趙珊鵬 ,張永豐 ,張友鵬 ,王思華
(1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070;2.蘭州交通大學(xué)甘肅省軌道交通電氣自動(dòng)化工程實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州 730070)
蘭新高鐵地處中國(guó)西北地區(qū),東起蘭州,西至烏魯木齊,全長(zhǎng)1 776 km,是世界上第一條一次性建成運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)的高速鐵路.線路穿越我國(guó)新疆地區(qū)的百里、三十里等四大風(fēng)區(qū),風(fēng)區(qū)內(nèi)常年盛行七八級(jí)大風(fēng),曾發(fā)生過(guò)列車被大風(fēng)吹翻的重大鐵路安全事故[1].為保證列車安全順利地通過(guò)風(fēng)區(qū),鐵路建設(shè)部門在風(fēng)區(qū)線路軌旁修建了高度為3.5~4.0 m 的擋風(fēng)墻.但擋風(fēng)墻“防車不防網(wǎng)”,氣流經(jīng)過(guò)擋風(fēng)墻之后出現(xiàn)了明顯的加速效應(yīng),使得正饋線發(fā)生劇烈舞動(dòng),導(dǎo)致線間放電、金具磨損加劇、線索疲勞斷股,危及行車安全.由于鐵路運(yùn)輸對(duì)安全性要求很高,能夠采用的防舞措施有限,低風(fēng)壓正饋線不改變接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu),有較好的適應(yīng)性.因此,設(shè)計(jì)一種新型低風(fēng)壓正饋線,用于降低正饋線的舞動(dòng)幅值,保障牽引變電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行十分必要.
作用于架空輸電導(dǎo)線的風(fēng)載荷占整個(gè)線路所受風(fēng)載荷的50%以上[2],降低正饋線所受風(fēng)壓不僅可以減小線索舞動(dòng)幅值,還可以降低因線間放電而引起的跳閘風(fēng)險(xiǎn).20 世紀(jì)70 年代,日本關(guān)西電氣與住友電氣等單位對(duì)多種不同表面形狀的導(dǎo)線進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn),研究結(jié)果表明,導(dǎo)線風(fēng)阻力系數(shù)與導(dǎo)線表面形狀有較大關(guān)系[3].20 世紀(jì)90 年代起,關(guān)西電氣和住友電氣對(duì)低風(fēng)壓導(dǎo)線的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行了持續(xù)研究,研究結(jié)果表明,低風(fēng)壓導(dǎo)線負(fù)壓區(qū)面積小于普通導(dǎo)線,風(fēng)阻力系數(shù)較小[4-5].我國(guó)在低風(fēng)壓導(dǎo)線領(lǐng)域起步較晚,但發(fā)展較快.近年來(lái),上海電纜研究所、無(wú)錫華能電纜有限公司、江蘇中天科技股份有限公司等單位研發(fā)了不同表面結(jié)構(gòu)的低風(fēng)壓導(dǎo)線產(chǎn)品,并申請(qǐng)了專利[6].
以6 種不同表面形狀的低風(fēng)壓正饋線和常規(guī)正饋線模型為研究對(duì)象,對(duì)各型正饋線在12~24 m/s(間隔3 m/s)風(fēng)載荷作用下的舞動(dòng)情況進(jìn)行仿真,監(jiān)測(cè)記錄不同型號(hào)的低風(fēng)壓正饋線和常規(guī)正饋線在不同風(fēng)載荷下的風(fēng)阻力系數(shù)和跨距中點(diǎn)位移值,分析低風(fēng)壓正饋線表面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)風(fēng)阻力系數(shù)和跨距中點(diǎn)位移值變化的影響規(guī)律;對(duì)不同風(fēng)載荷作用下風(fēng)阻力系數(shù)較小的低風(fēng)壓正饋線建立三維有限元模型,并施加軸向拉力,分析其在軸向拉力作用下的形變及應(yīng)力情況,研究成果為低風(fēng)壓正饋線的制造、選型及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)提供理論依據(jù).
