強(qiáng)側(cè)風(fēng)下接觸網(wǎng)響應(yīng)特性及弓網(wǎng)運(yùn)行安全分析

劉長利

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

大風(fēng)所經(jīng)過的鐵路沿線地形，無論在垂直還是水平方向上受到約束，風(fēng)速將增大而成為強(qiáng)風(fēng)。其中，側(cè)向強(qiáng)風(fēng)對(duì)鐵路運(yùn)行安全影響較大。文獻(xiàn)［1］中的鐵路運(yùn)營監(jiān)測和風(fēng)洞試驗(yàn)研究結(jié)果表明，路堤上接觸網(wǎng)高度附近的側(cè)向風(fēng)速可以達(dá)到平地同樣高度的1.2～1.5倍，攻角也由平均±3°達(dá)到+15°。對(duì)于設(shè)置了擋風(fēng)墻的情況，根據(jù)文獻(xiàn)［2］對(duì)蘭新鐵路擋風(fēng)墻后接觸網(wǎng)風(fēng)場研究成果，高度3～4 m擋風(fēng)墻后面的接觸網(wǎng)處于高速繞流區(qū)，風(fēng)速放大系數(shù)達(dá)1.25倍以上，對(duì)接觸網(wǎng)工作狀態(tài)和弓網(wǎng)運(yùn)行安全更為不利。

據(jù)記載，法國TGV東南線在投入運(yùn)營3個(gè)月后，強(qiáng)側(cè)風(fēng)連續(xù)2次引起接觸網(wǎng)-受電弓的行車事故，由于支柱處接觸線抬升量超出了允許限度，致使受電弓掛斷1 400 m接觸線，損壞了12 km吊弦和定位器［3-4］。隨后，在國際上接觸網(wǎng)出現(xiàn)了兩種技術(shù)發(fā)展方向:德國主推帶限位支座的矩形定位器，支柱懸掛點(diǎn)有彈性吊索;法國、意大利等沿海國家則采用允許抬升量400 mm的彎刀形定位器，設(shè)定位管支撐，無彈性吊索。

本研究采用非線性有限元分析軟件進(jìn)行接觸網(wǎng)風(fēng)致響應(yīng)特性及弓網(wǎng)運(yùn)行安全問題研究。

1 接觸網(wǎng)有限元建模

采用前后處理器SAMCEF Field V6.1和求解器SAMCEF Cable V11.0，在接觸懸掛及支持結(jié)構(gòu)的自重、張力及強(qiáng)側(cè)風(fēng)等荷載作用下，模擬和計(jì)算接觸網(wǎng)線索位移(抬升和水平偏移)、接觸線張力變化、支持結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力等問題。風(fēng)速采用烏魯木齊鐵路局《大風(fēng)天氣列車安全運(yùn)行辦法》(烏鐵總［2007］151號(hào)文)中停輪瞬時(shí)風(fēng)速40 m/s，攻角采用+15°。

1.1 三跨接觸懸掛模型的建立

接觸網(wǎng)有限元模型的接觸懸掛包括接觸線、承力索和吊弦，支持結(jié)構(gòu)包括支柱、平腕臂、斜腕臂、絕緣子、腕臂支撐和定位器［5］。在SAMCEF Field軟件中分別創(chuàng)建接觸懸掛和支持結(jié)構(gòu)模型，然后組合在一起。建模初始參數(shù)、材料特性分別見表1、表2。

表1 接觸網(wǎng)建模初始參數(shù)

表2 接觸網(wǎng)線索的材料特性［6-7］

建立三跨接觸懸掛模型。模型采用全補(bǔ)償簡單鏈形懸掛，首端模擬中心錨結(jié)固定，末端模擬接觸線、承力索分別下錨補(bǔ)償，原始模型如圖1所示。

圖1 三跨接觸懸掛原始模型

接觸網(wǎng)有限元建模進(jìn)行了如下考慮:(1)支柱、平腕臂、斜腕臂、腕臂支撐和定位器采用梁單元模擬;(2)接觸線、承力索和吊弦采用纜索單元模擬;(3)斜腕臂、絕緣子、腕臂支撐組成的支持結(jié)構(gòu)沿垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)，采用鉸鏈單元模擬;(4)定位器沿定位支座轉(zhuǎn)動(dòng)采用鉸鏈單元模擬;(5)接觸線、承力索和吊弦之間的連接采用球鉸單元模擬。有限元模型如圖2所示。

