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

1、接觸網(wǎng)體系擔負著把從牽引變電所獲得的電能直接供給電力機車使用的重要任務，它的質(zhì)量和工作狀態(tài)將直接影響著電氣化鐵道的運輸能力。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)，滿足電力機車安全、高速運行的要求。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)在不同量級的動力特性下的偶聯(lián)作用等特征。接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)在風、沙以及懸掛結(jié)構(gòu)覆冰等隨機環(huán)境荷載作用下的動力響應復雜，敏感性強，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)線長點多無備用，一旦出現(xiàn)故障將導致列車停駛，嚴重影響著接觸網(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。由于南疆線、蘭新線電氣化改造需要，對環(huán)境荷載作用下的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系動力響應、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用價值。
　　本文以蘭新線強風地區(qū)某段接觸網(wǎng)為研究對象，針對風、沙等環(huán)境荷載的隨機不確定性及接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有的高、大、細、長等柔性結(jié)構(gòu)的特點，從概

3、率和時域角度出發(fā)，在廣泛借鑒國內(nèi)外同行研究成果的基礎(chǔ)上，對接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)環(huán)境致振、抗風動力穩(wěn)定性及抗風動力可靠性等相關(guān)問題進行了研究。研究主要內(nèi)容包括以下幾方面：
　　1.分析了新疆強風地區(qū)大風的形成原因及大風統(tǒng)計規(guī)律，基于現(xiàn)有文獻資料獲得的數(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風地區(qū)平均風速和年最大平均風速的概率分布；根據(jù)新疆強風地區(qū)的環(huán)境特點和接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系的特征，在考慮風荷載梯度剖面分布、湍流脈動相關(guān)性、湍流強度和功率

4、譜密度的基礎(chǔ)上，采用諧波疊加法建立了基于davenport風速譜的脈動風場數(shù)值模擬適合接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的風場模擬簡化方法，并通過該模擬方法計算了接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)不同特征點的風速時程，結(jié)果表明模擬的風速時程的功率譜與目標譜非常吻合，該模擬方法生成的脈動風場可以表征隨機風場在時域上的隨機特性；為了描述風沙的基本特性及其對接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)合風沙的自然屬性、荷載形成規(guī)律和接觸網(wǎng)體系的結(jié)構(gòu)特征采用CFD計算流體力學風沙二相流數(shù)學模型分析了風沙荷載對接觸網(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)體系精細化有限元模型。從風荷載單獨作用到風沙共同作用等不同角度分析了接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系的動力響應規(guī)律，結(jié)果表明：接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的固有頻率與獨立進行支持結(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，對于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計是不合理的；隨著沙子體積比的增加，風沙荷載對接觸網(wǎng)結(jié)結(jié)構(gòu)特征點響應量的影響逐漸加大，表明，沙子荷載對特征點響應具有明顯的激勵貢獻。
　　3.針對接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點，基于特征響應點的風振響應時程，將動態(tài)增量法引入到Budiansky-Roth穩(wěn)定性判定準則，提出了適合接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的抗風動力穩(wěn)定性判定準則，并基于該準則分析比較了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對接觸網(wǎng)動力穩(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增加吊線數(shù)能有效改善接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)的抗風穩(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)展的原因和破壞機理的前提下，基于有限元應力響應時程、接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)環(huán)境荷載效應的概率分布特性和疲勞損傷理論，建立了疲勞可靠度計算方法，并以接觸線為例，分析了結(jié)構(gòu)因素和環(huán)境因素對接觸線疲勞可靠性的影響程度；實例分析表明：接觸線的自重和冰荷載及沙荷載對接觸線的疲勞可靠度影響