接觸網參數對接觸網風致響應的影響及風洞試驗驗證

劉改紅

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安　710043)

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接觸網參數對接觸網風致響應的影響及風洞試驗驗證

劉改紅

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安710043)

摘要：大風作用會使接觸網發生更大更復雜的振動與風偏,為給大風區接觸網的防風設計提供科學依據,采用有限元計算與風洞試驗相結合的方法進行研究。利用ANSYS軟件建立包括支撐結構和懸掛部分的有限元耦合模型；采用諧波合成法(WAWS)模擬針對接觸網結構特點的脈動風場；通過計算不同接觸網參數組合方案在風荷載下的風致響應位移,定量分析得出懸掛類型、張力組合、跨距對接觸網風致響應的影響。接觸網氣動彈性風洞試驗結果表明,接觸網參數對風致響應的影響的研究結果正確。研究成果應用于蘭新鐵路第二雙線大風區接觸網系統方案設計和技術參數選擇,并作為主要理論支撐之一,形成了首個國內外鐵路電化行業的風區接觸網裝備技術條件。

關鍵詞：接觸網參數；風致響應；風洞試驗；定量分析；高速鐵路

地處新疆的蘭新鐵路第二雙線、蘭新鐵路既有線和南疆鐵路沿線經過的風區很多，其中百里風區、三十里風區的風力最為強勁、最大風速達64 m/s(超過17級)，大風頻繁，8級以上大風天數年平均超過100 d，是我國乃至世界上鐵路風災最嚴重的地區之一。歷年來因大風列車停運時有發生，并發生翻車等重大安全事故，嚴重威脅鐵路的行車安全。接觸網作為懸索結構、沿鐵路線露天布置，大風等外部環境因素嚴重影響其安全可靠性；另外，接觸網線長點多，且無備用，一旦出現故障將導致列車停駛，其防風安全問題已經成為大風區高速鐵路建設和電氣化改造的難點[1]。

目前，國內外對于平均風與脈動風作用下的接觸網風致響應進行了理論計算方面的研究[1-5]，但尚未定量、系統地分析接觸網懸掛類型、張力組合等參數對接觸網風致響應的影響；已見諸報導的接觸網專業領域內的風洞試驗主要涉及受電弓的氣動力控制和擋風墻高度對接觸線處橫風的影響方面[6-7]。

以蘭新鐵路第二雙線為項目背景，建立接觸網有限元模型，利用諧波合成法模擬脈動風速時程，在有限元模型中施加風荷載作用，定量計算不同接觸網參數組合方案的風振響應，系統分析了接觸網懸掛類型、跨距和張力組合對接觸網風致響應的影響。并開展了接觸網氣動彈性風洞試驗，與理論計算結果進行對比、驗證。

1接觸網有限元模型的建立

由于懸索結構的幾何非線性，在接觸網不同的初始狀態施加相同荷載增量引起的效應不同，故需要通過靜態找形確定其初始狀態[2]。首先，確定系統初始構型，采用BEAM44單元模擬支柱、腕臂、腕臂支撐、定位管、定位器及定位器支座；由于承力索、接觸線、吊弦受拉力作用，采用軸向僅受拉的桿單元link10模擬；因為腕臂支撐裝置是整體式旋轉腕臂，所以釋放上下腕臂底座與支座連接點的z方向旋轉自由度；定位器與定位支座可視為鉸接，釋放連接點的x、y、z三個方向的旋轉自由度；將各個支柱的底部節點、承力索和接觸線兩側終端的節點全約束。其次，使支柱和腕臂結構剛性化，進行承力索在承力索、接觸線、吊弦和定位器重力作用下的幾何非線性分析，積累重力剛度；然后，恢復支柱和腕臂結構的彈性，進行懸掛系統與支撐系統的耦合分析，最終完成懸掛系統的找形工作。如果模型中承力索的張力、弛度與理論計算結果一致，則靜態找形正確。以表1所示的簡鏈接觸網系統為例，建立的接觸網有限元模型如圖1所示。

2風荷載的計算與模擬

風一般可以分為平均風和脈動風兩部分，假設作用于結構上坐標為(x，y，z)的點的風速為

(1)

式中，右邊相加的兩部分分別為距地面高度z處的平均風速和對應的脈動風速。風的模擬主要針對脈動風而言[7-9]。

表1　接觸網系統基本參數

注：接觸網結構高度1.1 m、跨距50 m、接觸線張力28.5 kN、承力索張力21 kN。

圖1　接觸網有限元模型

2.1　平均風的計算

在空間上，平均風速會隨著高度的變化而變化，本文選取指數率[10，11]計算，具體公式

(2)

式中，v10為距離地面10 m高度處的環境風速，標準參考高度取10 m；H為當前高度；α為地表粗糙度指數，這里按0.16；K為擋風屏后接觸線、承力索高度處的風速系數，這里按橋梁4 m擋風屏風場風洞試驗結果取值，即接觸線處風速系數0.76，承力索處風速系數1.21。