圖2 三跨接觸懸掛有限元模型(簡單鏈形懸掛)

1.2 邊界條件及風(fēng)載荷定義

在SAMCEF Field軟件中，將支柱根部定義為固定約束，即6個(gè)自由度約束;側(cè)風(fēng)的來風(fēng)向定義為接觸網(wǎng)支柱田野側(cè)，風(fēng)速40 m/s，攻角+15°，風(fēng)荷載作用于接觸網(wǎng)支柱和接觸懸掛。風(fēng)荷載定義為

支柱的單位風(fēng)荷載:P1=η×P0×D

線索的單位風(fēng)荷載:P2=P(t)×d

式中，η為支柱體型系數(shù);P0為基本風(fēng)壓，采用瞬時(shí)風(fēng)速40 m/s且不考慮風(fēng)壓高度變化系數(shù);D為支柱直徑;P(t)為加載于線索上的脈動(dòng)風(fēng)風(fēng)壓時(shí)程，采用Davenport譜模擬;d為線索直徑。

1.3 接觸網(wǎng)初始變形計(jì)算和模型驗(yàn)證

SAMCEF軟件在電力、能源和鐵路行業(yè)均有成熟應(yīng)用。本研究首先進(jìn)行接觸網(wǎng)初始變形計(jì)算和模型驗(yàn)證，接觸懸掛受風(fēng)瞬態(tài)位移分布云圖(4倍放大)如圖3所示，提取軟件模型的接觸懸掛靜態(tài)彈性、最大水平位移等數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)照，結(jié)果表明該軟件的計(jì)算方法正確可靠，提取三跨接觸懸掛模型的2號(hào)、3號(hào)支柱及第2跨中點(diǎn)數(shù)據(jù)能夠反映實(shí)際情況。

圖3 三跨接觸懸掛的側(cè)風(fēng)瞬態(tài)位移分布云圖

2 接觸網(wǎng)風(fēng)致響應(yīng)特性分析

2.1 不同接觸懸掛類型的風(fēng)致位移響應(yīng)

目前我國鐵路常見全補(bǔ)償簡單鏈形、彈性鏈形懸掛的主要參數(shù)如圖4所示，通過仿真計(jì)算進(jìn)行兩種接觸懸掛類型的防風(fēng)性能對(duì)比分析。

圖4 簡單鏈形懸掛、彈性鏈形懸掛的仿真模型參數(shù)(單位:m)

簡單鏈形懸掛的模型采用圖2，彈性鏈形懸掛的模型是在圖2基礎(chǔ)上增加彈性吊索。首先，計(jì)算彈性吊索和吊弦的初始長度，得到單跨初始狀態(tài)的分析模型及變形云圖，在此基礎(chǔ)上建立彈性鏈形懸掛的三跨模型，單跨初始狀態(tài)的變形云圖及三跨模型局部放大圖如圖5所示。

圖5 彈性鏈形懸掛的單跨變形云圖及三跨模型放大圖

對(duì)圖2、圖5兩種接觸懸掛模型進(jìn)行仿真計(jì)算，提取這兩種模型的2號(hào)、3號(hào)支柱正、反定位點(diǎn)及第2跨中點(diǎn)的接觸線最大豎向位移(即抬升量)和最大水平位移(即風(fēng)偏移值)，及跨中承力索最大水平位移等分別進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

從結(jié)果數(shù)據(jù)可以得出:(1)簡單鏈形懸掛正、反定位點(diǎn)及第2跨中點(diǎn)的接觸線抬升量均較小，其中在正定位點(diǎn)兩者差異較大;(2)兩種懸掛類型的水平風(fēng)偏值差異不大。

