铁路安全跨越防护装备冲击响应分析

刘翔云 黄松和

西南交通大学 成都 610031

摘 要：运用LS-DYNA 软件中的APDL 命令流建立安全防护装备防护网系统的有限元分析模型，根据电缆断线的实际工况，利用Ansys/LS-DYNA 进行冲击响应分析，分析了电缆断线时高度不同情况下对电缆冲击防护网结果的影响。

关键词：跨越防护装备；冲击动力学；有限元；分析

中图分类号：U298 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）18-0054-05

0 引言

在架设电力线路时，经常出现新建的电力线路和已有的铁路线路交叉的状况，而随着我国电力与铁路建设的发展，新建电力线路与既有铁路交叉跨越的情况日益增多。根据相关规定，电力线路换线施工在跨越铁路上方时必须对铁路进行安全防护并取得铁路管理部门的同意。目前常用的铁路跨越防护方法为搭设脚手架并加装绝缘防护网。该方法步骤繁琐，且施工周期长、安全性低，因此设计研发了KY-18 铁路跨越安全防护装备，其总体结构见图1，该装备主要作用是在铁路上方换电缆时对铁路进行保护，电缆坠落时防护网系统承受电缆冲击。针对电缆冲击防护网系统问题，用LS-DYNA 软件对现场可能发生的电缆坠落的工况进行分析，并分析出电缆坠落高度不同对电缆冲击防护网系统结果的影响[1]。

1 有限元数值分析模型

1.1 工程概况

正常情况下，在铁路上方进行高压电导线张力放线施工情况如图2 所示，一般采用飞行器腾空展放初级导引绳，将初级导引绳放入放线滑车内，由初级导引绳逐级展放后面的导引绳，确保初级导引绳引导导引绳进入放线滑车内，然后采用一牵一方式逐级牵引导引绳，展放完毕后收紧牵引绳，然后在张力场由牵引绳通过走板连接张力机出来的电缆，在牵引场，将牵引绳连在牵引机上，进行导线的展放。

图1 铁路跨越安全防护装置总体结构

在电缆放线过程中需要进行换盘、压接接续管、更换牵引盘等操作，也要进行放线滑车的处理工作。因为整个过程人工操作，很有可能发生因操作失误而导致的导引绳未与电缆连接好而发生的断线事故，其电缆断线示意图如图3 所示。在电缆冲击过程中，装备主要受力部件为双机的横梁一、二级及中间的防护网，故只需建立双机横梁一、二级及防护网模型对其进行分析即可。

图2 电缆正常换线示意图

图3 电缆断线示意图

1.2 材料参数

在防护网系统中，横梁一、二级的桁架结构由矩形型材焊接而成，故采用Beam 161 单元来创建模型[2]，防护网系统中防护网由细长状结构组成，电缆也为细长杆状结构。在电缆冲击防护网过程中单元并不受压，因此防护网及电缆均采用Link 167 缆单元。防护网系统的横梁一级采用Q355 材料，Q355 钢的弹性模量为2.06×105 MPa ，模型简化处理后密度调整为8.74×10-9t/mm3，泊松比为 0.28，屈服强度为355 MPa。横梁二级为6061-T6 铝合金材料，弹性模量为6.9×104 MPa，密度为2.83×10-9 t/mm3，泊松比为 0.33，屈服强度为245 MPa。防护网系统中网采用迪尼玛绳材料，弹性模量为3.04×104 MPa，密度为1.88×10-9 t/mm3，电缆采用实际中的铁路上方的JL/LB1-A240/30 型电缆，密度为883.6 kg/km，弹性模量为61.9 GPa，直径为21.6mm，取电缆长度为30 m。

