)一步建立支持與定位裝置的仿真模型，分析支持與定位裝置的受力及零部件的內(nèi)部應(yīng)力時程。最后以接觸網(wǎng)零部件的應(yīng)力時程作為輸入，利用疲勞壽命仿真平臺，得到零部件的疲勞壽命預(yù)估值。為確認(rèn)疲勞壽命預(yù)估值，還需建立相關(guān)的疲勞壽命測試平臺驗證疲勞壽命仿真結(jié)果。

接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命的分析流程如圖1所示。基于該分析流程，以京滬高鐵為例，建立京滬高鐵某區(qū)間兩錨段的弓網(wǎng)動態(tài)仿真模型，分析接觸網(wǎng)的關(guān)鍵零部件—定位器的疲勞壽命。

圖1 基于運(yùn)行工況的接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命分析流程

2 零部件載荷獲取

選取京滬高鐵徐州東—棗莊西區(qū)段K637+045.2—K639+510.91上行線兩個錨段的接觸網(wǎng)作為分析對象，實測該區(qū)間的接觸線高度和拉出值，結(jié)合該段的接觸網(wǎng)平面布置圖和表1所示的接觸網(wǎng)設(shè)計參數(shù)，建立該段接觸網(wǎng)的有限元仿真模型，如圖2所示。其中接觸線、承力索、彈性吊索和吊弦采用索單元模擬，定位器采用梁單元模擬。

圖2 京滬高鐵接觸網(wǎng)有限元仿真模型

表1 京滬高鐵接觸網(wǎng)設(shè)計參數(shù)

受電弓使用西門子SSS400+型，其仿真參數(shù)如表2所示。受電弓數(shù)量為2架，弓間距為200 m。受電弓的靜態(tài)接觸力按70 N計算，氣動抬升力按0.000 97v2計算，其中v為受電弓運(yùn)行速度，km/h，該段接觸網(wǎng)的受電弓運(yùn)行速度為300 km/h。

表2 受電弓仿真參數(shù)

利用定位點(diǎn)抬升在線監(jiān)測技術(shù)，對該區(qū)段的某中間支柱進(jìn)行定位點(diǎn)抬升測量。將該測量值與弓網(wǎng)動態(tài)仿真值進(jìn)行比較，如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)測量曲線與仿真曲線基本重合，驗證了弓網(wǎng)動態(tài)仿真結(jié)果的有效性。

圖3 京滬高鐵某定位點(diǎn)抬升測試與仿真結(jié)果

利用弓網(wǎng)動態(tài)仿真，得到中心轉(zhuǎn)換支柱定位點(diǎn)和中間支柱定位點(diǎn)的受力時程，如圖4、圖5所示。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，中心轉(zhuǎn)換柱的定位點(diǎn)在3個方向的受力均沿0值上下波動，垂直和順線路方向的受力很小，主要是拉出值方向的受力變化。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，中間柱的定位點(diǎn)在受電弓尚未到達(dá)時，垂直方向和拉出值方向均有一定的恒力，當(dāng)受電弓通過定位點(diǎn)時，定位點(diǎn)受力出現(xiàn)一定的波動，10 s和12 s附近垂直方向受力出現(xiàn)2個波谷，說明定位點(diǎn)被抬升時其垂向受力減小。

圖4 中心轉(zhuǎn)換柱定位點(diǎn)受力時程

圖5 中間柱定位點(diǎn)受力時程

3 零部件疲勞壽命預(yù)估

將以上得到的定位點(diǎn)和支持點(diǎn)受力時程輸入支持與定位結(jié)構(gòu)仿真平臺，得到某一時刻中心轉(zhuǎn)換柱的支持與定位結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，如圖6所示，其中等效最大應(yīng)力為35.6 MPa。

圖6 中心轉(zhuǎn)換柱支持與定位結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

在編制載荷譜時，忽略零部件所承受的小載荷段，即截取列車行駛至定位點(diǎn)前2 s與駛離后載荷幅值衰減至最大振幅10%～20%時的時間段數(shù)據(jù)為分析的源數(shù)據(jù)[1]。利用雨流法統(tǒng)計出時變的應(yīng)力幅值和交變次數(shù)，結(jié)合定位器材料的S-N曲線，采用疲勞損傷線性累積法則進(jìn)行定位器的疲勞壽命分析。

圖7所示為接觸網(wǎng)零部件疲勞仿真平臺輸出的中間柱定位器疲勞壽命分布，得到中間柱定位器的最小壽命為150萬次載荷循環(huán)，折算為300萬弓架次，符合接觸網(wǎng)的設(shè)計壽命要求（接觸網(wǎng)設(shè)計壽命為200萬弓架次）。

圖7 中間柱定位器疲勞壽命分布

采用同樣的分析步驟，輸出的中心轉(zhuǎn)換柱定位器疲勞壽命分布如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)定位器的根部與定位支座相連的區(qū)域壽命最小，為12萬次載荷循環(huán)。若換算成弓架次，假設(shè)每次循環(huán)弓架次為2，則中心轉(zhuǎn)換柱的定位器在使用24萬弓架次后即達(dá)到疲勞破壞，且疲勞破壞始于定位器根部。

圖8 中心轉(zhuǎn)換柱定位器疲勞壽命分布

安裝在中心轉(zhuǎn)換柱的定位器相對安裝在中間柱的定位器疲勞壽命較小，且未達(dá)到接觸網(wǎng)的設(shè)計壽命要求，需引起重視。

4 結(jié)語

（1）設(shè)計了基于運(yùn)行工況的接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命分析流程，建立了受電弓與接觸網(wǎng)動態(tài)仿真平臺和支持、定位結(jié)構(gòu)仿真平臺及接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命預(yù)估平臺，并利用實測數(shù)據(jù)驗證了弓網(wǎng)動態(tài)仿真平臺仿真結(jié)果的有效性。

（2）以京滬高鐵某區(qū)段中心轉(zhuǎn)換柱和中間柱定位器為分析目標(biāo)，得出定位器的受力時程和應(yīng)力時程，以及安裝在中心轉(zhuǎn)換柱的定位器相對安裝在中間柱的定位器疲勞壽命較小，最容易出現(xiàn)疲勞破壞的區(qū)域為定位器與定位支座連接處的結(jié)論。

（3）通過對高速鐵路接觸網(wǎng)定位器的疲勞壽命分析，說明基于運(yùn)行工況的接觸網(wǎng)零部件疲勞壽命分析流程是可行的。