穆云飛 黃志輝 夏朝國(guó)

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031)

作為中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施中2個(gè)重要的組成部分，中國(guó)鐵路網(wǎng)絡(luò)和國(guó)家輸電網(wǎng)絡(luò)以較快的速度發(fā)展建設(shè)，2個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)縱橫交錯(cuò)，架空輸電線路橫跨鐵路的情況時(shí)有發(fā)生。根據(jù)《中華人民共和國(guó)鐵路法(2015修訂)》[1]第四十六條規(guī)定，在鐵路線路上架設(shè)電力、通信線路，埋置電纜、管道設(shè)施，穿鑿?fù)ㄟ^(guò)鐵路路基的地下坑道，必須經(jīng)鐵路運(yùn)輸企業(yè)同意，并采取安全防護(hù)措施。

在鐵路上方架設(shè)輸電線路時(shí)，鐵路兩側(cè)線塔之間的距離少則幾十米，多則幾百米，且架設(shè)的輸電線距離鐵路軌道及電網(wǎng)的垂向高度也在30 m以上。一旦在跨越軌道架設(shè)輸電線路的過(guò)程中發(fā)生斷線事故，輸電線斷線沖擊在鐵路電網(wǎng)或列車上，鐵路運(yùn)營(yíng)安全將受到極大的挑戰(zhàn)。所以，做好鐵路運(yùn)營(yíng)的安全防護(hù)是非常有必要的[2]。以下對(duì)一款跨越軌道防護(hù)裝備的新型鐵路運(yùn)營(yíng)安全防護(hù)裝置，使用ABAQUS有限元軟件對(duì)輸電線斷線沖擊其防護(hù)網(wǎng)的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算，分析跨越軌道防護(hù)裝備是否可以攔截下落的輸電線斷線，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)起到安全防護(hù)作用。

1 跨越軌道防護(hù)裝備介紹

跨越軌道防護(hù)裝備由2套功能相同的框架機(jī)構(gòu)和中間的3張柔性防護(hù)網(wǎng)組成。每套框架機(jī)構(gòu)由底座、回轉(zhuǎn)盤、主塔、橫梁、副塔驅(qū)動(dòng)架及副塔等零部件組成；3張柔性防護(hù)網(wǎng)均位于2套框架結(jié)構(gòu)中間，其中1張防護(hù)網(wǎng)張掛在2個(gè)橫梁之間，1張防護(hù)網(wǎng)張掛在2個(gè)主塔之間，另外1張防護(hù)網(wǎng)張掛在2個(gè)副塔之間，水平位置和豎直位置防護(hù)網(wǎng)之間有空當(dāng)?？缭杰壍婪雷o(hù)裝備見(jiàn)圖1。

圖1 跨越軌道防護(hù)裝備

夏朝國(guó)[3]對(duì)跨越軌道防護(hù)裝備的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明其框架結(jié)構(gòu)滿足各工況的強(qiáng)度要求。分析輸電線斷線對(duì)防護(hù)網(wǎng)的沖擊作用，計(jì)算防護(hù)網(wǎng)的強(qiáng)度，查看防護(hù)網(wǎng)是否滿足各工況的強(qiáng)度要求，便可判斷跨越軌道防護(hù)裝備是否可以攔截下落的輸電線斷線，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)起到安全防護(hù)作用。

2 輸電線及防護(hù)網(wǎng)

仿真計(jì)算采用的輸電線是國(guó)內(nèi)某橫跨鐵路的架空輸電線路中的導(dǎo)線，架空輸電線路中輸電桿塔參數(shù)見(jiàn)表1，導(dǎo)線規(guī)格及力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2[4]。

表1 輸電線桿塔參數(shù)

表2 導(dǎo)線規(guī)格及力學(xué)性能參數(shù)

防護(hù)網(wǎng)是由直徑8 mm的進(jìn)口迪尼瑪繩編織、多個(gè)0.5 m×0.5 m的正方形網(wǎng)格組成的柔性網(wǎng)?？缭杰壍婪雷o(hù)裝備共包含3張防護(hù)網(wǎng)，水平張掛在2個(gè)橫梁之間的防護(hù)網(wǎng)長(zhǎng)和寬均為18 m，其工作高度為距離地面16 m；另外2張防護(hù)網(wǎng)大小相同，長(zhǎng)、寬分別為18 m、10 m，分別豎直張掛在2個(gè)主塔之間和2個(gè)副塔之間。其中，2張防護(hù)網(wǎng)的工作高度均為防護(hù)網(wǎng)中心距離地面10 m，兩者之間相距19 m。迪尼瑪繩是一種采用凝膠紡絲方法生產(chǎn)的超強(qiáng)聚乙烯纖維，其力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 迪尼瑪繩力學(xué)性能參數(shù)