圖6 簡鏈、彈鏈懸掛的風(fēng)致位移對(duì)比

2.2 典型接觸懸掛組合的最佳匹配張力

從圖6中還可以看出，無論簡單鏈形懸掛還是彈性鏈形懸掛，第2跨中點(diǎn)的承力索水平位移與接觸線相比均較大，存在風(fēng)致吊弦線夾偏斜打弓問題。這種風(fēng)偏移不同步現(xiàn)象主要是由于接觸線與承力索在線徑、張力方面存在差異造成的，對(duì)于我國鐵路典型的接觸懸掛組合:JTMH95+CTS120、JTMH120+CTS120、JTMH95+CTS150、JTMH120+CTS150等，為使接觸線與承力索的風(fēng)偏移同步且幅值一致，在改變線材規(guī)格、接觸線張力均受限的情況下，適當(dāng)調(diào)整承力索張力是比較好的辦法。以圖2中簡單鏈形懸掛模型為藍(lán)底，進(jìn)行強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下的懸掛組合最佳匹配張力研究，在仿真過程中，接觸線張力維持不變，對(duì)承力索張力以0.5 kN步長遞增或遞減，提取第2跨中點(diǎn)的承力索、接觸線最大水平位移進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)兩偏移值接近時(shí)表明承力索與接觸線的風(fēng)致響應(yīng)同步，如圖7所示。

圖7 風(fēng)致響應(yīng)同步時(shí)跨中接觸線、承力索水平位移

承力索初始張力采用國內(nèi)鐵路常見選用值，根據(jù)仿真結(jié)果，這4種接觸懸掛組合的初始張力與優(yōu)化后的最佳匹配張力如表3所示。

表3 接觸網(wǎng)防風(fēng)的最佳匹配張力 kN

2.3 不同跨距參數(shù)下的接觸網(wǎng)風(fēng)致位移響應(yīng)

對(duì)以上4種接觸懸掛組合分別以跨距45、50、55、60 m工況劃分，采用圖2模型進(jìn)行仿真計(jì)算，提取2號(hào)、3號(hào)支柱正、反定位點(diǎn)接觸線及第2跨中點(diǎn)的接觸線(或承力索)最大豎向位移和最大水平位移分別進(jìn)行對(duì)比，研究跨距參數(shù)對(duì)接觸網(wǎng)抗風(fēng)性能的影響。仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比如圖8所示。

圖8 典型懸掛組合在不同跨距時(shí)的風(fēng)致位移響應(yīng)

從圖8中數(shù)值對(duì)比可以看出:(1)隨著跨距減小，4種懸掛組合均有風(fēng)致位移減小的趨勢，表明縮小跨距可提高接觸網(wǎng)抗風(fēng)性能;(2)當(dāng)45 m跨距時(shí)，4種懸掛組合的風(fēng)致位移響應(yīng)差異不大，而60 m跨距時(shí)差異較大，其中懸掛組合3抗風(fēng)性能較好;(3)跨距參數(shù)對(duì)跨中接觸線(或承力索)風(fēng)偏移值、跨中接觸線抬升量及正定位點(diǎn)接觸線抬升量影響較大。

2.4 接觸線、吊弦及腕臂結(jié)構(gòu)的風(fēng)致應(yīng)力響應(yīng)

在第1.1節(jié)研究的簡單鏈形懸掛模型(圖2)仿真計(jì)算中，提取2號(hào)、3號(hào)支柱正、反定位點(diǎn)接觸網(wǎng)風(fēng)致應(yīng)力響應(yīng)云圖，其4倍放大圖如圖9、圖10所示。

圖9 正定位點(diǎn)接觸網(wǎng)風(fēng)致應(yīng)力響應(yīng)放大圖

圖10 反定位點(diǎn)接觸網(wǎng)風(fēng)致應(yīng)力響應(yīng)放大圖

從應(yīng)力云圖對(duì)比可以看出:(1)當(dāng)來風(fēng)向?yàn)橹е镆皞?cè)時(shí)，正定位點(diǎn)的應(yīng)力變化比反定位點(diǎn)大，且集中在線材(接觸線、承力索及吊弦)、套管雙耳(斜腕臂與平腕臂結(jié)合部)、承力索座及定位線夾等處;(2)在圖10中支柱附近第一根吊弦處于松弛狀態(tài)，強(qiáng)側(cè)風(fēng)引起的接觸線張應(yīng)力增量達(dá)9%左右;(3)在反定位點(diǎn)，應(yīng)力變化集中在定位管、定位器支座(定位管與定位器結(jié)合部)等處。

