强台风环境下接触网腕臂结构改进探索

接触网腕臂结构主要由平腕臂、斜腕臂、定位管等构成，在风荷载、机车弓载、自重、线材重量等荷载作用下应处于平衡状态，可以此为基础建立计算模型。

平腕臂、斜腕臂、定位管均为薄壁管，采用壳单元进行模拟，管的端部采用板单元封堵；绝缘子则采用三维实体单元模拟；连接板采用普通板单元模拟；钢绳采用杆单元模拟；而套管抱箍与腕臂管为紧配合，其配合区可视为一体，形成局部区域内的厚壁管；绝缘子与腕臂近似假定为直接连接。

结合海南环岛铁路具体情况以及风荷载输入参数研究，接触网腕臂结构风荷载主要考虑了极限风速（55 m/s）、标准风速（37 m/s）两种。作用于接触网腕臂结构的所有荷载可归纳为8组力：线材重量Gx、结构自重Gh、承力索风力Fvc、接触线风力Fvj、承力索下锚水平分力Fmc、接触线下锚水平分力Fmj、承力索曲线力Frc和接触线曲线力Frj。对每一种风速，结合直线与曲线通过时作用力大小的不同，根据水平力作用方向的不同，可以组合成4组工况，具体组合见各接触网支柱结构分析。

为了全面分析目前采用的接触网腕臂结构在强台风作用下的力学性能，本次选取11种接触网腕臂结构形式（A～F型为整体腕臂形成，G～K型为三角腕臂形式），在极限风速和标准风速条件下采用有限元建模，施加上述4组工况荷载后，进行有限元模型，分析结果如下：

1.A型接触网腕臂结构

（1）计算模型见图7.1-15。

图7.1-15　A型接触网支柱结构有限元网格

（2）计算结果见图7.1-16、图7.1-17。

图7.1-16　A型接触网支柱结构工况Ⅰ的垂向变形

图7.1-17　A型接触网支柱结构工况Ⅰ的等效应力

从图中可看出：A 型接触网腕臂结构在极限风速（55 m/s）下，臂管内的最大垂向变形为 5.6 mm，最大等效应力为 129 MPa，远低于材料的屈服强度（235 MPa），满足变形和强度指标；连接板有最大等效应力 198 MPa，位于斜腕臂与连接平腕臂的连接杆之间的连接区；绝缘子的最大应力位于与腕臂的连接区。

2.B型接触网腕臂结构

（1）计算模型见图7.1-18。

图7.1-18　B型接触网支柱结构的有限元网格

（2）计算结果见图7.1-19、图7.1-20。

图7.1-19　B型接触网支柱结构工况Ⅱ的垂向变形

图7.1-20　B型接触网支柱结构工况Ⅰ的等效应力

B 型接触网腕臂结构在极限风速（55 m/s）下，臂管内的最大垂向变形为－29.3 mm，最大等效应力为 185 MPa，低于材料的屈服强度（235 MPa），满足强度指标；连接板有最大等效应力 188 MPa，位于平腕臂与定位管的连接区；绝缘子的最大应力位于与腕臂的连接区。

3.C型接触网腕臂结构

（1）计算模型见图7.1-21。

图7.1-21　C型接触网支柱结构的有限元网格

（2）计算结果见图7.1-22、图7.1-23。

图7.1-22　C型接触网支柱结构工况Ⅱ的垂向变形

图7.1-23　C型接触网支柱结构工况Ⅱ的等效应力图

C 型接触网腕臂结构在极限风速（55 m/s）下，臂管内的最大垂向变形为－22.6 mm，最大等效应力为 296 MPa，高于材料的屈服强度（235 MPa），不满足变形、强度指标；连接板处最大等效应力 196 MPa，位于加载板与定位管的连接区；绝缘子的最大应力位于与腕臂的连接区。而风速 37 m/s 下的最大垂向变形和等效应力有显著下降，臂管内的最大垂向变形为－17.3 mm，定位管表面局部区的最大等效应力为 223 MPa，低于材料的屈服强度（235 MPa），连接板最大等效应力为147 MPa，位置基本无差异。