3 輸電線斷線沖擊防護(hù)網(wǎng)理論分析

在輸電線發(fā)生斷線事故，防護(hù)網(wǎng)攔截輸電線斷線過(guò)程中，輸電線斷線沖擊防護(hù)網(wǎng)使其變形下凹，輸電線斷線的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為防護(hù)網(wǎng)的彈性勢(shì)能和輸電線斷線與防護(hù)網(wǎng)之間摩擦產(chǎn)生的熱能[5]。隨后，防護(hù)網(wǎng)恢復(fù)原狀，將其部分彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為輸電線斷線的動(dòng)能和輸電線斷線與防護(hù)網(wǎng)之間摩擦產(chǎn)生的熱能；輸電線斷線繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，離開(kāi)防護(hù)網(wǎng)。輸電線斷線向上運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)后再次下落沖擊防護(hù)網(wǎng)，并重復(fù)上述過(guò)程，直到輸電線斷線完全離開(kāi)防護(hù)網(wǎng)或靜止停留在防護(hù)網(wǎng)上。

輸電線斷線沖擊防護(hù)網(wǎng)時(shí)，兩者形成動(dòng)態(tài)接觸并存在接觸力，采用動(dòng)力學(xué)分析，其平衡方程見(jiàn)式(1)、(2)。

(1)

(2)

4 輸電線斷線沖擊防護(hù)網(wǎng)仿真計(jì)算

4.1 輸電線和防護(hù)網(wǎng)有限元模型的建立

在ABAQUS軟件中建立輸電線和3張防護(hù)網(wǎng)的實(shí)體模型，并使用不同大小的T3D2桿單元分別對(duì)2個(gè)模型進(jìn)行離散。輸電線有限元模型單元大小為0.5 m，共有200個(gè)單元。輸電線有限元模型采用Rayleigh阻尼假設(shè)，阻尼比取0.02。防護(hù)網(wǎng)有限元模型單元大小為0.125 m，共有19 891個(gè)節(jié)點(diǎn)，10 656個(gè)單元。在防護(hù)網(wǎng)攔截輸電線斷線的過(guò)程中，輸電線斷線沖擊速度大，防護(hù)網(wǎng)變形時(shí)間短，迪尼瑪繩拉伸速率大。由于迪尼瑪繩的聚乙烯材料特性，防護(hù)網(wǎng)采用線彈性材料變形模擬[7]。

由于輸電線斷線可能與地面接觸，故選擇無(wú)需劃分網(wǎng)格便可進(jìn)行有限元計(jì)算的解析剛性面來(lái)模擬地面。輸電線、防護(hù)網(wǎng)及地面有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 輸電線、防護(hù)網(wǎng)及地面有限元模型

4.2 有限元模型約束、載荷及接觸設(shè)置

在輸電線兩端和3張防護(hù)網(wǎng)兩側(cè)分別與橫梁、主塔及副塔相連的網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)處約束3個(gè)方向的平動(dòng)自由度，在模擬地面的剛性面添加參考點(diǎn)并施加完全固定約束。在整個(gè)仿真計(jì)算過(guò)程中，輸電線斷線在自身重力作用下掉落；故對(duì)輸電線有限元模型施加重力加速度g作為載荷，其中g(shù)取9.81 m/s2。有限元模型約束和載荷施加位置示意見(jiàn)圖3。

圖3 有限元模型約束和載荷施加位置示意圖

輸電線斷線與防護(hù)網(wǎng)及輸電線斷線與地面之間的接觸屬性，在法向行為上通過(guò)硬接觸模擬，在切向行為上通過(guò)庫(kù)侖摩擦模型模擬，采用罰函數(shù)方法計(jì)算[8]。假定輸電線斷線與地面接觸后動(dòng)能被完全吸收，兩者接觸部分不再分開(kāi)[9]。輸電線斷線與防護(hù)網(wǎng)之間的摩擦系數(shù)為0.12，輸電線斷線與地面之間的摩擦系數(shù)按照輸電線在沙土中移動(dòng)的摩擦系數(shù)取值為1.5[10]。輸電線斷線與防護(hù)網(wǎng)之間的接觸采用通用接觸模擬，輸電線斷線與地面之間的接觸采用表面與表面接觸模擬；最終對(duì)2種接觸分別賦予對(duì)應(yīng)的接觸屬性。

