振动、测试与诊断第44卷第3期Vol.44 No.32024年6月Journal of Vibration,Measurement &DiagnosisJm.2024D01:l0.16450j.cnki.issn.1004-6801.2024.03.006高速铁路接触网整体吊弦力学性能的改善项载毓1，李苏杰1，高睿恒23，董鹏3，李贞3，莫继良2(1.广西大学机械工程学院南宁，530004)(2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都.610031)(3.中国电建集团成都电力金具有限公司成都.610100)摘要针对高速铁路整体吊弦普遍存在的瞬时拉力冲击振动问题，提出一种添加了阻尼橡胶的接触网整体吊弦结构，并采用有限元分析方法和力学性能测试试验手段，探究阻尼橡胶对整体吊弦力学性能的改善作用。结果表明：在交变位移载荷作用下，普通型整体吊弦零部件存在明显的塑性变形和较大的等效应力.以及强度较大、频率成分复杂的振动特性：安装有阻尼橡胶的整体吊弦零部件塑性变形和等效应力均显著降低，振动强度明显减弱且频率成分简单：当整体吊弦处于受拉状态时，阻尼橡胶能够产生与位移载荷幅值接近的变形量，从而有效耗散整体吊弦的振动能量.减小整体吊弦各零部件的塑性变形及等效应力，实现接触网整体吊弦的力学性能提升。关键词高速铁路：吊弦：阻尼橡胶：有限元：振动测试中图分类号U225引言役过程的力学性能引起了国内外学者的广泛关注。戚广枫等)建立了我国高速铁路弓网系统的有限元在高速铁路线路中，列车的受电弓与接触网系仿其模型，研究了高速列车以300km/h速度经过时统以滑动摩擦形式组成摩擦副完成电力传输任接触网系统的动力学特性，并编制了整体吊弦的疲务]。我国高速铁路接触网系统承力索与接触线之劳载荷谱。吴文江等，对高速列车弓-网系统开展间通过整体吊弦连接，因此整体吊弦是接触网系统瞬态动力学分析，研究受电弓通过时接触网系统一中极其重要的组成部分，承担了接触网系统的主要跨范围内所有吊弦的振动特性。Le等)提出一种载荷和机械振动，是接触网系统中最容易发生断裂适用于弓网系统的有效接触单元和交互模型，进而的零部件之一[。对于接触网系统，整体吊弦若发开展高速线路接触网与受电弓动态相互作用机理研生断裂现象将会直接导致接触网几何结构破坏，严究以及服役性能评价。蒋先国等[基于高速铁路接重影响对高速列车的稳定供电，危及行车安全。近触网整体吊弦的服役工况开展有限元仿真分析，获年来，武广、京广、京沪等高速铁路均出现了整体吊弦断股、折断等现象[]。因此，对服役过程中的整体取了钳压管的应力状态并进行了整体吊弦的损伤分吊弦开展准确的力学性能分析并提出改善整体吊弦析。胡艳等[)以京津线高速铁路接触网系统整体吊力学性能的设计方案，对于保障高速列车的运行安弦为研究对象，基于有限元方法建立弓网系统耦合全具有重要意义。动力学模型，研究了整体吊弦的瞬态动力学响应。高速列车受电弓通过瞬间，接触线被抬高，整体Song等基于虚拟载荷法研究定常风和脉动风共同吊弦处于松弛状态。受电弓弓头通过后，接触线瞬作用下高速铁路接触网系统整体吊弦的动力学响间落回至初始位置，此时整体吊弦因限制接触线下应。Anastasio等[1)以高速铁路接触线为研究对象，落而被拉直，承受巨大的瞬时拉力，存在强度较大的提出一种具有随机分布非比例黏滞阻尼的连续振动冲击振动[1.]。在整体吊弦的长期服役过程中，这些瞬时拉力和冲击振动循环出现，是整体吊弦发生试验、解析模型和参数化有限元模型相结合的方法，疲劳断裂的主要交变应力源。因此，整体吊弦服研究列车速度对弓网系统动力学响应的影响。