3 強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下弓網(wǎng)運(yùn)行安全分析

3.1 弓網(wǎng)運(yùn)行安全原則及評(píng)價(jià)指標(biāo)

接觸網(wǎng)在自然環(huán)境中應(yīng)符合可靠性、安全性的要求，有足夠的機(jī)械、電氣強(qiáng)度和安全性能。受電弓-接觸網(wǎng)運(yùn)行安全的原則如下。

(1)對(duì)于接觸網(wǎng)支柱處的安裝設(shè)計(jì)，應(yīng)保證定位器支座、定位管或斜腕臂等不侵入受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線，不能發(fā)生碰弓或鉆弓事故。對(duì)于限位定位器，應(yīng)按不小于1.5倍受電弓最大抬升量進(jìn)行安全校驗(yàn);對(duì)于非限位定位器，應(yīng)按不小于2倍受電弓最大抬升量進(jìn)行安全校驗(yàn)［8］。

(2)對(duì)于接觸網(wǎng)跨距及拉出值設(shè)計(jì)，應(yīng)保證跨中接觸線在最大受風(fēng)偏移時(shí)不超出受電弓滑板范圍，不能發(fā)生接觸線刮弓或吊弦線夾偏斜打弓事故。

我國鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范［9-10］中對(duì)受電弓運(yùn)行的動(dòng)態(tài)包絡(luò)線進(jìn)行了定義，最大抬升量和最大橫向擺動(dòng)量見表4。根據(jù)弓網(wǎng)運(yùn)行安全原則可以得出允許風(fēng)致接觸線抬升量及允許風(fēng)致接觸線水平偏移值，見表4。

表4 各速度等級(jí)的受電弓運(yùn)行安全評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.2 強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下接觸網(wǎng)抗風(fēng)性能分析

3.2.1 接觸網(wǎng)懸掛類型

從圖6中簡單鏈形、彈性鏈形懸掛的風(fēng)致位移響應(yīng)對(duì)比數(shù)據(jù)看，兩者的風(fēng)偏移值接近但簡單鏈形懸掛的抬升量較小，對(duì)照弓網(wǎng)運(yùn)行安全原則第(1)條，可以得出簡單鏈形懸掛抗風(fēng)性能較好的結(jié)論。目前法國、意大利等沿海風(fēng)速較大地區(qū)均采用簡單鏈形懸掛，日本新干線也曾對(duì)簡單鏈形、彈性鏈形懸掛進(jìn)行過對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果決定推廣簡單鏈形懸掛，以取代造價(jià)高、維護(hù)難度較大的復(fù)鏈形懸掛。

3.2.2 接觸懸掛張力匹配

表3給出了我國4種典型接觸懸掛組合的最佳匹配張力，對(duì)照弓網(wǎng)運(yùn)行安全原則第(2)條，此時(shí)跨中承力索與接觸線在受風(fēng)偏移、擺動(dòng)時(shí)能夠保持同步且幅值一致，可以避免強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下吊弦線夾偏斜打弓、吊弦拉應(yīng)力疲勞及導(dǎo)線偏磨等問題。

3.2.3 跨距

從圖8中4種懸掛組合在不同跨距參數(shù)下的風(fēng)致位移響應(yīng)對(duì)比數(shù)據(jù)看，跨距參數(shù)對(duì)跨中接觸線風(fēng)偏移值、跨中接觸線抬升量及正定位點(diǎn)接觸線抬升量的影響較大。對(duì)照表4可以看出:(1)在風(fēng)偏移值方面，這4種接觸懸掛組合的風(fēng)偏移值均不大于400 mm，滿足弓網(wǎng)運(yùn)行安全要求;(2)在抬升量方面，當(dāng)采用限位定位器時(shí)，只有縮小跨距至45 m及以下，各懸掛組合才能滿足弓網(wǎng)運(yùn)行安全要求;當(dāng)采用非限位定位器時(shí)，按照受電弓最大抬升量150 mm的動(dòng)態(tài)包絡(luò)線進(jìn)行接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)，各懸掛組合能夠滿足弓網(wǎng)運(yùn)行安全要求，對(duì)于普速鐵路(受電弓最大抬升量120 mm及以下)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)，除懸掛組合3可以采用50 m跨距外，其余懸掛組合均需縮小跨距至45 m及以下方可滿足弓網(wǎng)運(yùn)行安全要求。