1.3 计算模型

根据装备实际结构尺寸及材料参数建立的有限元模型 如图4 所示。

图4 防护网系统数值计算模型

对于横梁一、二级计算模型，约束横梁一级与主塔连接铰点处以及横梁二级与副塔回转架连接铰点处的x、y、z 方向的平动自由度。电缆则根据工况不同约束两端或一端x、y、z 方向平动自由度。电缆冲击防护网是一个动力学问题，故将电缆的重力及重力加速度作为动力分析的动载荷。同时根据工况的不同，调整电缆距网高度，从而实现分析电缆断线工况不同高度对冲击结果的影响。在建模过程中忽略空气阻力及风载的影响。在电缆冲击防护网的接触过程中主要产生两种接触，电缆与防护网的接触以及防护网自身的接触，在此接触过程中，接触部位及接触方向之类的接触条件不断变化，不能轻易判断，故在本研究过程中采用*CONTACT_AUTOMATIC_GENERAL[3] 接触定义即可，动摩擦系数和静摩擦系数均为 0.8。仿真过程中设置的求解时间为5 s，计算结果文件输出步数和时间历程文件输出步数均为200[4]。计算模型的阻尼采用 Rayleigh 阻尼模型[5]，结构的质量阻尼以及刚度阻尼分别为 0.92 和0.002。

2 工况选择

在进行高压电导线的放线过程中, 由于不同施工环境中耐张塔高度不同，牵引机以及张力机放线速度不同会直接导致电缆距离防护网的高度发生改变，不同高度下的电缆断落会使得电缆冲击防护网时的冲击力发生改变，进而影响到横梁的受力状况。为了研究电缆断线坠落高度对冲击结果的影响，本节设立三个数值模拟实验，距离防护网的高度分别是6 m、8 m、10 m。均采用电缆为35 m 长的电缆，电缆位于防护网正中心上方且一端固定，电缆的初速度为0 ，在电缆上整体施加重力以及重力加速度。

3 冲击过程分析

为研究电缆断线后电缆冲击防护网的过程，列出三种工况下各时刻的电缆冲击过程图，各时刻电缆冲击过程图如图5 ～图7 所示。

图5 电缆6 m 高度冲击过程

图6 电缆8 m 高度冲击过程

图7 电缆10 m 高度冲击过程

由图5 ～图7 可以看出，电缆断裂后即发生下坠，电缆在空中呈现出L 状的曲线形状，每时刻电缆左端始终比右端的竖向位移要大，电缆在空中不仅有竖向的位移，同时也有横向位移。在电缆接触防护网后即进入了拦截的状态，在防护网范围内的电缆竖向位移及横向位移速度减小直至静止，防护网范围外的电缆由于惯性则继续向下摆动。防护网由于受到电缆的冲击力作用也发生了竖向及横向的位移变形，在冲击力达到最大值后防护网的竖向及横向位移达到最大，随着冲击力的减小防护网渐处于静止状态，此时防护网完成拦截。由于电缆在空中是一个L 形的曲线形状，所以电缆与防护网接触是从左到右逐渐接触。由于电缆高度不同，电缆冲击防护网时与网接触的长度不同，电缆距离网的高度越高，电缆冲击防护网时的长度越短。

4 冲击力分析

如图8 所示，高度为6 m、8 m、10 m 的电缆分别在1.13 s、1.28 s、1.43 s 开始出现冲击力，表明此时电缆完成下坠开始冲击防护网，随着电缆逐渐与防护网接触，电缆的冲击力逐渐增大，分别在 1.58 s、1.75 s、1.91s 时电缆冲击力到达最大值22.56 kN、20.86 kN、18.9kN，在冲击力到达最大值后便开始减小，直至冲击力减为零。根据冲击力时程图可知，6 m 高度冲击力最大值>8 m 高度冲击力最大值>10 m 高度冲击力最大值，而根据上小节中6 m 高度冲击电缆的长度>8 m 高度工况>10 m 高度工况，表明不同电缆高度会使电缆坠落到防护网上的长度发生变化，冲击过程中电缆长度越长，则最大冲击力会越大。

图8 电缆冲击力时程图

5 横梁应力分析

5.1 电缆6 m 高度工况下横梁应力变化

电缆6 m 高度工况横梁应力变化如图9 所示，由图9a 可看出6 m 高度断线的电缆在1.132 s 刚接触防护网时，横梁一级与网连接的前十一根竖杆范围均出现较大应力，最大应力为19.4 MPa。从图9b 可以看出，1.58s 冲击力达到最大值时，与网连接的横梁一级以及横梁二级前8 根竖杆范围出现较大应力，最大应力为209MPa。从图9c 可以看出，在1.62 s 与网接触的横梁一级以及横梁二级前9 根竖杆范围出现较大应力，最大应力为189.6 MPa。从图9d 可以看出，在1.73 s 时与网接触的横梁一级以及横梁二级前9 根竖杆范围出现较大应力，最大应力175.5 MPa。在整个冲击过程中横梁最大应力出现在1.58 s，此时冲击力最大，最大应力为209MPa，符合强度要求。

