穆云飞 黄志辉 夏朝国

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室 成都 610031)

作为中国基础设施中2个重要的组成部分，中国铁路网络和国家输电网络以较快的速度发展建设，2个庞大的网络纵横交错，架空输电线路横跨铁路的情况时有发生。根据《中华人民共和国铁路法(2015修订)》[1]第四十六条规定，在铁路线路上架设电力、通信线路，埋置电缆、管道设施，穿凿通过铁路路基的地下坑道，必须经铁路运输企业同意，并采取安全防护措施。

在铁路上方架设输电线路时，铁路两侧线塔之间的距离少则几十米，多则几百米，且架设的输电线距离铁路轨道及电网的垂向高度也在30 m以上。一旦在跨越轨道架设输电线路的过程中发生断线事故，输电线断线冲击在铁路电网或列车上，铁路运营安全将受到极大的挑战。所以，做好铁路运营的安全防护是非常有必要的[2]。以下对一款跨越轨道防护装备的新型铁路运营安全防护装置，使用ABAQUS有限元软件对输电线断线冲击其防护网的整个过程进行动态仿真计算，分析跨越轨道防护装备是否可以拦截下落的输电线断线，对铁路运营起到安全防护作用。

1 跨越轨道防护装备介绍

跨越轨道防护装备由2套功能相同的框架机构和中间的3张柔性防护网组成。每套框架机构由底座、回转盘、主塔、横梁、副塔驱动架及副塔等零部件组成；3张柔性防护网均位于2套框架结构中间，其中1张防护网张挂在2个横梁之间，1张防护网张挂在2个主塔之间，另外1张防护网张挂在2个副塔之间，水平位置和竖直位置防护网之间有空当。跨越轨道防护装备见图1。

图1 跨越轨道防护装备

夏朝国[3]对跨越轨道防护装备的框架结构进行了强度计算，计算结果表明其框架结构满足各工况的强度要求。分析输电线断线对防护网的冲击作用，计算防护网的强度，查看防护网是否满足各工况的强度要求，便可判断跨越轨道防护装备是否可以拦截下落的输电线断线，对铁路运营起到安全防护作用。

2 输电线及防护网

仿真计算采用的输电线是国内某横跨铁路的架空输电线路中的导线，架空输电线路中输电杆塔参数见表1，导线规格及力学性能参数见表2[4]。

表1 输电线杆塔参数

表2 导线规格及力学性能参数

防护网是由直径8 mm的进口迪尼玛绳编织、多个0.5 m×0.5 m的正方形网格组成的柔性网。跨越轨道防护装备共包含3张防护网，水平张挂在2个横梁之间的防护网长和宽均为18 m，其工作高度为距离地面16 m；另外2张防护网大小相同，长、宽分别为18 m、10 m，分别竖直张挂在2个主塔之间和2个副塔之间。其中，2张防护网的工作高度均为防护网中心距离地面10 m，两者之间相距19 m。迪尼玛绳是一种采用凝胶纺丝方法生产的超强聚乙烯纤维，其力学性能参数见表3。

表3 迪尼玛绳力学性能参数

3 输电线断线冲击防护网理论分析

在输电线发生断线事故，防护网拦截输电线断线过程中，输电线断线冲击防护网使其变形下凹，输电线断线的动能全部转化为防护网的弹性势能和输电线断线与防护网之间摩擦产生的热能[5]。随后，防护网恢复原状，将其部分弹性势能转化为输电线断线的动能和输电线断线与防护网之间摩擦产生的热能；输电线断线继续向上运动，离开防护网。输电线断线向上运动至最高点后再次下落冲击防护网，并重复上述过程，直到输电线断线完全离开防护网或静止停留在防护网上。

输电线断线冲击防护网时，两者形成动态接触并存在接触力，采用动力学分析，其平衡方程见式(1)、(2)。

(1)

(2)

4 输电线断线冲击防护网仿真计算

4.1 输电线和防护网有限元模型的建立

在ABAQUS软件中建立输电线和3张防护网的实体模型，并使用不同大小的T3D2杆单元分别对2个模型进行离散。输电线有限元模型单元大小为0.5 m，共有200个单元。输电线有限元模型采用Rayleigh阻尼假设，阻尼比取0.02。防护网有限元模型单元大小为0.125 m，共有19 891个节点，10 656个单元。在防护网拦截输电线断线的过程中，输电线断线冲击速度大，防护网变形时间短，迪尼玛绳拉伸速率大。由于迪尼玛绳的聚乙烯材料特性，防护网采用线弹性材料变形模拟[7]。

由于输电线断线可能与地面接触，故选择无需划分网格便可进行有限元计算的解析刚性面来模拟地面。输电线、防护网及地面有限元模型见图2。

图2 输电线、防护网及地面有限元模型

4.2 有限元模型约束、载荷及接触设置

在输电线两端和3张防护网两侧分别与横梁、主塔及副塔相连的网格结点处约束3个方向的平动自由度，在模拟地面的刚性面添加参考点并施加完全固定约束。在整个仿真计算过程中，输电线断线在自身重力作用下掉落；故对输电线有限元模型施加重力加速度g作为载荷，其中g取9.81 m/s2。有限元模型约束和载荷施加位置示意见图3。

图3 有限元模型约束和载荷施加位置示意图

输电线断线与防护网及输电线断线与地面之间的接触属性，在法向行为上通过硬接触模拟，在切向行为上通过库仑摩擦模型模拟，采用罚函数方法计算[8]。假定输电线断线与地面接触后动能被完全吸收，两者接触部分不再分开[9]。输电线断线与防护网之间的摩擦系数为0.12，输电线断线与地面之间的摩擦系数按照输电线在沙土中移动的摩擦系数取值为1.5[10]。输电线断线与防护网之间的接触采用通用接触模拟，输电线断线与地面之间的接触采用表面与表面接触模拟；最终对2种接触分别赋予对应的接触属性。

