接觸網(wǎng)重型錨臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應(yīng)用

何國軍，李東偉，陳嵐輝，譚亞昆

0 引言

1 傳統(tǒng)接觸網(wǎng)重型錨臂結(jié)構(gòu)

隨著我國隧道技術(shù)的不斷發(fā)展進步，鐵路隧道逐年增多，接觸網(wǎng)在遇到長大隧道時，不可避免要在隧道內(nèi)設(shè)置接觸網(wǎng)下錨裝置[1]。接觸網(wǎng)重型錨臂作為隧道滑輪下錨的關(guān)鍵受力零部件，在隧道內(nèi)接觸網(wǎng)實施過程中大量使用，其安裝質(zhì)量直接影響鐵路的安全運營。由于現(xiàn)有重型錨臂具有方向性，安裝時需區(qū)分兩種錨臂類型，給施工提料、廠商生產(chǎn)加工、現(xiàn)場安裝都帶來極大的不便，尤其是在錨臂施工中經(jīng)常會選錯型號，造成不必要的返修或返工等問題。

本文結(jié)合目前隧道內(nèi)滑輪補償裝置重型錨臂的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過方案比較，給出一種接觸網(wǎng)錨臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，使接觸網(wǎng)重型錨臂具有方向通用性，避免了可能在提料、加工及現(xiàn)場安裝中出現(xiàn)方向錯誤，并在實際線路上得到應(yīng)用，為隧道內(nèi)滑輪補償重型錨臂設(shè)計提供方案參考。

隧道內(nèi)接觸網(wǎng)滑輪補償下錨一般由重型錨臂、滑輪補償裝置、墜砣及墜砣限制架、終端錨固線夾、復(fù)合絕緣子、拉線等組成[2，3]。隧內(nèi)接觸網(wǎng)滑輪全補償下錨示意圖如圖1 所示。

圖1 隧內(nèi)接觸網(wǎng)全補償下錨示意圖

接觸網(wǎng)重型錨臂是隧道內(nèi)滑輪下錨裝置的一個關(guān)鍵受力零部件，其落錨側(cè)主要通過D 型連接器或碗頭掛板連接在補償滑輪上，下錨側(cè)通過拉線或拉桿連接在拉線底座上[4]。根據(jù)落錨方向和下錨拉線方向的不同可將重型錨臂分為兩類，兩種重型錨臂結(jié)構(gòu)如圖2 所示，傳統(tǒng)重型錨臂現(xiàn)場安裝如圖3 所示。

圖2 接觸網(wǎng)重型錨臂結(jié)構(gòu)

圖3 傳統(tǒng)接觸網(wǎng)重型錨臂安裝

隨著接觸網(wǎng)簡統(tǒng)化理念的提出，從技術(shù)方案、施工提料、生產(chǎn)下料、加工焊接、標記型號、現(xiàn)場施工安裝等方面對接觸網(wǎng)零部件要求不斷提高，因此將接觸網(wǎng)重型錨臂統(tǒng)一成通用型接觸網(wǎng)零部件勢在必行。

2 接觸網(wǎng)重型錨臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為使接觸網(wǎng)重型錨臂具有方向通用性，使上下行方向下錨或錨段關(guān)節(jié)左右方向下錨不用區(qū)分重型錨臂型號，將重點研究重型錨臂L 板的布置。

2.1 “X”型布置重型錨臂

“X”型布置重型錨臂由1 個L 板搭接1 個長板和1 個短板組成。通過“X”型焊接布置，可達到型號的統(tǒng)一，無論上下行方向下錨或錨段關(guān)節(jié)左右方向下錨，均可不區(qū)分錨臂型號?！癤”型布置重型錨臂結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 “X”型布置重型錨臂結(jié)構(gòu)