当风速 55 m/s 台风解除后材料进入屈服状态，结构不能恢复原状，原有性能将改变；而风速 37 m/s 台风解除后结构将恢复原状，原有性能维持不变。

4.D型接触网腕臂结构

（1）计算模型见图7.1-24。

图7.1-24　D型接触网支柱结构的有限元网格

（2）计算结果见图7.1-25、图7.1-26。

图7.1-25　D型接触网支柱结构工况Ⅰ的垂向变形

图7.1-26　D型接触网支柱结构工况Ⅰ的等效应力

D型接触网支柱结构在极限风速（55 m/s）下的最大垂向变形为－12.1 mm，定位管表面局部区的最大等效应力为 213 MPa，低于材料的屈服强度（235 MPa）；连接板有最大等效应力 315 MPa，位于加载板与定位管的连接区；绝缘子的最大应力位于与腕臂的连接区。而风速 37 m/s 下的最大垂向变形和等效应力有显著下降，最大垂向变形为－10.1 mm，最大等效应力为 161 MPa，满足变形、强度指标；连接板有最大等效应力277 MPa。

5.E型接触网腕臂结构

（1）计算模型见图7.1-27。

图7.1-27　E型接触网支柱结构的有限元网格

（2）计算结果见图7.1-28、图7.1-29。

图7.1-28　E型接触网支柱结构工况Ⅱ的垂向变形

图7.1-29　E型接触网支柱结构工况Ⅱ的等效应力

E 型接触网腕臂结构在极限风速（55 m/s）下的最大垂向变形为－6.9 mm，最大等效应力为 151 MPa，低于材料的屈服强度（235 MPa），满足变形、强度指标；连接板有最大等效应力 111 MPa，位于加载板与定位管的连接区；绝缘子的最大应力位于与腕臂的连接区。而风速 37 m/s 下的最大垂向变形和等效应力有显著下降，但位置基本无差异。

6.F型接触网腕臂结构

（1）计算模型见图7.1-30。

图7.1-30　F型接触网支柱结构的有限元网格

（2）计算结果见图7.1-31、图7.1-32。

图7.1-31　F型接触网支柱结构工况Ⅰ的垂向变形

图7.1-32　F型接触网支柱结构工况Ⅰ的等效应力

F 型接触网支柱结构在极限风速（55 m/s）下的最大垂向变形为－4.74 mm，最大等效应力为 111 MPa，低于材料的屈服强度（235 MPa），满足变形、强度指标；连接板有最大等效应力 154 MPa，位于加载板与定位管的连接区；绝缘子的最大应力位于与腕臂的连接区。(www.xing528.com)

7.G型接触网腕臂结构

（1）计算模型见图7.1-33。

图7.1-33　G型接触网支柱结构的有限元网格

（2）计算结果见图7.1-34、图7.1-35。

图7.1-34　G型接触网支柱结构工况Ⅱ的垂向变形

图7.1-35　G型接触网支柱结构工况Ⅱ的等效应力

G 型接触网支柱结构在极限风速（55 m/s）下的最大垂向变形为－2.54 mm，最大等效应力为 88 MPa，低于材料的屈服强度（235 MPa），满足变形、强度指标；连接板有最大等效应力 97.5 MPa，位于加载板与定位管的连接区；绝缘子的最大应力位于与腕臂的连接区。当风载解除、车辆通过后结构恢复原状，原有性能不改变。

由于加载杆与定位管的连接为单方向铰连接形式，即：接触线传递的力的方向指向立柱方向时，为铰连接，可转动，不传递弯矩；而接触线传递的力的方向背向立柱方向时，加载杆不能转动，加载杆内将产生较大的弯曲应力，达到 652 MPa，已明显超过材料的屈服强度。

8.H型接触网腕臂结构

（1）计算模型见图7.1-36。

图7.1-36　H型接触网支柱结构的有限元网格

（2）计算结果见图7.1-37、图7.1-38。

图7.1-37　H型接触网支柱结构工况Ⅰ的垂向变形

图7.1-38　H型接触网支柱结构工况Ⅰ的等效应力

H型接触网支柱结构在极限风速（55 m/s）下的最大垂向变形为－4.01 mm，最大等效应力为 96.9 MPa，低于材料的屈服强度（235 MPa），满足变形、强度指标；连接板有最大等效应力 195 MPa，位于支撑管与斜腕臂的连接区；绝缘子的最大应力位于与腕臂的连接区。当风载解除、车辆通过后结构恢复原状，原有性能不改变。