以現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)的常規(guī)正饋線作為依據(jù),建立常規(guī)正饋線二維模型,其二維截面結(jié)構(gòu)如圖1 所示.圖中,R= 11.88 mm,為正饋線半徑.正饋線是由2 層鋼股和3 層鋁股相互絞合而成,其中,鋼股直徑為2.22 mm,鋁股直徑為2.85 mm.
圖1 常規(guī)正饋線二維截面示意Fig.1 Two-dimensional cross-sectional diagram of conventional catenary positive feeder
本文以低風(fēng)壓導(dǎo)線運(yùn)行機(jī)理為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)凹槽數(shù)為8、不同凹槽半徑的6 種低風(fēng)壓正饋線模型,其中,一種低風(fēng)壓正饋線模型截面結(jié)構(gòu)如圖2 所示,線徑均為23.76 mm.與常規(guī)正饋線相比,低風(fēng)壓正饋線模型的最外層由8 根中間帶有凹槽的鋁股線構(gòu)成,凹槽的小圓弧半徑r與常規(guī)正饋線半徑R的比值為0.10~0.15,其余層股線結(jié)構(gòu)參數(shù)與常規(guī)正饋線相同.
圖2 r/R = 0.14 型低風(fēng)壓正饋線截面示意Fig.2 Cross-sectional diagram of low-wind-pressure catenary positive feeder with r/R = 0.14
對(duì)r/R= 0.10~0.15 的6 種低風(fēng)壓正饋線和常規(guī)正饋線模型進(jìn)行12、15、18、21、24 m/s 風(fēng)載荷下的氣動(dòng)力特性仿真.首先,設(shè)置計(jì)算域邊界條件,將計(jì)算域左側(cè)邊界設(shè)置為速度入口,導(dǎo)線表面采用無(wú)滑移壁面邊界,右側(cè)邊界設(shè)置為壓力出口.迭代收斂殘差值取1 × 10-5,時(shí)間步長(zhǎng)為0.005 s,計(jì)算1 000 步,以r/R= 0.14 型低風(fēng)壓正饋線為例,仿真計(jì)算得到常規(guī)正饋線和低風(fēng)壓正饋線在18 m/s 風(fēng)載荷下的阻力系數(shù)CD時(shí)程圖,如圖3 所示.r/R= 0.14 型低風(fēng)壓正饋線在18 m/s 風(fēng)載荷下的阻力系數(shù)時(shí)程曲線幅值明顯小于常規(guī)正饋線,為各低風(fēng)壓正饋線中阻力系數(shù)幅值最小的一種.對(duì)45 m 跨距正饋線在只受重力作用下線索懸垂?fàn)顟B(tài)找形成功后,將阻力系數(shù)以線性插值的方式添加,得到常規(guī)正饋線和r/R=0.14 型低風(fēng)壓正饋線跨距中點(diǎn)在18 m/s風(fēng)載荷作用下的垂向位移時(shí)程圖,如圖4 所示.在同一坐標(biāo)系下,r/R= 0.14 型低風(fēng)壓正饋線垂向位移曲線幅值明顯小于常規(guī)正饋線,即r/R= 0.14 型低風(fēng)壓正饋線能夠降低舞動(dòng)幅值.
圖3 阻力系數(shù)時(shí)程圖Fig.3 Time course diagram of drag coefficients
圖4 垂向位移曲線Fig.4 Vertical displacement curves
對(duì)6 種低風(fēng)壓正饋線和常規(guī)正饋線在不同風(fēng)載荷下的氣動(dòng)力特性進(jìn)行仿真計(jì)算,得到不同線型在不同風(fēng)載荷下的阻力系數(shù),如圖5 所示.統(tǒng)計(jì)6 種低風(fēng)壓正饋線在18 m/s 風(fēng)載荷作用下跨距中點(diǎn)橫向和垂向位移最大值,如圖6 所示.