“X”型布置重型錨臂可以滿足安裝方向的通用性，但在交叉處20 mm 范圍內(nèi)便出現(xiàn)了12 條焊縫，重復(fù)加熱可使熱影響區(qū)組織晶粒粗大，降低韌性，會產(chǎn)生高度應(yīng)力集中和金屬過熱，引起成分的改變，從而影響零部件強度，并可能使焊縫出現(xiàn)裂紋，對焊接要求很高。

2.2 “Π”型布置重型錨臂

“Π”型布置重型錨臂由2 個立板分別焊接1個短板、1 個長板組成。長板連接下錨拉線與豎向中心線成45?夾角，短板連接滑輪組與水平中心線成45?夾角?！唉啊毙筒贾弥匦湾^臂結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 “Π”型布置重型錨臂結(jié)構(gòu)

“Π”型布置重型錨臂不僅可以滿足安裝方向的通用性，結(jié)構(gòu)更加簡潔，而且焊接方便，不會產(chǎn)生應(yīng)力集中和金屬過熱。

2.3 兩種布置重型錨臂對比

兩種布置重型錨臂的特點對比如表1 所示。通過表1 可知，從結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、方向通用性、焊接難易程度等方面綜合考慮，“Π”型布置比“X”型布置更具有工程應(yīng)用優(yōu)勢。下文對“Π”型錨臂結(jié)構(gòu)進行仿真分析及試驗應(yīng)用分析。

表1 兩種布置重型錨臂對比

3 “Π”型錨臂結(jié)構(gòu)仿真計算分析

3.1 “Π”型錨臂結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

重型錨臂本體、螺栓銷、螺母按GB/T 700—2006 標準，采用Q235B 碳素結(jié)構(gòu)鋼制造；開口銷按GB/T 1220—2007 標準，采用12Cr18Ni9 不銹鋼；長度L= 1 000 mm；規(guī)格200 mm×150 mm×7 mm。

根據(jù)TB/T 2075.23—2020《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件 第23 部分：隧道下錨補償裝置》規(guī)定，重型錨臂性能要求[4]：Ⅰ型工作狀態(tài)時，垂直線路額定彎矩為5.0 kN·m，順線路額定彎矩15.0 kN·m；Ⅱ型工作狀態(tài)時，垂直線路額定彎矩為10.0 kN·m，順線路額定彎矩為20.0 kN·m。

3.2 “Π”型錨臂結(jié)構(gòu)仿真分析

使用三維建模軟件建立“Π”型錨臂結(jié)構(gòu)三維模型，將三維模型導(dǎo)入有限元計算軟件進行有限元計算分析。經(jīng)網(wǎng)格化處理，本結(jié)構(gòu)共18 887 個網(wǎng)格，采用實體單元，“Π”型錨臂結(jié)構(gòu)三維建模如圖6 所示。

圖6 “Π”型錨臂結(jié)構(gòu)三維模型

重型錨臂本體采用Q235B 碳素結(jié)構(gòu)鋼[5]，材料屬性如表2 所示。

表2 Q235B 材料屬性

重型錨臂邊界條件參照TB/T 2075.23—2020執(zhí)行，允許應(yīng)力不大于235 MPa，邊界條件如表3所示。

表3 重型錨臂受力邊界條件 kN

通過有限元分析計算錨臂結(jié)構(gòu)在規(guī)定性能載荷作用下的應(yīng)力分布和抗彎情況，校核錨臂結(jié)構(gòu)的強度和剛度。Ⅰ型工作狀態(tài)時，“Π”型錨臂結(jié)構(gòu)在規(guī)定載荷作用下的整體應(yīng)力及變形情況云圖如圖7、圖8 所示。

圖7 Ⅰ型工況下“Π”型錨臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖8 Ⅰ型工況下“Π”型錨臂結(jié)構(gòu)變形云圖

由圖7 可以看出，Ⅰ型工況下“Π”型錨臂結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在落錨板處，應(yīng)力最大值為91.61 MPa，遠小于材料的允許應(yīng)力（235 MPa）；由圖8可以看出，錨臂結(jié)構(gòu)最大變形僅為0.258 mm，滿足強度設(shè)計要求。

