预紧力对接触网套管双耳强度的影响分析
The Strength Analysis of Pre-tightening Force on Covering Pipe-ear
张金① ZHANG Jin；逯江① LU Jiang；别亦难② BIE Yi-nan；周干③ ZHOU Gan
（①河南中烟工业有限责任公司安阳卷烟厂，安阳 455000；②新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐 830000；
③郑州轻工业学院机电工程学院，郑州 450000）
（①Anyang Cigarette Factory，China Tobacco Henan Industrial Co.，Ltd.，Anyang 455000，China；
②School of Mechanical Engineering，Xinjiang University，Urumqi 830000，China；
③College of Mechanical and Electrical Engineering，Zhengzhou University of light Industry，Zhengzhou 450000，China）
摘要：本文以失效频率很高的接触网零部件套管双耳作为研究对象，简化其力学模型，考虑预紧力、风载、履冰三种载荷因素对套管双耳最大的应力影响。根据实际情况，分12种工况对接触网套管双耳进行数值模拟。研究结果表明，预紧力对套管双耳强度影响较为显著，在实际安装中以2500N为宜。为接触网套管双耳的静强度可靠性研究和设计提供了参考。
Abstract: The covering pipe-ear is one of the important components of the overhead contact line system (OCS) for supporting loads. The finite element model of covering pipe-ear was established, as the pre-tightening force, wind load and ice load all have effect on it, the stress distribution law were simulated under 12 kinds of loading conditions. The results show that the pre-tightening force has remarkable influence on covering pipe-ear and 2500N pre-tightening force is appropriate for the aluminum alloy covering pipe-ear. It is useful for the catenary components static strength reliability design.
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关键词 ：套管双耳；有限元；预紧力；HyperMesh
Key words: sleeve ears；finite element；preload；HyperMesh
中图分类号：TP319; TB21 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）20-0130-02
0引言
随着高速列车速度不断地提高，电气化铁路对接触网的可靠性要求也越来越高，其可靠性直接关系到铁路系统的正常安全运行。因此对接触网的可靠性进行准确的评估分析、研究其失效机理并提出相应的措施对于提高接触网可靠性、保证列车运行安全有着十分重要的意义。根据整体受力分析套管双耳是主要承力部件之一[1]，对接触网的安全运行起着至关重要的作用。传统设计方法已不能满足日益提高的对接触网套管双耳的可靠性需求，因此有必要对套管双耳在不同工况载荷下的应力分布情况进行分析，为接触网系统整体的可靠性研究提供依据。本文以套管双耳为研究对象，建立有限元模型，分析在不同预紧力、风载、覆冰等工况下套管双耳的应力分布，探寻影响套管双耳应力分布的主要因素和合理螺栓预紧力的取值范围，以保证接触网腕臂的正常工作，为工程实际应用提供参考。
1受力分析
一般认为接触网（如图1）悬挂中的垂直载荷均由腕臂支撑结构中的斜腕臂承受，若不考虑斜腕臂的影响，则套管双耳所受的垂直载荷的正方向向上否则平腕臂的弯矩无法平衡。水平腕臂所受垂直负载包括接触线重量、承力索重量和接触线及承力索的履冰重量。水平腕臂所承受的水平负载包括接触线和承力索所受的风载。根据实际的受力特点在受力模型中将绝缘子和平腕臂等效为同一部件进行受力分析[1]。
冰负载的重量计算公式：
式中：gb0—承力索（或接触线）的覆冰重（kg/m）；b—覆冰厚度（mm）；d—线索直径；γb—履冰比重（g/cm3）。
线索风负载的计算公式：
P=0.615aKdlv2sinθ×10-6（2）
式中：P—线索所受的实际风负载（kN）；a—风速不均匀系数；d—线索的直径（mm）；l—跨距长度（m）；v—设计计算风速（m/s）；θ—风向与线路方向的夹角；一般取θ=90°。Ｋ—风负载体型系数。
套管双耳受力状态分为螺栓预紧过程中的施工载荷和正常使用过程中的工作载荷。螺栓预紧力计算公式[4]为：
式中，T为扭矩，d为螺栓直径，F为预紧力。
套管双耳螺栓紧固力矩为15Nm，螺栓直径为10mm，代入式（3）可得预紧力最大约为7500N。为了得到合理的螺栓预紧力以及工作载荷对套管双耳的影响程度，选取12种工况，见表1。
2套管双耳的数值模拟
在各种工况下，均认为零件与腕臂共同受力变形，即不考虑状态非线性。按照零件的实际加工尺寸在Pro/E中建立实体模型。套管双耳在平腕臂上，平腕臂的长度取为套管双耳宽度的7倍。将实体模型导出成IGES格式文件，再导入到ANSYS软件中剖分成规则的六面体网格，得到单元数为33813个，节点数为10205个。用ANSYS进行计算分析[3][5]。
根据实际受力特点，先在螺栓和套管双耳连接处设置接触对，再对螺栓施加预紧力，工作载荷采用集中力形式平均分配到螺栓与斜碗臂连接处的区域节点上。螺栓预紧力[6]运用ANSYS专用预紧力加载方式进行加载。按照实际工作状态，先分级加螺栓预紧力，然后再加工作载荷。对平腕臂一端施加全约束（X，Y，Z），另一端约束两个方向（X，Y）的位移，不约束轴向位移。进行求解。
3计算结果分析
通过计算得到套管双耳在各种工况下的最大应力、螺栓中间应力及最大位移分析结果如图3。工况3施加了2000N预紧力，没有风速和覆冰。工况4施加了2000N预紧力，30m/s的风速和10mm厚的覆冰。由图2分析数据可知，对比工况3和工况4的作用下，套管双耳的整体应力分布和最大应力变化不大。比较其他各种工况也是同样情况，得到风载和履冰对套管双耳的影响很小，预紧力对套管双耳的影响较大。在工况3下的V.Miss应力云图如图3，最大应力达到134.3MPa，远没有达到Q235的屈服极限，有足够的强度余量。对比工况4和工况5可知，预紧力达到2500N左右时套管双耳受力比较均匀。在7500N预紧力作用下，已超过材料的破坏极限。
4结论
本文能过有限元软件对接触网套管双耳在12种工况下进行分析，得出以下结论：①在相同预紧力下风载和履冰对套管双耳的强度、变形影响相对较小。②随着预紧力的增大，对套管双耳的应力水平产生显著增加，在工程实际安装中预紧力达到2500N时为宜。③最大应力发生在螺栓帽和套管双耳的连接处，应采取措施以减小应力集中。螺栓杆中间受力比较均匀合理。
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参考文献：
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