地铁接触网U型密封装置有限元数值模拟★

陈华明　张瑞龙（中国建筑标准设计研究院有限公司，北京　100048）



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地铁接触网U型密封装置有限元数值模拟★

陈华明张瑞龙
（中国建筑标准设计研究院有限公司，北京100048）

摘要：介绍了刚性接触网密封装置选材与形状设计方法，对该装置的接触问题进行了有限元分析，实现了不断开刚性接触网前提下的防护密闭处理，计算结果表明接触网移动板压缩行程超过5.5 mm时，密封性能是可靠和安全的，为刚性接触密封装置在实际工程中的应用提供了理论依据。

关键词：地铁接触网，橡胶，密封装置，移动板

★：“十二五”国家科技支撑计划课题（编号：2012BAJ01B00）

1　概述

近二十年来，我国城市轨道交通建设如火如荼，发展迅猛。根据相关规范要求，地铁平时作为城市交通的骨干，战时作为城市防空疏散干道和人员紧急掩蔽场所。地铁列车按受电方式可分为刚性接触网和柔性接触网，其中刚性悬挂接触网结构简单、安装维护方便，在我国轨道交通行业内应用广泛［1］。

在地铁设计中，一般在区间隧道或者车站端头设置单扇防护密闭隔断门，能双向承受冲击波荷载。这样在战时，当炸弹爆炸造成门扇一侧的防护单元破坏后，门扇另一侧的防护单元仍然能正常使用。刚性接触网U型密封装置作为单扇防护密闭隔断门的主要部件，是否能够有效实现密封功能是关键所在。对于接触网密封装置中接触网移动板的压缩行程和密闭性能，国内相关设计单位一般根据经验来进行设计，设计成果缺乏理论依据。近年来，中国建筑标准设计研究院在国内原有隔断门的基础上，研制了不需断开刚性接触网就能启闭的区间单扇防护密闭隔断门，实际工程应用中操作方便，平战转换效率高［2］。

在设计时，按照功能要求区间隔断门一般设计成双向受力，即门扇正反两面分别承受50 km/m2的爆炸冲击波荷载。正常工作状态时，刚性接触网密封装置中接触网移动板挤压接触网密封橡胶和上密封板密封胶条，从而达到密封目的；在战时，橡胶除了满足前述要求外，还要求能抵抗爆炸冲击波的作用，即不能发生破裂，这就对密封橡胶的力学性能提出了严格要求，通过非线性接触有限元分析可以解决上述问题。

2　U型密闭装置有限元模拟

橡胶属于完全无定型聚合物，是一种超弹性材料，具有良好的伸缩性和复原性，可以理想化为没有塑性屈服的弹性材料。在Ansys中，橡胶的本构关系用2参数的Mooney-Rivlin模型来表示：

其中，C10和C01均为Rivlin系数；W为应变能密度函数［3］。

接触问题的特点是属于边界非线性问题，边界条件不再是定解条件，而是待求结果；两接触体间接触面积与压力随外载的变化而变化，并与接触体的刚性有关。在Ansys中，常用的接触问题的求解方法包括拉格朗日乘子法和罚函数法［4］。

地铁区间单扇防护密闭隔断门总装图和密封橡胶分别如图1和图2所示。实体模型和分析单元网格划分如图3和图4所示。通过接触网移动板挤压接触网移动板的橡胶密封条、接触网密封橡胶实现密封功能。由于接触网移动板的橡胶密封条受密封上压板（铝板）挤压，同时又与稍软的接触网密封橡胶进行接触密封，即多边界条件下不同硬度橡胶、不同物质之间同时发生非线性接触，这就使接触网移动板的合理压缩行程成为计算的关键。如果行程过小，则橡胶之间、橡胶和铝板之间会有空隙，没有紧密贴合；如果行程过大，则挤压的橡胶可能发生破裂或单侧鼓包，计算无法有效收敛。经过多次试算，当压缩行程为5.5 mm时，有限元计算结果得到收敛，应力和变形合理，形成了有效密封，实现了系统的密封功能要求。