圖5 不同低風(fēng)壓正饋線模型阻力系數(shù)曲線Fig.5 Drag coefficient curves for different types of catenary positive feeder models
圖6 跨距中點(diǎn)位移最大值Fig.6 Maximum values of displacement at midspan points
由圖5 可知,常規(guī)正饋線和6 種低風(fēng)壓正饋線風(fēng)阻力系數(shù)基本上隨風(fēng)速的增大呈減小趨勢(shì),且在整個(gè)測(cè)試風(fēng)速范圍內(nèi),低風(fēng)壓正饋線阻力系數(shù)均小于常規(guī)正饋線,說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的低風(fēng)壓正饋線模型具有防舞效果.其中:常規(guī)正饋線氣動(dòng)力參數(shù)在整個(gè)測(cè)試風(fēng)速范圍內(nèi)隨風(fēng)速的增大而減小,r/R= 0.10~0.11 型低風(fēng)壓正饋線阻力系數(shù)交替出現(xiàn)下降和上升;r/R= 0.12~0.15 型低風(fēng)壓正饋線阻力系數(shù)先上升之后一直下降;r/R= 0.14 型低風(fēng)壓正饋線除在24 m/s 風(fēng)速時(shí)阻力系數(shù)略大于r/R= 0.15 外,在其余測(cè)試風(fēng)速時(shí)阻力系數(shù)均小于其他測(cè)試對(duì)象,為測(cè)試對(duì)象中降阻效果最好的線型.
由圖6 可知,常規(guī)正饋線跨距中點(diǎn)橫向位移最大值為1.338 m,垂向位移最大值為1.240 m,低風(fēng)壓正饋線跨距中點(diǎn)位移最大值均較常規(guī)正饋線小,且最大位移值隨r/R值的增大整體上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),但r/R=0.15 型低風(fēng)壓正饋線位移最大值較r/R=0.14 型低風(fēng)壓正饋線大,說(shuō)明低風(fēng)壓正饋線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于找到恰當(dāng)?shù)膔/R值;r/R= 0.14 型低風(fēng)壓正饋線位移幅值最小,其橫向位移最大值為0.990 m,垂向位移最大值為0.910 m,較常規(guī)正饋線分別下降26.0%和26.6%,與圖5 風(fēng)阻力系數(shù)相對(duì)應(yīng),說(shuō)明了本文仿真方法的合理性以及仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性.
正饋線在舞動(dòng)過(guò)程中線夾出口處會(huì)產(chǎn)生大小不斷變化的集中應(yīng)力,會(huì)加劇連接金具的磨損以及線索疲勞斷股.為研究低風(fēng)壓正饋線在舞動(dòng)時(shí)的受力特性,根據(jù)國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議的建議,以線夾出口89 mm 處導(dǎo)線的動(dòng)彎應(yīng)變來(lái)評(píng)估低風(fēng)壓正饋線的運(yùn)行狀況[7].對(duì)圖5、6 各正饋線仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),r/R=0.12,0.13,0.14 型3 種低風(fēng)壓正饋線防舞效果較佳.因此,建立3 種低風(fēng)壓正饋線89 mm長(zhǎng)度三維模型,在有限元軟件中對(duì)自由端面施加一定拉伸載荷,模擬正饋線舞動(dòng)時(shí)的受力情況,分析低風(fēng)壓正饋線發(fā)生舞動(dòng)時(shí)的形變量及應(yīng)力特性[8-9].
蘭新高鐵現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)的常規(guī)正饋線結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示,該正饋線鋁的楊氏模量為59 GPa,泊松比為0.30,鋼的楊氏模量為190 GPa,泊松比為0.28,額定拉斷力為83.42 kN.本文以常規(guī)正饋線結(jié)構(gòu)參數(shù)為依據(jù),建立89 mm 長(zhǎng)度低風(fēng)壓正饋線三維模型,在固定端建立三維坐標(biāo)軸O-XYZ.其中,r/R= 0.14型低風(fēng)壓正饋線三維模型如圖7 所示,最外層鋁股線中央帶有凹槽,股線數(shù)為8 股,其他層股線結(jié)構(gòu)參數(shù)與常規(guī)正饋線相同.
