魏博

浅谈高速铁路接触网锚段关节设计

魏博

作为接触网系统的重要组成部分，锚段关节的合理性显得尤为重要。目前我国高速铁路接触网锚段关节主要以四跨和五跨关节形式为主，时速达到300 km/h及以上的高速铁路通常采用五跨关节形式。本文对高速铁路接触网常见的五跨锚段关节进行有限元受力分析，提出优化建议。

有限元；锚段关节；受力分析

0 引言

作为接触网系统的重要组成部分，锚段关节是相邻锚段的衔接部分，其整体结构的受力及稳定性显得尤为重要。

目前我国高速铁路接触网锚段关节主要以四跨和五跨关节形式为主，时速达到300 km及以上的高速铁路通常采用五跨关节形式。

本文对我国高速铁路接触网常见的五跨非绝缘锚段关节的腕臂受力进行有限元计算分析，提出一些优化建议。

1 高速铁路接触网锚段关节设计

我国300 km/h及以上高速铁路通常采用的五跨非绝缘锚段关节形式如图1所示。

图1 五跨非绝缘锚段关节形式示意图

从五跨非绝缘锚段关节的平面布置可以看出，A柱为关节的开口侧（相邻锚段导线不交叉），D柱为关节的闭口侧（相邻锚段导线交叉）。

A柱和D柱腕臂组中非工作支腕臂完成一个锚段的起始下锚或者结束下锚，其中，相对于轨面，A柱腕臂组中非工作支接触线高度5 800 mm，承力索高度7 200 mm，D柱腕臂组中非工作支接触线高度5 800 mm，承力索高度7 400 mm。

常见的接触网下锚装配示意如图2所示。

图2 接触网下锚装配示意图

从图2可以看出，常见的棘轮下锚装配中，相对于轨面，接触线下锚高度为5 800 mm，承力索下锚高度为6 500 mm。

结合五跨非绝缘锚段关节的立面布置、腕臂形式以及下锚装配，4组腕臂中，D柱腕臂组中非工作支腕臂受力最大。

参见图3，以导线张力组合21 kN+30 kN、支柱跨距50 m、铝合金腕臂材质为例，通过有限元软件分析计算D柱腕臂组中非工作支腕臂受力情况。

图3 D柱腕臂组中非工作支腕臂受力示意图

2 有限元原理[9]

描述可承力构件的力学信息一般有位移、应变、应力。若该构件为简单形状，且外力分布比较单一，如：杆、梁、柱、板就可以采用材料力学的方法，但对于几何形状较为复杂的构件却很难得到准确的结果，甚至根本得不到结果。

有限元方法是基于“离散逼近”的基本策略，可以采用较多数量的简单函数组合来“近似”代替非常复杂的原函数。

一个复杂的函数，可以通过一系列的基底函数（base function）的组合来“近似”，也就是函数逼近，其中有2种典型的方法：（1）基于全域的展开（如采用傅立叶级数展开）；（2）基于子域（sub-domain）的分段函数（pieces function）组合（如采用分段线性函数的连接）。下面以一个一维函数的展开为例说明全域逼近与分段逼近的特点。

设有一个一维函数f(x),x∈[x0,xL]，分析它的展开与逼近形式。

首先考虑基于全域的展开形式，如采用傅立叶级数（Fourier series）展开，则有：

第2种是基于子域[xi,xi+1]上的分段展开形式，若采用线性函数，则有：

比较上述2种展开形式特点可以看出，第1种所采用的基本函数φi(x∈[x0,xL])非常复杂，而且是在全域上[x0,xL]定义的，但它是高次连续函数，一般情况下仅采用几个基底函数就可以得到较高的逼近精度；而第2种所采用的基本函数ai+bix(x∈[xi,xi+1])非常简单，而且是在子域上[xi,xi+1]定义的，它通过各个子域组合出全域[x0,xL]，但它是线性函数，函数的连续性阶次较低，因此需要使用较多的分段才能得到较好的逼近效果，计算量较大。

第1种函数逼近方式就是力学分析中经典瑞利-里兹方法（Rayleigh-Ritz principle）的思想，而第2种函数逼近方式则是现代力学分析中的有限元方法的思想，其中的分段就是“单元”的概念。

基于分段的函数描述具有非常明显的优势：（1）可以将原函数的复杂性“化繁为简”，使得描述和求解成为可能；（2）所采用的简单函数可以人工选取，因此可取最简单的线性函数或取从低阶到高阶的多项式函数；（3）可以将原始的微分求解变为线性代数方程。综合分段函数描述的优势和问题，只要采用功能完善的软件以及能够进行高速处理的计算机，就可以完全发挥“化繁为简”策略的优势，有限元分析的概念就在于此。

