城市轨道交通牵引供电接触轨系统温度应力有限元分析

张桂林肖伟强

城市轨道交通牵引供电接触轨系统温度应力有限元分析

张桂林1肖伟强2

（1.郑州铁路职业技术学院，451200，郑州；2.广州市地下铁道总公司，510320，广州//第一作者，讲师）

温度变化时接触轨内部会产生巨大的温度应力，严重时甚至会危及城市轨道交通牵引供电安全。结合目前应用较广泛的钢铝复合接触轨，基于有限单元法，采用三维软件SOLIDWORKS建模，并在有限元软件AnsysWorkbench中对接触轨模型的温度应力进行了模拟分析。该模型考虑了卡爪、尼龙垫块及支座等构件的束缚影响，采用边界条件控制环境的温度变化，得到了接触轨内部温度应力场云图，并分析了此温度应力对绝缘支座的影响。研究结果可为接触轨系统中各构件的设计、优化、安装及检修提供参考。

牵引供电接触轨系统；温度应力；有限元分析

First-author′s addressZhengzhou Railway Vocational& Technical College，451200，Zhengzhou，China

城市轨道交通牵引供电接触轨是将标准长度的接触轨通过中间接头连接成一定长度的锚段，并使用支架等构件作为支撑铺设到轨道线路侧面某空间位置上（一般敷设在列车的侧下方）。接触轨锚段中部的支架处需设置中心锚结以防止其在自身重力、列车集电靴摩擦力等力的作用下发生蹿动爬行。两个中心锚结间设置温度膨胀接头，使两个中心锚结间的接触轨能够自由爬行。由于支座等构件的摩擦束缚及线路曲线的影响，接触轨不能自由热胀冷缩。如果两个中心锚结间的接触轨不能自由爬行，环境温度发生变化时，就会在其内部产生极大的温度应力，进而影响接触轨系统运行的稳定性和安全性。此时产生的较大的温度应力亦有可能会超过接触轨系统构件的允许应力，甚至会使接触轨系统的接触轨支座等构件发生变形、毁损。因此需要对接触轨支座提出更高的强度要求。

本文在借鉴铁路无缝线路臌曲理论的基础上［1-3］，采用专业有限元分析软件AnsysWorkbench对钢铝复合接触轨温度应力进行有限元分析，为牵引供电接触轨系统的设计与优化提供参考。

1 基于三维软件的接触轨有限元模型

1.1接触轨系统组成

如图1所示，接触轨系统主要由接触轨、绝缘支架、支撑卡、卡爪、连接螺栓、尼龙垫块、防护罩、鱼尾板、电缆连接板及膨胀接头等组成［4-5］，其中接触轨为其主要部件。目前，钢铝复合接触轨应用较为广泛，该接触轨由高导电性铝型材作为导电主体，且以不锈钢作为接触轨的顶部耐磨表面。

1.2接触轨模型建立

采用三维建模软件Solidworks建立接触轨模型，并将此模型导入有限元软件AnsysWorkbench中进行有限元分析。

图1 接触轨系统组成

理想状况下，接触轨在绝缘支架、卡爪及尼龙垫块等支撑结构处的边界条件为：在接触轨中心锚结锚固处约束纵向线位移，其余支撑支点处无纵向位移约束，同时释放绕水平横轴的旋转约束。实际运用中，因接触轨铝合金本体与尼龙垫块间受到摩擦约束及线路曲线等影响，接触轨不能自由热胀冷缩而卡滞，即接触轨的纵向位移会受到一定约束。考虑到接触轨卡滞发生的位置、数量以及卡滞程度的不确定性，以及简化接触轨模型的需要，仅建立临近接触轨中心锚结所在处的2个跨距的接触轨模型（隧道外接触轨锚段长度为75m），并通过改变温度、摩擦系数等参数来模拟分析接触轨处于不同卡滞状态下的温度应力。接触轨模型如图2所示，左侧支架为支架1，右侧支架为支架2，中间中心锚结处支架为支架0。

图2 接触轨模型（跨距为4.2m）

本文主要研究钢铝复合接触轨内部温度应力的变化。接触轨模型的材料力学参数如表1所示。绝缘支座、卡爪等部件主要限制接触轨的自由度，故在模型中将绝缘支座、卡爪的连接螺栓等进行了相应的简化。

表1 接触轨模型的材料力学参数

2 基于有限元软件的温度应力分析

2.1温度应力分析过程

接触轨系统可使用于地下、地面及高架线路。接触轨系统安装于地下隧道内时，因其环境温度变化幅度小于地面线和高架线，相应的接触轨温度应力变化也较小，故仅需分析地面线及高架线的接触轨温度应力。此外，考虑到接触轨轨温降低至极限最低温度与轨温升高至极限最高温度类似，故本文仅分析接触轨升温的情况。结合国内外接触轨设计对温度变化的要求，其温度应力分析过程可分为以下几步：

（1）建立接触轨模型初始温度场，取初始温度为22℃。

（2）模拟轨温上升至极限最高温度。国内外接触轨设计中，接触轨的允许最高温度范围为70～85℃。本文取80℃为最高轨温进行分析，并输出最高轨温时接触轨的温度应力值（热胀）。