綜上所述，縮小跨距至45 m可顯著提高接觸網(wǎng)抗風(fēng)性能，接觸懸掛組合3(簡單鏈形懸掛 JTMH95+CTS150，張力匹配21 kN+25 kN)抗風(fēng)性能較好。

3.2.4 線材及零部件

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，在強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下接觸網(wǎng)風(fēng)致應(yīng)力響應(yīng)變化較大的位置有:(1)正定位點(diǎn)的接觸網(wǎng)線材(接觸線、承力索及吊弦)、套管雙耳(斜腕臂與平腕臂結(jié)合部)、承力索座及定位線夾;(2)反定位點(diǎn)的定位管、定位器支座(定位管與定位器結(jié)合部)。

在我國風(fēng)能資源豐富地區(qū)，如阿拉山口、達(dá)坂城、輝騰錫勒、錫林浩特及東南沿海地區(qū)，接觸網(wǎng)受常年季風(fēng)或臺(tái)風(fēng)的高頻率交變風(fēng)荷載作用，上述線材和零部件存在疲勞破壞問題，是接觸網(wǎng)抗風(fēng)的薄弱點(diǎn)。根據(jù)接觸網(wǎng)200萬弓架次或30年壽命要求［9］，接觸線、承力索及吊弦等接觸網(wǎng)線材需縮短使用年限，套管雙耳、承力索座、定位器支座及定位線夾等零部件需進(jìn)一步提高強(qiáng)度，并需改進(jìn)螺紋副的防松措施。

4 結(jié)論

針對(duì)在新疆風(fēng)口及內(nèi)蒙古、東南沿海地區(qū)的大風(fēng)環(huán)境下電氣化鐵路運(yùn)行安全問題，通過有限元分析軟件模擬了強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下的接觸網(wǎng)風(fēng)致響應(yīng)，并對(duì)照接觸線在定位點(diǎn)抬升、跨中風(fēng)偏兩方面的弓網(wǎng)運(yùn)行安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出接觸網(wǎng)抗風(fēng)性能方面的如下結(jié)論:

(1)與彈性鏈形懸掛相比，簡單鏈形懸掛的風(fēng)致位移響應(yīng)較小，其抗風(fēng)性能較好;

(2)為避免吊弦線夾偏斜打弓，跨中承力索與接觸線在受風(fēng)偏移、擺動(dòng)時(shí)應(yīng)保持同步且幅值一致，承力索張力需與接觸線張力匹配;

(3)縮小跨距至45 m可顯著提高接觸網(wǎng)抗風(fēng)性能，并且簡單鏈形懸掛 JTMH95+CTS150(張力匹配21 kN+25 kN)的抗風(fēng)性能較好;

(4)接觸線、承力索及吊弦等接觸網(wǎng)線材，以及套管雙耳、承力索座、定位器支座及定位線夾等零部件是接觸網(wǎng)抗風(fēng)的薄弱點(diǎn)。

［1］日本鐵道綜合技術(shù)研究所.電氣設(shè)施設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)-接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)說明［S］.電氣化工程局科技信息中心，譯.北京:中國鐵道出版社，1995.

［2］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.改建鐵路蘭新線嘉峪關(guān)至烏魯木齊段電氣化改造預(yù)可行性研究:防風(fēng)工程專題研究［R］.西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2007.

［3］錢立新.世界高速鐵路技術(shù)［M］.北京:中國鐵道出版社，2003.

［4］吳積欽.受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2010.

［5］中華人民共和國鐵道部.TB/T2075—2010 電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB/T2809—2005 電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［7］中華人民共和國鐵道部.TB/T3111—2005 電氣化鐵道用銅及銅合金絞線［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［8］BSI Standards Publication. BS EN50119:2009 Railway applications-Fixedinstallations-Electric tractionoverhead contact lines［S］.

［9］中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(暫行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［10］中華人民共和國鐵道部.TB10009—2005 鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.