由于加载杆与定位管的连接为单方向铰连接形式，即：接触线传递的力的方向背向立柱方向时，为铰连接，可转动，不传递弯矩；而接触线传递的力的方向指向立柱方向时，加载杆不能转动，加载杆内将产生较大的弯曲应力，达到407 MPa，已明显超过材料的屈服强度。

9.I型接触网腕臂结构

（1）计算模型见图7.1-39。

图7.1-39　Ⅰ型接触网支柱结构的有限元网格

（2）计算结果见图7.1-40、图7.1-41。

图7.1-40　I型接触网支柱结构工况Ⅰ的垂向变形

图7.1-41　I型接触网支柱结构工况Ⅰ的等效应力

I型接触网支柱结构在极限风速（55 m/s）下的最大垂向变形为 2.93 mm，最大等效应力为 129 MPa，低于材料的屈服强度（235 MPa），满足变形、强度指标；连接板有最大等效应力 126 MPa，位于加载板与定位管的连接区；绝缘子的最大应力位于与腕臂的连接区。

10.J型接触网腕臂结构

（1）计算模型见图7.1-42。

图7.1-42　J型接触网支柱结构的有限元网格

（2）计算结果见图7.1-43、图7.1-44。

图7.1-43　J型接触网支柱结构工况Ⅰ的垂向变形

图7.1-44　J型接触网支柱结构工况Ⅰ的等效应力

J型接触网支柱结构在极限风速（55 m/s）下的最大垂向变形为－39.9 mm，最大等效应力为 207 MPa，低于材料的屈服强度（235 MPa），满足强度指标，但结构变形较大，刚度较低，结构的稳定性较差；连接板有最大等效应力 148 MPa，位于斜腕臂与定位管的连接区；绝缘子的最大应力位于与腕臂的连接区。

11.K型接触网腕臂结构

（1）计算模型见图7.1-45。

图7.1-45　K型接触网支柱结构的有限元网格

（2）计算结果见图7.1-46、图7.1-47。

图7.1-46　K型接触网支柱结构工况Ⅱ的垂向变形

图7.1-47　K型接触网支柱结构工况Ⅱ的等效应力

K 型接触网支柱结构在极限风速（55 m/s）下的最大垂向变形为－23.8 mm，最大等效应力为 271 MPa，高于材料的屈服强度（235 MPa），不满足变形、强度指标；连接板有最大等效应力 373 MPa，位于斜腕臂与定位管的连接区；绝缘子的最大应力位于与腕臂的连接区。

通过上述 11 种接触网支柱结构在极限风速和常见风速条件下的有限元计算，给出了平腕臂、斜腕臂、定位管、连接板、绝缘子等主要安装零件的变形、应力的最大值，如表 7.1-7所示。

表7.1-7　A～K型接触网腕臂结构应力变形

续表

12.结论

（1）强度和刚度的计算结果表明：A～F型接触网支柱结构的性能普遍优于G～K型接触网支柱结构。A～F型结构在相同工况下应力相对较小，刚度较大，在给定风载和曲线通过荷载环境下，可作为优选结构。

（2）G、H、K型接触网支柱结构内部的应力均较高，实际应力均高于屈服强度；J型结构的挠度较大、刚度较低，仅I型结构能满足强度和刚度要求，但是由于导线柔软引起变形过大，这类结构的刚度较低，容易导致结构不稳定，将影响其循环使用。

（3）结构分析数据表明，定位管内的应力普遍较大，接触网支柱结构的材料可作适当改进：定位管可选用Q345钢，而平腕臂、斜腕臂则选用Q235钢。在保证结构的强度、刚度条件下，可以降低产品成本。

（4）根据接触网支柱结构的循环受载特性，结构的变形将经历周期性的变化，材料会在这种低于塑性屈服强度的循环应力作用下出现损伤累积破坏，可以进一步深入研究结构的疲劳特性，以提高结构的安全可靠性。

综上，在沿海强台风环境下腕臂结构推荐采用受力相对较小、刚度较大的整体式腕臂形式，其抗风性能更好，整体成型、连接件少，后期运营维护量少。