（3）通过改变接触轨铝合金本体与尼龙垫块间接触面的摩擦系数，模拟不同卡滞状态时的温度应力变化。

2.2温度应力结果分析

本文对取自接触轨中心锚结所在处的一个跨距接触轨部分采用有限元方法得到的结果进行分析。处于正常运行状态（即接触轨铝合金本体与尼龙垫块间的摩擦系数取＜0.2）时的接触轨在最高轨温下的温度应力如图3所示。此时，接触轨中心锚结两侧约束情况近乎相同，非中心锚结位置的接触轨在垫块支撑下可自由伸缩。接触轨温度应力最大处主要集中在中心锚结位置附近，应力集中区域沿着卡爪与铝合金本体接触面向两侧逐渐对称减小，且此应力是由锚固块与卡爪间的接触引起的。非中心锚结绝缘支架处的温度应力接近于0。故正常运行状态下接触轨的温度应力并不会对接触轨系统的运行造成危害。

图3 正常运行状态时接触轨中心锚结处最高轨温温度应力图

在实际运用中，考虑到接触轨铝合金本体与卡爪间的安装误差以及检调不到位、紧固形变、曲线等因素带来的影响，接触轨中心锚结的某一侧一处或多处的纵向位移会受到一定约束，即环境温度变化时接触轨的自由伸缩将受到限制。当接触轨系统中一处或多处接触轨的热胀冷缩受到约束，甚至达到卡滞程度时，温度应力（温度升高对应压应力，温度下降对应拉应力）最终将施加到整个接触轨锚段中唯一完全锚固的绝缘支架──中心锚结所在的绝缘支架上，导致此处整体绝缘支架发生扭曲偏斜，严重时甚至会断裂。在有限元软件AnsysWorkbench中，通过改变尼龙垫块与接触轨间接触面的摩擦系数，来模拟该种情况下的接触轨温度应力情况。分析中，取摩擦系数为2.0（本文取较大摩擦系数是为了模拟接触轨支架、卡爪及尼龙垫块等结构对接触轨铝合金本体的约束和卡滞程度的不同），并设定在模型左侧绝缘支架1处，其它绝缘支架处维持原正常运行值不变，此时接触轨的温度应力如图4所示。

图4有较大摩擦且最高轨温时的接触轨温度应力图

图4 a）为中心锚结处接触轨系统温度应力，与图3比较，此时卡爪两侧的温度应力不再对称，卡滞一侧的温度应力较小，非卡滞一侧的温度应力较大；图4 b）为处于卡滞位置处接触轨的温度应力。由图4可知此时最大应力出现在中心锚结支架处的卡爪上，达到160.22MPa。

接触轨系统中最关键的是接触轨纵向温度应力。最高轨温时接触轨系统横向、垂向、纵向温度应力分布见图5、图6。由图5、图6可以看出，支架0和支架1处横向和垂向温度应力的最大值和最小值基本相等，少许差值是由于网格划分不够精细造成的。支架0处纵向温度应力的最大值和最小值相差较大，对接触轨系统影响最大。

环境温度变化的同时，伴随着接触轨一处或多处卡滞情况（近似对应于不同的摩擦系数）的出现，接触轨单侧的温度应力开始逐渐增大，最终达到绝缘支架的屈服强度时，可将绝缘支架拉偏甚至毁损。这与文献［6］中“接触轨下接触式整体绝缘支架在国内地铁线路运用中运行较稳定，未出现大的安全事故，但在多条线路中接触轨中心锚结发生偏斜、中心锚结处整体绝缘支架出现过扭曲现象”的结论是吻合的。

3 结语

接触轨系统绝缘支架在城市轨道交通牵引供电中运行安全稳定、故障率低，在国内多条地铁线路中被采用。本文在考虑绝缘支架、卡爪及尼龙垫块等结构摩擦束缚及线路曲线影响的基础上，建立了钢铝复合接触轨系统的有限元模型。同时基于接触轨系统温度变化、不同卡滞程度等情况得到对应的接触轨温度应力分布模型图。通过进一步分析接触轨的温度应力分布图，得到了接触轨系统在温度变化时系统内各结构的受压、受拉应力部位。通过有限元分析可得：温度变化时接触轨内部最大应力为纵向温度应力，此应力过大时会对接触轨系统运行安全造成影响。本文可为进一步研究接触轨及绝缘支架的温度应力和强度分析作参考，同时可为接触轨系统中各部件的设计、优化、安装和检修提供参考。

图5 支架0处的切向、垂向、纵向温度应力

图6 支架1处的横向、垂向、纵向温度应力

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Finite Element Analysis on Tem perature Stress in Contact RailSystem for Urban Rail Transit Traction Power Supp ly

ZHANG Guilin，XIAOWeiqiang

The temperature stress inside contact rail system may damage the system when the temperature changes，and in themost serious condition，itw ill threat the safety of rail transit traction power supply.According to the w idely used steel/alum inum composite contact rail，a 3D SOLIDWORKSmodel is established on the basis of finite elementmethod，and a simulation analysis of the temperature stress inside contact rail system is conducted by using the finite element AnsysWorkbench software.Then，the influence of temperature stress on insulated bearings is analyzed according to the cloud image of stress field obtained from temperature changes in the boundary condition control environment.The research results can provide a reference for the design，optimization,installation and maintenance of the components in contact rail system.

traction power supply contact rail system；temperature stress；finite element analysis

TM 922.6

10.16037/j.1007-869x.2017.07.025

2016-06-22）