4.3 有限元計(jì)算步驟及計(jì)算工況說(shuō)明

在ABAQUS軟件中對(duì)輸電線斷線沖擊防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，采用以下步驟。

1) 通過(guò)靜力分析得到在自身重力作用下平衡狀態(tài)的輸電線和各單元應(yīng)力。

2) 在新的動(dòng)力學(xué)分析中建立防護(hù)網(wǎng)及地面有限元模型，并導(dǎo)入平衡狀態(tài)的輸電線有限元模型和各單元應(yīng)力。動(dòng)力學(xué)分析采用自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)控制，總的時(shí)間長(zhǎng)度為10 s。

3) 設(shè)置輸電線、防護(hù)網(wǎng)及地面有限元模型的約束、載荷及接觸。

4) 刪除輸電線中斷線位置的桿單元，提交作業(yè)進(jìn)行仿真計(jì)算。

考慮到輸電線斷線位置的不確定性和極限情況，為簡(jiǎn)化計(jì)算工況，選取了端部懸掛點(diǎn)、中間位置處和3/4位置處3個(gè)典型的輸電線斷線位置。分別計(jì)算3個(gè)工況下，輸電線斷線對(duì)防護(hù)網(wǎng)的沖擊作用結(jié)果。

4.4 有限元模型計(jì)算結(jié)果

斷線位置分別在輸電線端部懸掛點(diǎn)、中間位置處、3/4位置處時(shí)，求解有限元模型各節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化的應(yīng)力，并利用后處理功能查看計(jì)算結(jié)果。3個(gè)工況防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力隨時(shí)間變化圖見(jiàn)圖4；3個(gè)工況防護(hù)網(wǎng)在最大應(yīng)力時(shí)刻的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5。

圖4 3個(gè)工況防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力隨時(shí)間變化圖

圖5 防護(hù)網(wǎng)在最大應(yīng)力時(shí)刻的應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由有限元計(jì)算結(jié)果可知，防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力出現(xiàn)在第3工況，輸電線斷線后2.13 s，位于輸電線斷線端部與豎直位置防護(hù)網(wǎng)中間迪尼瑪繩接觸位置附近。防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力235.0 MPa，小于8 mm迪尼瑪繩破斷應(yīng)力1 193.7 MPa，安全系數(shù)為5.08，防護(hù)網(wǎng)滿足強(qiáng)度要求。

分析有限元計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輸電線斷線位置不同，導(dǎo)致防護(hù)網(wǎng)所受沖擊作用不同，防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力與輸電線斷線位置有直接關(guān)系。對(duì)比上述3個(gè)輸電線斷線位置的防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力，由輸電線斷線位置的不確定性可知，防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力出現(xiàn)在輸電線斷線端部沖擊豎直位置防護(hù)網(wǎng)的工況。

通過(guò)動(dòng)能定理可知，不同斷線位置的輸電線斷線在沖擊防護(hù)網(wǎng)的過(guò)程中，其端部越接近豎直位置防護(hù)網(wǎng)底部，輸電線斷線對(duì)豎直位置防護(hù)網(wǎng)的沖擊作用越大，豎直位置防護(hù)網(wǎng)應(yīng)力也越大。因此，需找到某一斷線位置，輸電線斷線在沖擊防護(hù)網(wǎng)的過(guò)程中，其端部與豎直位置防護(hù)網(wǎng)底部迪尼瑪繩接觸。此工況下輸電線斷線對(duì)豎直位置防護(hù)網(wǎng)的沖擊作用最大，豎直位置防護(hù)網(wǎng)應(yīng)力也最大。計(jì)算此工況下防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力，判斷防護(hù)網(wǎng)是否滿足強(qiáng)度要求。

4.5 新斷線位置工況下有限元計(jì)算結(jié)果

斷線位置在輸電線79 m位置處時(shí)，輸電線斷線在沖擊防護(hù)網(wǎng)的過(guò)程中，其端部與豎直位置防護(hù)網(wǎng)底部迪尼瑪繩接觸。求解有限元模型各節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化的應(yīng)力，并利用后處理功能查看計(jì)算結(jié)果。防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力隨時(shí)間變化圖見(jiàn)圖6；防護(hù)網(wǎng)在最大應(yīng)力時(shí)刻的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7。