表1 常規(guī)正饋線結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural parameters of conventional positive feeder
圖7 r/R = 0.14 型低風(fēng)壓正饋線三維模型Fig.7 Three-dimensional model of positive feeder with r/R = 0.14
1) 仿真設(shè)置.在有限元軟件中設(shè)置鋼鋁股線的材料屬性,將每根股線的中心節(jié)點(diǎn)等效為一個(gè)整體,在相鄰股線之間建立接觸對(duì).在設(shè)置邊界條件時(shí),將正饋線模型位于線夾一端完全固定約束,即在模型的固定端端面上約束X、Y、Z3 個(gè)方向的自由度.為防止產(chǎn)生端部效應(yīng),在模型的自由端端面上建立一個(gè)剛域點(diǎn),將該端面上所有自由度與該剛域點(diǎn)耦合形成一個(gè)剛域面,在剛域點(diǎn)上施加運(yùn)行張力.最后,采用掃掠法對(duì)模型進(jìn)行正六面體網(wǎng)格劃分[10-12],得到的模型網(wǎng)格圖如圖8 所示.
圖8 r/R=0.14 型低風(fēng)壓正饋線網(wǎng)格示意Fig.8 Schematic grid of positive feeder with r/R=0.14
2) 方法驗(yàn)證.我國(guó)一般將導(dǎo)線的運(yùn)行張力設(shè)定為15%~25% 額定拉斷力[13](rated tensile strength,RTS),蘭新高鐵考慮正饋線新線系數(shù)后正饋線的最大許用張力為32 137 N,為額定拉斷力的38.5%,但正饋線長(zhǎng)期在最大許用張力下運(yùn)行,容易導(dǎo)致疲勞斷股.本文對(duì)常規(guī)正饋線施加25% RTS,即20.855 kN 拉力,仿真得出各層股線軸向張力,將仿真結(jié)果與式(1)正饋線各層股線理論張力計(jì)算式結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[14],結(jié)果見(jiàn)表2.
表2 常規(guī)正饋線各層股線軸向張力Tab.2 Axial tension of each layer of conventional positive feederkN
式中:Fn為第n層股線軸向張力;dn為股線直徑;zn為股線數(shù);En為股線彈性模量; αn為拉伸前股線捻角; εi為股線軸向伸長(zhǎng)率; μ 為該層股線的泊松比.
由表2 可知,常規(guī)正饋線在25% RTS 作用下,2 層鋼芯承擔(dān)了54.1%的拉力,3 層鋁股線承擔(dān)了45.9%的拉力,這與正饋線的設(shè)計(jì)初衷和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況相符.仿真值與理論值存在一定誤差,是因?yàn)槔碚撚?jì)算時(shí)未考慮股線之間的擠壓和摩擦對(duì)正饋線應(yīng)力的影響.但誤差仍處于合理范圍內(nèi),故本文所采用的仿真方法能夠恰當(dāng)?shù)啬M正饋線在受到軸向拉力時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變特性.
3.3.1 低風(fēng)壓正饋線受力形變及應(yīng)力分析
在有限元軟件中對(duì)r/R= 0.12,0.13,0.14 型低風(fēng)壓正饋線三維模型自由端面施加25% RTS,分別比較3 種正饋線的形變位移及應(yīng)力變化情況[15-16].其中,r/R= 0.14 型低風(fēng)壓正饋線在施加25% RTS 后,軸向整體形變及各層股線軸向形變?nèi)鐖D9 所示.
圖9 r/R = 0.14 型低風(fēng)壓正饋線形變?cè)茍DFig.9 Deformation nephogram of positive feeder with r/R = 0.14
由圖9(a)可知,正饋線在受到軸向拉力的作用下會(huì)發(fā)生一定軸向形變,固定端形變量最小,越往自由端,形變量越大,這與現(xiàn)實(shí)情況相吻合.由圖9(b)可知,各層股線在受到軸向拉力的情況下,形變量是不同的,軸向形變量從鋼層到鋁層逐漸增大,至最外層鋁股線達(dá)到最大,即在現(xiàn)實(shí)中正饋線舞動(dòng)時(shí),最外層鋁股線最容易發(fā)生金屬疲勞斷股,這是由于鋼的楊氏模量大于鋁的楊氏模量,鋁的延展性較鋼強(qiáng)[17-18],在同一拉力作用下,鋁的形變量大于鋼.其次,正饋線在受到軸向拉力時(shí),內(nèi)層股線受到外層股線的擠壓,使得內(nèi)層股線的形變量小于外層股線.
