Influence of clamp and wear depth on stress distribution and fatigue life of high-speed railway contact wires

HUANG Jie; ZHANG Jiawei; GUAN Jinfa; ZHANG Jiwang; SU Kaixin; XU Kejia

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.002

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Influence of clamp and wear depth on stress distribution and fatigue life of high-speed railway contact wires

·Fatigue·Damage·Fracture·Failure Analysis· | 更新时间：2026-07-17

- Influence of clamp and wear depth on stress distribution and fatigue life of high-speed railway contact wires
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 7, Pages: 12-22(2026)
- 作者机构：
  
  1.西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室，成都 610031
  2.西南交通大学电气工程学院，成都 611756
- 作者简介：
  
  ZHANG Jiwang, E-mail: zhangjiwang@swjtu.cn
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52472421)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.002
  CLC： U225
- Received：31 October 2024，
  
  Online First：17 July 2026，
  
  Published：15 July 2026
- 稿件说明：
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黄杰，张家玮，关金发，等. 线夹和磨损深度对高速铁路接触线应力分布与疲劳寿命的影响［J］. 机械强度，2026，48（7）：12-22.

Huang Jie，Zhang Jiawei，Guan Jinfa，et al. Influence of clamp and wear depth on stress distribution and fatigue life of high-speed railway contact wires［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（7）：12-22.
黄杰，张家玮，关金发，等. 线夹和磨损深度对高速铁路接触线应力分布与疲劳寿命的影响［J］. 机械强度，2026，48（7）：12-22. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.002.

Huang Jie，Zhang Jiawei，Guan Jinfa，et al. Influence of clamp and wear depth on stress distribution and fatigue life of high-speed railway contact wires［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（7）：12-22. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2026.07.002.

摘要

目的

高速铁路接触线在服役过程中存在疲劳失效风险，由于线夹位置受流质量的恶化，该处的接触线磨损严重，成为疲劳失效的高发区域。探究线夹和磨损深度对接触线应力分布和疲劳寿命的影响具有重要的工程意义。

方法

首先，以线夹位置处接触线为研究对象，建立受电弓-接触网耦合系统动力学仿真模型和含实体单元的线夹与接触线的接触网混合模型；然后，对不含线夹的接触线、具有不同磨损率（0%、14%、19%）的含线夹的接触线进行应力分析；最后，开展10

循环次数内接触线材料的高周疲劳试验，并基于应力分析结果进行疲劳寿命预测。

结果

研究结果表明，所提的接触网混合模型能够准确、直观地呈现接触线在线夹位置处的应力分布，相比于梁单元接触网模型，该模型能够捕捉到更加详细的应力时程。线夹两端的接触线出现了明显的应力集中，且随着磨损深度的增加，应力集中会更加显著。线夹的存在会显著缩短接触线的疲劳寿命，而忽视线夹的影响将导致预测的接触线疲劳寿命偏长。接触线的疲劳寿命随着磨损深度的增大而缩短，且磨损深度越大，接触线的疲劳寿命缩短越快。

Abstract

Objective

High-speed railway contact wires are exposed to the risk of fatigue failure during service. Deterioration of current quality at the clamp position causes severe wear of the contact wire

making this area a high-incidence region for fatigue failure. It is of important engineering significance to investigate the effects of clamps and wear depth on the stress distribution and fatigue life of contact wires.

Methods

Firstly

taking the contact wire at the clamp position as the research object

a dynamic simulation model of the pantograph-catenary coupling system and a hybrid catenary model with solid elements for clamps and contact wires were established. Secondly

stress analysis was carried out on the contact wire without clamps and the clamped contact wires with different wear rates (0%

14%

19%). Finally

high-cycle fatigue tests of contact wire materials within 10

cycles were conducted

and fatigue life prediction was performed based on the stress analysis results.

Results

The results show that the proposed hybrid catenary model can accurately and intuitively present the stress distribution of the contact wire at the clamp position. Compared with the beam-element catenary model

this model can capture more detailed stress time history. Obvious stress concentration occurs on the contact wire at both ends of the clamp

and the stress concentration becomes more significant with the increase of wear depth. The existence of clamps remarkably shortens the fatigue life of the contact wires

and ignoring the influence of clamps will lead to an overestimated fatigue life. The fatigue life of the contact wire shortens with the increase of wear depth

and the greater the wear depth

the faster the life shortening of the contact wire.

关键词

Keywords

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