图1　门扇整体安装示意图

在Ansys10.0有限元软件中，选用Solid185单元来模拟橡胶单元，接触网密封橡胶和橡胶密封条参数为：硬度分别为45绍尔和55绍尔；弹性模量分别为E =1.70 MPa和E =2.51 MPa；摩擦系数分别为0.55和0.6；泊松比υ=0.47。选用Solid45单元来模拟钢板和铝板，弹性模量分别为E = 2.06×105MPa和E = 7.17×104MPa，泊松比υ=0.29和0.33。在橡胶之间、橡胶和铝板之间、橡胶和钢板之间设置接触单元。密封装置中的橡胶变形图如图5所示，计算结果表明，当压缩行程为5.5 mm时，接触网移动板的橡胶密封条和接触网密封橡胶发生明显的不均匀变形，变形后的橡胶填满了空隙，接触网密封橡胶在冲击波的作用下（冲击波荷载取50 kN/m2）沿接触网长度方向发生一定的偏移，但是和接触网仍然紧密接触。图6是橡胶接触状态图，图中A区域表示两部分橡胶之间、橡胶与刚体紧密接触的部位；图中B区域表示两部分橡胶之间、橡胶与刚体表面接触并沿切面有相对滑移；图中C区域表示橡胶与刚体将要发生接触的部位。从变形和接触图可以判断：接触网移动板的橡胶密封条、接触网密封橡胶、铝板和接触网紧密接触，在冲击波的作用下橡胶偏移很小，达到密封功能。图7为刚性接触网密封橡胶Von Mises应力云图，图8为密封上压板（铝板）应力云图，从图7，图8中可以判断橡胶和铝板没有破坏。

图2　密封橡胶体

图3　实体模型

图4　分析单元网格划分

图5　橡胶变形图

图6　橡胶接触状态图

图7　橡胶应力云图

图8　密封上压板（铝板）应力云图

综上所述，当接触网移动板压缩行程超过5.5 mm时，接触网移动板的橡胶密封条、接触网密封橡胶、密封上压板（铝板）和刚性接触网紧密接触，在50 kN/m2冲击波荷载的作用下，橡胶一直处于弹性阶段，没有发生破裂，形成了有效的密封。

3　结语

非线性有限元分析结果表明当接触网移动板压缩行程超过5.5 mm时，密封橡胶一直处于弹性阶段，没有发生破裂，形成了有效的密封，实现了不断开刚性接触网前提下的防护密闭处理，并且该密封装置已用于北京地铁14号线和南京地铁3号线，获得了普遍好评。

参考文献：

［1］胡玉镜，张伟刚，刘斌生.地铁新型人防区间隔断门的研制［J］.都市快轨交通，2008（6）：87-90.

［2］袁海忠，陈华明，王海燕.地铁轨道密封装置三维非线性有限元分析［J］.山西建筑，2011，37（7）：121-122.

［3］王伟，邓涛，赵树高.橡胶Mooney-Rivlin模型中材料常数的确定［J］.特种橡胶制品，2004，25（4）：8-10.

［4］于振波，蔡永梅，唐晓初.C形密封圈结构的有限元分析［J］.石油化工设备，2008，25（4）：8-10.

中图分类号：U231

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0122-03

收稿日期：2015-12-16

作者简介：陈华明（1978-），男，博士，高级工程师；张瑞龙（1964-），男，教授级高级工程师

On finite element numeric simulation of U-shaped sealing devices at subway catenary★

Chen Huaming Zhang Ruilong
（China Institute of Building Standard Design and Research，Beijing 100048，China）

Abstract：The paper introduces the materials selection and shape design for the rigid catenary，undertakes the finite element analysis of some problems at the catenary of the device，realizes the protective sealing treatment with the premise of opening the rigid catenary continuously，and the calculation results shows that the sealing performance can be reliable and safe when the compression travel of the moveable plate of the catenary is over 5.5 mm，so as to provide some theoretic reference for its application.

Key words：subway catenary，rubber，sealing device，moveable plate