He国家自然科学基金资助项目(52305187，U22A20181):广西自然科学基金资助项目(2023 GXNSFBA026326):四川省科技计划资助项目(2020JDTD0012)收稿日期：2023-02-10：修回日期：2023-04-01第3期项载毓，等：高速铁路接触网整体吊弦力学性能的改善467等建立单跨范围内接触网整体吊弦动力学模型，能够产生较大的变形，将其加工成锯齿状。该阻尼以研究接触线张力对整体吊弦应力特性的影响。橡胶的材料参数如下：密度为1810k/m3,弹性模笔者在原有普通型整体吊弦结构的基础上，提量为7GPa,泊松比为0.3。根据阻尼参数测试结出一种含阻尼橡胶的新型整体吊弦结构，并参考我果，在后续的有限元仿其分析中，该阻尼橡胶的结构国《电气化铁路接触网零部件技术条件》对该阻尼型阻尼设置为0.04，并将其设置为超弹性材料，应变能整体吊弦和普通型吊弦开展有限元仿真分析和力学力设置为瑞利阻尼。性能测试试验，阐述了阻尼橡胶的引入对整体吊弦力学性能的改善及其作用机理。研究成果可为我国高速铁路接触网系统整体吊弦提供设计思路和理论支撑。1整体吊弦结构目前，我国在役的高速铁路接触网系统中的整9体吊弦大多改进自欧洲引进的冲压式载流整体吊图2阻尼橡胶结构（单位：mm)弦。本研究将在役的常见整体吊弦称为普通型整体Fig.2 The structure of damping rubber (unit:mm)吊弦（简称普通吊弦），将引入阻尼橡胶的整体吊弦称为阻尼型整体吊弦（简称阻尼吊弦）。整体吊弦在阻尼橡胶的冲击振动衰减性能分析如图3所接触网系统中的位置及其主要结构如图1所示。示。采用Abaqus软件建立阻尼橡胶的有限元模型，并应用隐式动态分析模块对其开展瞬态动力学分普通品弦阻尼吊弦线光本体析，如图3(a)所示。在阻尼橡胶的顶面加载y向的上吊环形环冲击位移载荷（幅值为5mm),并在阻尼橡胶的底面设置固定约束，阻尼橡胶振动信号的采样点位于其上心环上压接管顶面上。经求解可得到阻尼橡胶的振动加速度及变吊弦线下心形环下压接管形云图分布如图3(b,c)所示。可以看出，在冲击位下心形环移载荷作用下阻尼橡胶存在较强的冲击振动，但在轨道60图1整体吊弦在接触网系统中的位置及其主要结构45目Fig.I The position of dropper in catenary system and the3.0框main structure of the dropper位移载荷两种整体吊弦零部件主要包括线夹本体、螺栓00.10.2(2个)、吊环(2个)、心形环(2个)、压接管(2个)、接t/s(a)位移我荷)位移载荷及振动加速度时域信号触线夹(2个)以及吊弦线（吊弦线结构为7×7型，后(a)Applied displacement(b)Time-domain signals of displacementloadload and vibration acceleration文仿其分析中为了提高计算效率，将该结构简化为7根吊弦线)。对于阻尼吊弦，普通吊弦的上吊环更换为拉环并增加了U型双耳。阻尼橡胶安装于U型双耳的内部，拉环穿过阻尼橡胶并通过螺帽实现多阻尼橡胶的压缩作用。整体吊弦的主线部分主要1252.503.75承担全部的工作荷重和机械振动1)，而副线部分只变形/mm承担电气导流任务，因此后续仿其分析中忽略副线(c)Deformation cloud map of damping rubber部分。普通吊弦和阻尼吊弦的制作均严格按照我国图3阻尼橡胶的冲击振动衰减性能分析TB/T3111标准的要求，最大工作荷重均约为1.3kN。Fig.3 Impact vibration attenuation performance analysis of阻尼橡胶结构如图2所示。为了保证阻尼橡胶damping rubber468振动、测试与诊断第44卷较短时间内便能够衰减至稳定状态。