Ⅱ型工作狀態(tài)時，“Π”型錨臂結(jié)構(gòu)在規(guī)定載荷作用下的整體應(yīng)力及變形情況云圖如圖9、圖10所示。

圖9 Ⅱ型工況下“Π”型錨臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖10 Ⅱ型工況下“Π”型錨臂結(jié)構(gòu)變形云圖

由圖9 可以看出，Ⅱ型工況下“Π”型錨臂結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在落錨板處，應(yīng)力最大值為120.99 MPa，遠小于材料的允許應(yīng)力（235 MPa）。由圖10 可以看出，錨臂結(jié)構(gòu)最大變形僅為0.344 mm，滿足強度設(shè)計要求。

4 “Π”型錨臂結(jié)構(gòu)檢驗及應(yīng)用

4.1 “Π”型錨臂結(jié)構(gòu)檢驗

檢驗設(shè)備：框架試驗機；檢驗方法：依據(jù)標準TB/T 2074—2020《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗方法》[6]；焊接標準：GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》[7]；環(huán)境條件：溫度27.6 ℃，濕度35%RH。“Π”型錨臂結(jié)構(gòu)檢驗結(jié)果如表4 所示。

表4 “Π”型錨臂結(jié)構(gòu)檢驗結(jié)果

4.2 “Π”型錨臂結(jié)構(gòu)現(xiàn)場應(yīng)用

重型錨臂通過電動葫蘆吊裝在隧道壁的安裝位置，通過預(yù)埋槽道或化學(xué)錨栓安裝在隧道壁上，并根據(jù)槽道或錨栓位置、底盤與錨臂本體傾斜角、拉線底座位置等情況進行整正調(diào)整[8，9]?！唉啊毙筒贾媒Y(jié)構(gòu)重型錨臂現(xiàn)場安裝如圖11 所示。

圖11 “Π”型接觸網(wǎng)重型錨臂安裝

該重型錨臂已成功在線路上安裝運行，無需區(qū)分具體類型，現(xiàn)場安裝使用方便，節(jié)省了施工提料、區(qū)分型號安裝時間，避免了以往安裝型號錯誤問題，減少了設(shè)計變更可能帶來的規(guī)格型號變更隱患，極大地方便了施工，也為大修期滿后的更換提供了前瞻性的便利。

5 結(jié)語

本文利用有限元分析軟件對“Π”型結(jié)構(gòu)重型錨臂進行仿真分析，仿真計算結(jié)果表明該重型錨臂結(jié)構(gòu)符合相關(guān)規(guī)范要求。電氣化鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)施工視線黑暗，空間受限[9]，施工難度大，相比于既有重型錨臂結(jié)構(gòu)，“Π”型重型錨臂具有方向通用性、易于焊接、現(xiàn)場安裝方便等優(yōu)點，避免了可能在施工提料、廠商加工、現(xiàn)場安裝及設(shè)計變更中出現(xiàn)的方向錯誤，為隧道內(nèi)滑輪補償重型錨臂設(shè)計提供了方案參考。接觸網(wǎng)重型錨臂結(jié)構(gòu)研究還需進一步解決的問題：

（1）若重型錨臂及拉線底座槽道或化學(xué)錨栓預(yù)埋出現(xiàn)偏差，落錨方向與下錨拉線方向可能會產(chǎn)生較大偏角，使錨臂受力較差。

（2）不論是“X”型還是“Π”型重型錨臂，相比傳統(tǒng)的重型錨臂都增加了一定的焊接量，對焊接工藝及質(zhì)量提出了更高要求。

（3）需研究一種新的重型錨臂結(jié)構(gòu)，減少重型錨臂焊接量，解決落錨方向與下錨拉線方向可能會出現(xiàn)的較大偏角問題。