對(duì)r/R= 0.14 型低風(fēng)壓正饋線施加25% RTS,等效應(yīng)力云圖見(jiàn)圖10,其縱向中心截面應(yīng)變及形變?cè)茍D見(jiàn)圖11.
圖10 r/R = 0.14 型低風(fēng)壓正饋線應(yīng)力Fig.10 Stress nephogram of positive feeder with r/R = 0.14
圖11 r/R = 0.14 型低風(fēng)壓正饋線軸向截面云圖Fig.11 Axial section nephogram of positive feeder with r/R = 0.14
由圖10(a)可知,次內(nèi)層鋼股線在正饋線振動(dòng)時(shí)承擔(dān)了大部分軸向應(yīng)力,且除最內(nèi)層直鋼股應(yīng)力分布均勻外,其他層股線應(yīng)力分布不均,但具有一定的規(guī)律,即應(yīng)力極值點(diǎn)的位置與正饋線每層股線的絞向相同,這是因?yàn)檎伨€在軸向拉力作用下,同層相鄰股線在絞合方向上相互擠壓,形成應(yīng)力集中點(diǎn).從圖10(b)可知,鋼股等效應(yīng)力遠(yuǎn)大于鋁股,即在正饋線舞動(dòng)時(shí)鋼股承受了很大一部分應(yīng)力,且應(yīng)力在直鋼芯兩側(cè)對(duì)稱分布,應(yīng)力從固定端和自由端到中間的變化趨勢(shì)相似,保證了正饋線受力對(duì)稱.
由圖11(a)可知,股線軸向應(yīng)變沿最內(nèi)層鋼股兩側(cè)對(duì)稱分布,中心鋼股承受了最大拉變,這符合正饋線的設(shè)計(jì)初衷,鄰?fù)鈱愉摴沙霈F(xiàn)了最大壓變,這是因?yàn)樵搶庸删€受到相鄰兩層股線的擠壓.從圖11(b)可知,由固定端到自由端整體形變量逐漸增大,自由端形變量遠(yuǎn)大于固定端;由于中心鋼股非螺旋結(jié)構(gòu),且鋼的楊氏模量大,延展性較鋁差,抗拉強(qiáng)度大,所以形變量最??;次內(nèi)層鋼股和鄰?fù)鈱愉X股在絞線中間位置附近受到相鄰股線的嚴(yán)重?cái)D壓,出現(xiàn)了最大形變量.
對(duì)r/R= 0.14 型低風(fēng)壓正饋線施加25% RTS,沿軸向坐標(biāo)軸Z軸截取固定端Z= 0 至自由端端面,間隔8.9 mm,共11 個(gè)軸向應(yīng)力截面,分析其軸向應(yīng)力,其中4 個(gè)應(yīng)力截面如圖12 所示.
圖12 25% RTS 作用下r/R = 0.14 型低風(fēng)壓正饋線橫向截面應(yīng)力云圖Fig.12 Stress nephogram of horizontal cross-section of positive feeder with r/R = 0.14 under 25% RTS
由圖12 可知,正饋線在軸向載荷作用下會(huì)發(fā)生一定程度的扭轉(zhuǎn).正饋線的不同截面軸向應(yīng)力分布不同,中心直鋼芯上應(yīng)力分布較均勻,螺旋鋼層和鋁層同一股線應(yīng)力呈階梯狀分布,且應(yīng)力極值點(diǎn)位置與正饋線層絞合方向相關(guān);從固定端端面到自由端端面的不同截面上,應(yīng)力極值點(diǎn)位置從與絞合方向相反到與絞合方向相同,但均位于股線接觸處,說(shuō)明在股線接觸位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn),易引起股線磨損斷股;中間位置截面軸向應(yīng)力呈現(xiàn)中心對(duì)稱,且在提取的截面中應(yīng)力最小,軸向應(yīng)力整體上呈現(xiàn)兩端大中間小的情況.