圖6 防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力隨時(shí)間變化圖

圖7 防護(hù)網(wǎng)在最大應(yīng)力時(shí)刻的應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由圖7可知，防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力出現(xiàn)在輸電線斷線后2.37 s，位于輸電線斷線端部與豎直位置防護(hù)網(wǎng)底部迪尼瑪繩接觸位置附近。防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力295.2 MPa，小于8 mm迪尼瑪繩破斷應(yīng)力1 193.7 MPa，安全系數(shù)為4.04，防護(hù)網(wǎng)滿足強(qiáng)度要求。

通過(guò)計(jì)算不同斷線位置的輸電線斷線運(yùn)動(dòng)軌跡，分析防護(hù)網(wǎng)動(dòng)態(tài)變化的應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)存在另一斷線位置，輸電線斷線在沖擊防護(hù)網(wǎng)的過(guò)程中，其端部略超出水平位置防護(hù)網(wǎng)最外側(cè)迪尼瑪繩，可穿過(guò)水平位置和豎直位置防護(hù)網(wǎng)之間的空當(dāng)。此工況下輸電線斷線對(duì)水平位置防護(hù)網(wǎng)的沖擊作用最大，水平位置防護(hù)網(wǎng)應(yīng)力也最大。計(jì)算此工況下防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力，判斷防護(hù)網(wǎng)是否滿足強(qiáng)度要求。

斷線位置在輸電線65 m位置處時(shí)，輸電線斷線在沖擊防護(hù)網(wǎng)的過(guò)程中，其端部略超出水平位置防護(hù)網(wǎng)最外側(cè)迪尼瑪繩，可穿過(guò)水平位置和豎直位置防護(hù)網(wǎng)之間的空當(dāng)。求解有限元模型各節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化的應(yīng)力，并利用后處理功能查看計(jì)算結(jié)果。防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力隨時(shí)間變化圖見(jiàn)圖8；防護(hù)網(wǎng)在最大應(yīng)力時(shí)刻的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖9。

圖8 防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力隨時(shí)間變化圖

圖9 防護(hù)網(wǎng)在最大應(yīng)力時(shí)刻的應(yīng)力云圖(單位：Pa)

由圖9可知，防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力出現(xiàn)在輸電線斷線后1.86 s，位于輸電線斷線與水平位置防護(hù)網(wǎng)最外側(cè)迪尼瑪繩接觸位置附近。防護(hù)網(wǎng)最大應(yīng)力400.3 MPa，小于8 mm迪尼瑪繩破斷應(yīng)力1 193.7 MPa，安全系數(shù)為2.98，防護(hù)網(wǎng)滿足強(qiáng)度要求。由上述2個(gè)工況的有限元計(jì)算結(jié)果可知，跨越軌道防護(hù)裝備成功地?cái)r截下落的輸電線斷線，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)起到了安全防護(hù)作用。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 橫跨鐵路的架空輸電線路在施工過(guò)程中發(fā)生斷線事故，導(dǎo)致輸電線斷線沖擊防護(hù)網(wǎng)時(shí)，防護(hù)網(wǎng)滿足強(qiáng)度要求，跨越軌道防護(hù)裝備成功地?cái)r截下落的輸電線斷線，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)起到了安全防護(hù)作用。

2) 輸電線斷線位置不同，導(dǎo)致防護(hù)網(wǎng)所受沖擊作用不同。存在某一斷線位置，輸電線斷線在沖擊防護(hù)網(wǎng)的過(guò)程中，其端部略超出水平位置防護(hù)網(wǎng)最外側(cè)迪尼瑪繩，可穿過(guò)水平位置和豎直位置防護(hù)網(wǎng)之間的空當(dāng)。此工況下輸電線斷線對(duì)防護(hù)網(wǎng)的沖擊作用最大，防護(hù)網(wǎng)應(yīng)力也最大。

3) 由于架空輸電線路多種多樣，在輸電線斷線沖擊防護(hù)網(wǎng)的仿真計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，未考慮風(fēng)載、多根輸電線同時(shí)斷裂等因素，后續(xù)還需進(jìn)一步分析上述因素對(duì)輸電線斷線沖擊防護(hù)網(wǎng)的影響。