冲击位移载荷作用过程中，阻尼橡胶逐渐被压缩，达到最大变形(5mm)后，阻尼橡胶又逐渐恢复原貌。因此，本研究设计的阻尼橡胶可充分依赖于自身的变形而耗散冲击振动能量，使得冲击振动快速衰减。2吊弦瞬态动力学仿真分析2.1有限元模型及边界条件在有限元软件Abaqus中建立简化的普通吊弦正弦位移5和阻尼吊弦有限元模型，大部分部件均采用六面体图4吊弦有限元模型及加载工况进行网格划分，阻尼橡胶和拉环等不规则部件采用Fig.4 The finite element model of dropper and the loading四面体。普通吊弦和阻尼吊弦有限元模型所有部件condition都采用C3D8R单元类型，模型中各部件的尺寸均与真实吊弦保持一致。吊弦各部件材料参数如表12.2瞬态动力学分析结果所示。2.2.1阻尼橡胶变形表1吊弦各部件材料参数Tab.1 Material parameters of various parts of the正弦位移载荷作用下的阻尼橡胶变形分析如dropper图5所示。为充分了解正弦位移加载过程中阻尼橡密度/弹性模量/胶在压缩方向上的变形情况，提取图5(a)中节点部件材料泊松比(kg*m-3)MPaN~N的变形时域数据，结果如图5(b)所示。结果线夹本体CNi2Si88501320000.32表明，正弦位移处于负的阶段（即往压缩方向运动）螺栓06Cr19Nil078501940200.30时，阻尼橡胶受到下拉作用而在压缩方向上产生变吊环78501940200.30U型双耳0.30形，但各节点产生变形的大小存在显著差异。其中：6082271070000心形环12Cr 18Ni979302060000.30节点N的变形量最大，接近于正弦位移的幅值拉环12Cr18Ni979302060000.30(5mm);但从节点N~N。,各节点位移呈减小趋压接管T289401150000.33势。因此，阻尼吊弦在正弦位移作用下，阻尼橡胶的吊弦线CuNiSi89001120000.35变形主要发生于上半部分。当正弦位移处于压缩方接触线夹CuNi2Si88501320000.32向的反方向（即y向）时，阻尼橡胶未受到压缩作用，根据普通吊弦和阻尼吊弦在服役过程中各部件故其变形量较小，但阻尼橡胶存储一定的弹性势能，的其实约束情况，线夹本体与螺栓和上吊环（阻尼吊压缩行程结束后这种能力处于释放过程，导致阻尼弦为拉环)、下吊环与螺栓和接触线夹之间均设置铰吊弦产生上下震荡的现象。类似地，从节点链；心形环与吊弦线、压接管与吊弦线、阻尼橡胶与N~N,各节点的震荡位移呈减小趋势。U型双耳、7根吊弦线之间均设置Tie约束；吊环（阻压缩方向尼吊弦包括拉环)与心形环、阻尼橡胶与拉环、U型双耳与拉环之间的接触行为设置为切向摩擦（摩擦因数为0.1)和法向硬接触；线夹本体内圆弧面设置固定约束：将接触线夹与接触线相接触的两表面耦合至中间点，并约束该点在y向上的自由度和施加-N-N2-N-N-N-N-N2-N-N-N位移载荷为S=5sin(2x×2t),即振动幅值为5mm、(a)阻尼橡胶关键节点位置(b)变形时域信号频率为2Hz。采用Abaqus隐式动态分析模块对吊(a)The location of key nodes (b)The deformation time-domainof damping rubbersignal弦开展瞬态动力学分析，历程输出及场输出的采样图5正弦位移载荷作用下的阻尼橡胶变形分析频率分别设置为2kHz和1kHz。吊弦有限元模型Fig.5 The analysis of damping rubber deformation under si-及加载工况如图4所示。nusoidal displacement load