電氣化鐵路接觸網(wǎng)體系環(huán)境荷載下動(dòng)力可靠性研究.pdf

1、接觸網(wǎng)體系擔(dān)負(fù)著把從牽引變電所獲得的電能直接供給電力機(jī)車使用的重要任務(wù)，它的質(zhì)量和工作狀態(tài)將直接影響著電氣化鐵道的運(yùn)輸能力。因此要求接觸網(wǎng)無論在任何氣象條件下，都能處于良好的工作狀態(tài)，滿足電力機(jī)車安全、高速運(yùn)行的要求。接觸網(wǎng)是一種特殊形式的空間架空線結(jié)構(gòu)，具有高聳、跨度大，懸掛結(jié)構(gòu)與支持結(jié)構(gòu)在不同量級(jí)的動(dòng)力特性下的偶聯(lián)作用等特征。接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)在風(fēng)、沙以及懸掛結(jié)構(gòu)覆冰等隨機(jī)環(huán)境荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)復(fù)雜，敏感性強(qiáng)，具有高度的不確定性，是近幾年

2、接觸網(wǎng)故障頻發(fā)的主要原因。又因接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)線長點(diǎn)多無備用，一旦出現(xiàn)故障將導(dǎo)致列車停駛，嚴(yán)重影響著接觸網(wǎng)的安全可靠性，因此其安全問題已經(jīng)成為蘭新線鐵路電氣化改造的難點(diǎn)。由于南疆線、蘭新線電氣化改造需要，對(duì)環(huán)境荷載作用下的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系動(dòng)力響應(yīng)、穩(wěn)定性及可靠性等展開研究具有重要的理論意義及工程實(shí)用價(jià)值。
　　本文以蘭新線強(qiáng)風(fēng)地區(qū)某段接觸網(wǎng)為研究對(duì)象，針對(duì)風(fēng)、沙等環(huán)境荷載的隨機(jī)不確定性及接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有的高、大、細(xì)、長等柔性結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，從概

3、率和時(shí)域角度出發(fā)，在廣泛借鑒國內(nèi)外同行研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)環(huán)境致振、抗風(fēng)動(dòng)力穩(wěn)定性及抗風(fēng)動(dòng)力可靠性等相關(guān)問題進(jìn)行了研究。研究主要內(nèi)容包括以下幾方面：
　　1.分析了新疆強(qiáng)風(fēng)地區(qū)大風(fēng)的形成原因及大風(fēng)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，基于現(xiàn)有文獻(xiàn)資料獲得的數(shù)據(jù)分別采用最小誤差逼近方法和矩法獲得了蘭新線強(qiáng)風(fēng)地區(qū)平均風(fēng)速和年最大平均風(fēng)速的概率分布；根據(jù)新疆強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)和接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系的特征，在考慮風(fēng)荷載梯度剖面分布、湍流脈動(dòng)相關(guān)性、湍流強(qiáng)度和功率

4、譜密度的基礎(chǔ)上，采用諧波疊加法建立了基于davenport風(fēng)速譜的脈動(dòng)風(fēng)場數(shù)值模擬適合接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)場模擬簡化方法，并通過該模擬方法計(jì)算了接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同特征點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程，結(jié)果表明模擬的風(fēng)速時(shí)程的功率譜與目標(biāo)譜非常吻合，該模擬方法生成的脈動(dòng)風(fēng)場可以表征隨機(jī)風(fēng)場在時(shí)域上的隨機(jī)特性；為了描述風(fēng)沙的基本特性及其對(duì)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)合風(fēng)沙的自然屬性、荷載形成規(guī)律和接觸網(wǎng)體系的結(jié)構(gòu)特征采用CFD計(jì)算流體力學(xué)風(fēng)沙二相流數(shù)學(xué)模型分析了風(fēng)沙荷載對(duì)接觸網(wǎng)

5、結(jié)構(gòu)的影響。
　　2.考慮了接觸網(wǎng)支持結(jié)構(gòu)與懸掛結(jié)構(gòu)間的耦合作用、接觸線和承力索的垂度效應(yīng)和幾何非線性及支持結(jié)構(gòu)的材料非線性，借助有限元軟件ansys，建立了基于二維模型的三維接觸網(wǎng)體系精細(xì)化有限元模型。從風(fēng)荷載單獨(dú)作用到風(fēng)沙共同作用等不同角度分析了接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明：接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的固有頻率與獨(dú)立進(jìn)行支持結(jié)構(gòu)和懸掛結(jié)構(gòu)分析的固有頻率相比，支持結(jié)構(gòu)和懸掛結(jié)構(gòu)的固有頻率均略有減小，支持結(jié)構(gòu)與懸掛結(jié)構(gòu)的耦合作用十分顯著

6、，僅把承力索、接觸線等受到的荷載等效為靜力荷載加在支持結(jié)構(gòu)上，對(duì)于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是不合理的；隨著沙子體積比的增加，風(fēng)沙荷載對(duì)接觸網(wǎng)結(jié)結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)響應(yīng)量的影響逐漸加大，表明，沙子荷載對(duì)特征點(diǎn)響應(yīng)具有明顯的激勵(lì)貢獻(xiàn)。
　　3.針對(duì)接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于特征響應(yīng)點(diǎn)的風(fēng)振響應(yīng)時(shí)程，將動(dòng)態(tài)增量法引入到Budiansky-Roth穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則，提出了適合接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)動(dòng)力穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則，并基于該準(zhǔn)則分析比較了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)接觸網(wǎng)動(dòng)力穩(wěn)定性

7、的影響，結(jié)果表明：通過增加張力、減小跨距、降低接觸線高度和適當(dāng)增加吊線數(shù)能有效改善接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性。
　　4.在系統(tǒng)分析接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)在環(huán)境荷載作用下疲勞損傷發(fā)生、發(fā)展的原因和破壞機(jī)理的前提下，基于有限元應(yīng)力響應(yīng)時(shí)程、接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)環(huán)境荷載效應(yīng)的概率分布特性和疲勞損傷理論，建立了疲勞可靠度計(jì)算方法，并以接觸線為例，分析了結(jié)構(gòu)因素和環(huán)境因素對(duì)接觸線疲勞可靠性的影響程度；實(shí)例分析表明：接觸線的自重和冰荷載及沙荷載對(duì)接觸線的疲勞可靠度影響