4.3 有限元计算步骤及计算工况说明

在ABAQUS软件中对输电线断线冲击防护网进行仿真计算，采用以下步骤。

1) 通过静力分析得到在自身重力作用下平衡状态的输电线和各单元应力。

2) 在新的动力学分析中建立防护网及地面有限元模型，并导入平衡状态的输电线有限元模型和各单元应力。动力学分析采用自动时间步长控制，总的时间长度为10 s。

3) 设置输电线、防护网及地面有限元模型的约束、载荷及接触。

4) 删除输电线中断线位置的杆单元，提交作业进行仿真计算。

考虑到输电线断线位置的不确定性和极限情况，为简化计算工况，选取了端部悬挂点、中间位置处和3/4位置处3个典型的输电线断线位置。分别计算3个工况下，输电线断线对防护网的冲击作用结果。

4.4 有限元模型计算结果

断线位置分别在输电线端部悬挂点、中间位置处、3/4位置处时，求解有限元模型各节点动态变化的应力，并利用后处理功能查看计算结果。3个工况防护网最大应力随时间变化图见图4；3个工况防护网在最大应力时刻的应力云图见图5。

图4 3个工况防护网最大应力随时间变化图

图5 防护网在最大应力时刻的应力云图(单位：Pa)

由有限元计算结果可知，防护网最大应力出现在第3工况，输电线断线后2.13 s，位于输电线断线端部与竖直位置防护网中间迪尼玛绳接触位置附近。防护网最大应力235.0 MPa，小于8 mm迪尼玛绳破断应力1 193.7 MPa，安全系数为5.08，防护网满足强度要求。

分析有限元计算结果发现，输电线断线位置不同，导致防护网所受冲击作用不同，防护网最大应力与输电线断线位置有直接关系。对比上述3个输电线断线位置的防护网最大应力，由输电线断线位置的不确定性可知，防护网最大应力出现在输电线断线端部冲击竖直位置防护网的工况。

通过动能定理可知，不同断线位置的输电线断线在冲击防护网的过程中，其端部越接近竖直位置防护网底部，输电线断线对竖直位置防护网的冲击作用越大，竖直位置防护网应力也越大。因此，需找到某一断线位置，输电线断线在冲击防护网的过程中，其端部与竖直位置防护网底部迪尼玛绳接触。此工况下输电线断线对竖直位置防护网的冲击作用最大，竖直位置防护网应力也最大。计算此工况下防护网最大应力，判断防护网是否满足强度要求。

4.5 新断线位置工况下有限元计算结果

断线位置在输电线79 m位置处时，输电线断线在冲击防护网的过程中，其端部与竖直位置防护网底部迪尼玛绳接触。求解有限元模型各节点动态变化的应力，并利用后处理功能查看计算结果。防护网最大应力随时间变化图见图6；防护网在最大应力时刻的应力云图见图7。

图6 防护网最大应力随时间变化图

图7 防护网在最大应力时刻的应力云图(单位：Pa)

由图7可知，防护网最大应力出现在输电线断线后2.37 s，位于输电线断线端部与竖直位置防护网底部迪尼玛绳接触位置附近。防护网最大应力295.2 MPa，小于8 mm迪尼玛绳破断应力1 193.7 MPa，安全系数为4.04，防护网满足强度要求。

通过计算不同断线位置的输电线断线运动轨迹，分析防护网动态变化的应力，发现存在另一断线位置，输电线断线在冲击防护网的过程中，其端部略超出水平位置防护网最外侧迪尼玛绳，可穿过水平位置和竖直位置防护网之间的空当。此工况下输电线断线对水平位置防护网的冲击作用最大，水平位置防护网应力也最大。计算此工况下防护网最大应力，判断防护网是否满足强度要求。

断线位置在输电线65 m位置处时，输电线断线在冲击防护网的过程中，其端部略超出水平位置防护网最外侧迪尼玛绳，可穿过水平位置和竖直位置防护网之间的空当。求解有限元模型各节点动态变化的应力，并利用后处理功能查看计算结果。防护网最大应力随时间变化图见图8；防护网在最大应力时刻的应力云图见图9。

图8 防护网最大应力随时间变化图

图9 防护网在最大应力时刻的应力云图(单位：Pa)

由图9可知，防护网最大应力出现在输电线断线后1.86 s，位于输电线断线与水平位置防护网最外侧迪尼玛绳接触位置附近。防护网最大应力400.3 MPa，小于8 mm迪尼玛绳破断应力1 193.7 MPa，安全系数为2.98，防护网满足强度要求。由上述2个工况的有限元计算结果可知，跨越轨道防护装备成功地拦截下落的输电线断线，对铁路运营起到了安全防护作用。

5 结语

1) 横跨铁路的架空输电线路在施工过程中发生断线事故，导致输电线断线冲击防护网时，防护网满足强度要求，跨越轨道防护装备成功地拦截下落的输电线断线，对铁路运营起到了安全防护作用。

2) 输电线断线位置不同，导致防护网所受冲击作用不同。存在某一断线位置，输电线断线在冲击防护网的过程中，其端部略超出水平位置防护网最外侧迪尼玛绳，可穿过水平位置和竖直位置防护网之间的空当。此工况下输电线断线对防护网的冲击作用最大，防护网应力也最大。

3) 由于架空输电线路多种多样，在输电线断线冲击防护网的仿真计算过程中进行了简化处理，未考虑风载、多根输电线同时断裂等因素，后续还需进一步分析上述因素对输电线断线冲击防护网的影响。