图9 电缆6 m 高度工况横梁应力变化图

5.2 电缆8 m 高度工况下横梁应力变化

从图10a 可看出，1.28 s 从8 m 高度断线的电缆刚接触防护网，横梁一级与网连接的前五根竖杆范围出现较大应力，最大应力为8 MPa。从图10b 可以看出，1.75 s 电缆对防护网冲击力最大时与网连接的横梁一级以及横梁二级前6 根竖杆范围出现较大应力，最大应力为206 MPa。从图10c 可以看出，1.81 s 时与网连接的横梁一级以及横梁二级前6 根竖杆范围出现较大应力，最大应力为181.1 MPa。从各工况图10d 可以看出，1.85s 时与网连接的横梁一级以及横梁二级前6 根竖杆范围出现较大应力，最大应力为178.8 MPa。在整个冲击过程中横梁最大应力出现在1.75 s，此时冲击力最大，最大应力为206 MPa，符合强度要求。

图10 电缆8 m 高度工况横梁应力变化图

5.3 电缆10m 高度工况下横梁应力变化

从图11a 可看出，1.43 s 从10 m 高度下坠电缆与防护网刚接触时与网连接的横梁一级前四根竖杆范围出现较大应力，最大应力为17.4 MPa。从图11b 可以看出，1.91s 冲击力最大时与网连接的横梁一级前11 根竖杆范围出现较大应力, 最大应力为153.5 MPa。从图11c 可以看出，1.94 s 与网连接的横梁一级前12 根竖杆范围出现较大应力，最大应力为151 MPa。从图11d 可以看出，10 m 工况与网连接的横梁一级1.96 s 时前12 根竖杆范围出现较大应力，最大应力为145.9 MPa。在整个冲击过程中横梁最大应力出现在1.91 s，此时冲击力最大，最大应力为151.9 MPa，符合强度要求。

图11 电缆10 m 高度工况横梁应力变化图

6 结语

1）根据铁路跨越安全防护装备利用LS-DYNA 软件中的APDL 命令流建立防护网系统的有限元分析模型。

2）根据现场电缆断裂坠落的具体情况，在仿真过程中选择了三种电缆高度工况进行冲击响应分析。

3）对电缆冲击防护网系统的冲击过程进行分析，得出电缆与防护网的接触是从左到右逐渐接触。由于电缆高度不同，电缆冲击防护网时与网接触的长度不同，电缆距离网的高度越高，电缆冲击防护网时的长度越短。

4）对电缆冲击防护网过程中的冲击力进行分析，得出不同高度工况下冲击力均是先增大后减小的趋势，最大冲击力6 m 高度工况＞ 8 m 高度工况＞ 10 m 高度工况。

5）从三种工况横梁各时刻的应力变化图分析可知，同一种工况中，由于电缆在空中是L 状的倾斜曲线，所以在电缆冲击力作用下首先是网的最左端受到电缆冲击，对应横梁左端先出现应力。随着电缆继续与防护网接触，防护网从左至右逐渐受电缆冲击，对应横梁的应力范围从左往右不断扩大。在冲击过程中横梁的最大应力变化也是呈现先增大后减小的趋势。不同工况下电缆高度不同，电缆下坠后到达防护网时与防护网接触的长度不同，高度越高，电缆与防护网接触的长度越短，对横梁两边的影响范围小，同时横梁的最大应力也越小。

参考文献

[1] 刘成清，何斌，陈池，等.Ansys/LSDYNA 工程结构抗震抗撞击与抗连续倒塌分析[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2014.

[2] 刘成清，陈林雅，陈驰，等. 落石冲击作用下被动柔性防护网整体结构试验[J]. 中国地质灾害与防治学报，2014（4）：37-44.

[3] 谷长春，石明全. 基于Ansys/LSDYNA 的高速碰撞过程的数值模拟[ J ] . 系统仿真学报，2009，21（15）：4 621-4 624.

[4] 白金泽.LS-DYNA3D 理论基础与实例分析[M]. 北京：科学出版社，2005.

[5] 叶四桥，陈洪凯，唐红梅. 落石冲击力计算方法[J]. 中国铁道科学，2010，31(6)：56-62.

来源：起重运输机械