3 有限元计算

为了得到比较准确的腕臂结构受力状态，采用专业有限元软件进行建模受力分析，软件是基于有限元理论，在架构相关模型的基础上，通过人为设置荷载、循环计算，从而得到比较准确的模型受力状态。

五跨非绝缘锚段关节D柱腕臂组中非工作支腕臂结构有限元模型如图4所示。

图4 D柱腕臂组中非工作支腕臂有限元模型示意图

基于图3所示的D柱腕臂组中非工作支腕臂受力状态，利用有限元软件进行分析，输出位移变形云图，如图5所示。

图5 D柱腕臂组中非工作支腕臂位移变形云图

位移变形云图中，红色部分是位移最大的部分，位移变形为8.977 mm，根据《TB/T2075-2010电气化铁道接触网零部件》中规定：“腕臂支撑装置在组合状态下，当承力索座处受水平荷载3.5 kN，垂直荷载4 kN，斜腕臂与定位管（或定位环）连接处受水平荷载4 kN时，L形腕臂支撑装置中各部件挠度不大于0.01H（H为部件自身长度）”，此处非工作支平腕臂长度为2 700 mm，依据《TB/T2075-2010电气化铁道接触网零部件》的要求，挠度应该不大于0.01×2 700 = 27 mm，实际受力状态下有限元软件计算的位移变形量满足规范允许的变形量。

为了改善D柱腕臂组中非工作支腕臂的位移变形，有几个方面可以考虑：（1）改善非工作支腕臂承力索座处受力状态；（2）提高非工作支腕臂材质强度；（3）增加腕臂支撑；（4）降低非工作支腕臂结构高度。

第（2）、第（3）条是从腕臂自身材质、结构考虑。依据《TB/T2075-2010电气化铁道接触网零部件》的规定，腕臂支撑结构形式、材质、管径、壁厚等固定，不建议改变。第（4）条中降低腕臂结构高度以后，虽然改善了平腕臂的受力状态，但是存在相邻锚段磨线、腕臂组之间顺线路方向安装空间不够的问题。

为了改善非工作支腕臂承力索座处的受力状态，笔者建议提高承力索的下锚高度。在导线张力组合21 kN + 30 kN、支柱跨距50 m、铝合金腕臂材质的前提下，图2中承力索的下锚高度为6 500 mm，为了得到比较明显的对比结果，以100 mm为一档，逐步提高承力索的下锚高度，利用有限元软件分析腕臂的受力状态及位移变形量，其结果见表1。

表1 不同承力索下锚高度时腕臂受力状态及位移变形数据表

由表1可以看出，逐步提高承力索的下锚高度，对D柱腕臂组中非工作支腕臂承力索座处的受力状态和平腕臂的位移变形有明显的改善。

4 结论与展望

作为接触网系统的重要组成部分，锚段关节是相邻锚段的衔接部分，其整体结构的受力及稳定性显得尤为重要。

本文选取我国高速铁路接触网常见的五跨非绝缘锚段关节，针对关节闭口侧非工作支腕臂的受力状态进行简单的有限元受力分析，提出了改善该腕臂受力状态的一些建议，后续工作还需要进一步的优化和总结。

[1] TB/T2075-2010电气化铁道接触网零部件[S]. 北京：中国铁道出版社.

[2] Kießling, Puschmann, Schmieder．电气化铁道接触网[M]．中铁电气化局集团译．北京：中国电力出版社，2004．

[3] 崔勇，任兴堂. TB/T2073-2003电气化铁道接触网零部件试验方法[S]. 北京：中国铁道出版社.

[4] 于万聚. 高速电气化铁路接触网[M]. 成都：西南交通大学出版社，2003.

[5] TB10621-2014高速铁路设计规范[S]. 北京：中国铁道出版社.

[6] TB10009-2005铁路电力牵引设计规范[S]. 北京：中国铁道出版社.

[7] 朱文予. 机械可靠性设计[M]. 上海：上海交通大学出版社.

[8] 刘永红. 铁路客运专线接触网系统工程技术的研究[D].成都：西南交通大学出版社.

[9] 曾攀.有限元分析基础教程[M]. 北京：清华大学出版社，2008.

[10] 于万聚. 接触网设计及检测原理[M]. 北京：中国铁道出版社.

The rationality of the overlapping section forming an integral part of the overhead contact system is very important. At present, the types of OCS overlapping sections for high speed railway in our country are mainly of four span/five span overlapping sections, and five span overlapping sections are usually adopted for high speed railway with speed of and higher than 300 km/h. The paper puts forward the optimized proposals on the basis of loading analysis of the finite component of five span overlapping section of OCS of high speed railway.

Finite element; overlapping section; loading analysis

U225.4

：B

：1007-936X(2016)01-0028-03

2015-03-11

魏博.铁道第三勘察设计院集团有限公司，工程师，电话：15122792995。