3.3.2 3 種低風(fēng)壓正饋線受力特性比較
為更準(zhǔn)確地反映3 種低風(fēng)壓正饋線在25% RTS作用下的受力特性,對(duì)狀態(tài)變化參數(shù)進(jìn)行比較,得到3 種低風(fēng)壓正饋線25% RTS 作用下?tīng)顟B(tài)參數(shù)變化曲線,如圖13 所示.
圖13 3 種低風(fēng)壓正饋線25% RTS 作用下?tīng)顟B(tài)參數(shù)變化曲線Fig.13 Variation of state parameter for the three types of positive feeders under 25% RTS
由圖13(a)可知,2 層鋼股承受了絕大部分應(yīng)力,鄰?fù)鈱愉X股在3 層鋁股中承受的應(yīng)力最大,不同型號(hào)低風(fēng)壓正饋線在25% RTS 作用下,從內(nèi)向外第1、4 層股線承受的應(yīng)力基本相同,最外層股線最大應(yīng)力隨r/R值的增大而增大.由圖13(b)可知,在軸向拉力的作用下,股線位移量從內(nèi)層到外層依次增大,表明最外層鋁線最容易疲勞斷股.由于中心鋼股沒(méi)有螺旋,抗拉強(qiáng)度大,所以r/R= 0.12,0.13,0.14 型低風(fēng)壓正饋線中心鋼股位移量基本相等,r/R= 0.13,0.14 型低風(fēng)壓正饋線第2、4 層股線位移量基本相等;r/R= 0.12 型低風(fēng)壓正饋線第2、5 層股線位移量均小于其他低風(fēng)壓正饋線,第5 層股線位移量隨r/R值的增大而增大.
通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的低風(fēng)壓正饋線進(jìn)行防舞有效性仿真分析,發(fā)現(xiàn)低風(fēng)壓正饋線達(dá)到了預(yù)期效果,并對(duì)其中3 種防舞效果較佳的低風(fēng)壓正饋線進(jìn)行受力特性分析,得出以下結(jié)論,并對(duì)低風(fēng)壓正饋線的制造、選型及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)給出以下建議:
1) 低風(fēng)壓正饋線在受到軸向拉力時(shí),鋁股線的軸向形變量大于鋼股線,為了平衡正饋線抗拉強(qiáng)度和導(dǎo)電性能,在制造正饋線時(shí)可以考慮將鋼股線和鋁股線交替絞制.
2) 在軸向載荷作用下,低風(fēng)壓正饋線在線夾處受到很大的應(yīng)力,加劇了正饋線與線夾的磨損,容易導(dǎo)致股線斷裂.在正饋線的日常維護(hù)中應(yīng)該加強(qiáng)巡視,確保線夾轉(zhuǎn)動(dòng)靈活,減小線夾處正饋線的靜應(yīng)力.
3) 低風(fēng)壓正饋線在軸向載荷作用下會(huì)發(fā)生一定程度的扭轉(zhuǎn),在股線接觸處出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn),應(yīng)力集中點(diǎn)位置與正饋線絞合方向相關(guān).在制造正饋線時(shí)可以考慮在股線表面覆緩沖層,減緩股線之間的振蕩沖擊,延長(zhǎng)正饋線使用壽命.
4) 對(duì)3 種防舞效果較為理想的低風(fēng)壓正饋線進(jìn)行受力分析,發(fā)現(xiàn)在同一軸向載荷作用下,最外層鋁股線層的位移量與r/R比值成正比例關(guān)系.而r/R值越大,最外層鋁股線橫截面積越小,在正饋線舞動(dòng)時(shí)越容易疲勞斷股,因此,在低風(fēng)壓正饋線選型時(shí)應(yīng)該綜合考慮,平衡防舞有效性與使用壽命.
致謝:蘭州交通大學(xué)天佑創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃(TY202010)資助.