2.2　脈動風的模擬

為計算接觸網水平方向的風偏和豎直方向的振動位移，分別選用經Simiu修正的Kaimal譜(式3)和Lumley-Panosfsky譜(式4)模擬水平脈動風速時程和豎向脈動風速時程[13，14]。

(3)

(4)

空間任意兩點脈動風速互譜的相干函數[15]如下

(5)

計算水平向脈動風速互譜的相干函數時Cz和Cy分別取為10和16；計算豎向脈動風速互譜的相干函數時Cz和Cy分別取為7和8。

圖2　簡鏈其中一跨定位點處的風速時程

按上述方法及風譜，模擬出水平風速時程和豎向風速時程，選取簡鏈其中一跨定位點處為例，模擬的風速時程見圖2。其中模擬計算的主要參數為截止頻率4π rad/s、頻率分段數1 024、樣本時間間隔0.25 s。

對模擬得到的風速時程進行統計分析，得到其均值和均方根，與目標譜對應的值進行對比，如表2所示。從表2可以看出，模擬風速的均值、均方根與目標風速相差均較小。

圖3所示為風速時程的功率譜與目標譜的比較，模擬的水平功率譜及低頻段豎向功率譜與目標譜無論極值還是趨勢都吻合很好，豎向功率譜在高頻段雖然極值有一定差別，但整體趨勢較為吻合。

表2　風速統計數據對比

圖3　模擬的風速功率譜與目標譜的比較

3接觸網風致響應計算及影響分析

對不同接觸網參數組合方案(表3)進行正定位、反定位、跨中風致振動及跨中風偏的動態計算，根據計算結果，分析研究接觸網懸掛類型、張力及跨距對風致響應的影響。

3.1　接觸網風致響應計算

在接觸網有限元模型中施加風壓作用，利用空氣動力學理論[16]計算接觸網平均位移，采用時程分析方法[17，18]計算接觸網抖振位移；疊加豎向平均位移與豎

表3　接觸網組合方案

向抖振位移最大值，獲得接觸網在風壓作用下的風致振動位移最大值，疊加水平平均位移與水平抖振位移最大值，獲得接觸網在風壓作用下的風偏最大值，見表4。

表4　接觸網風致響應計算結果

3.2　接觸網參數對風致響應的影響分析

圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)分別所示為接觸網懸掛類型、跨距、張力對風致響應的影響，結合圖4及表4可以得出如下結論。

(1)與彈鏈相比，簡鏈整體剛度大，抗風穩定性較好。

(2)跨距由55 m減小至50 m，風致響應明顯減小。跨距由50 m減小至45 m，風速不大于40 m/s時豎向位移變化較小，風速大于40 m/s時，豎向位移有較大的變化量。從抗風穩定性角度考慮，跨距不應大于50 m。

(3)承力索與接觸線的張力和越大，整體剛度越大，抗風穩定性越好；從風致振動角度，對于設置擋風結構的工況，由于接觸線與承力索的高度不同，擋風墻/屏后接觸線與承力索處的風速變化系數不同且差別較大[19]，具體差別詳見本文2.1節，因此與增大接觸線張力相比，增大承力索張力對于抗風穩定性的提高更為敏感，張力對豎向位移約束作用由弱到強依次為20 kN+25 kN、21 kN+28.5 kN、23 kN+28.5 kN、25 kN+25 kN、25 kN+28.5 kN、27 kN+33.5 kN。此外，從風偏角度，有必要適當增大接觸線張力，以對風偏形成更好的約束作用，張力對風偏約束作用由弱到強依次為20 kN+25 kN、25 kN+25 kN、21 kN+28.5 kN、23 kN+28.5 kN、25 kN+28.5 kN、27 kN+33.5 kN。

圖4　接觸網參數對風致響應的影響

4接觸網氣動彈性風洞試驗

進行接觸網風致響應氣動彈性風洞試驗，模擬接觸網結構動力特性、評估接觸網系統風致響應，與有限元計算結果進行對比、驗證。

經振型、頻率計算及測試，有限元模型與風洞試驗的振型一致、頻率誤差約5%，對比結果見表5。

表5　振型、頻率理論計算與風洞實測對比結果

經對比，接觸網風致振動與風偏的有限元計算結果與風洞試驗結果基本吻合(圖5)，接觸網參數對風致響應的影響的研究結果正確。

研究成果直接應用于蘭新鐵路第二雙線大風區接觸網系統方案設計和技術參數選擇中，為大風區接觸網的防風設計、工程建設提供了科學依據。并在工程實踐基礎上，此研究成果作為主要技術支撐之一，形成了首個國內外鐵路電化行業標準《風區200～250 km/h電氣化鐵路接觸網主要裝備技術條件(暫行)》(TJ/GD 002—2013)。

5結論

圖5　理論計算與風洞試驗對比結果

本文采用有限元計算與接觸網氣動彈性風洞試驗相結合的方法研究了接觸網的風致響應。在接觸網有限元模型中施加風荷載作用，對不同接觸網參數的組合方案進行風致響應的定量計算，分析了懸掛類型、張力組合、跨距對接觸網風致響應的影響。并在國內外鐵路電氣化行業首次開展了接觸網氣動彈性風洞試驗接觸網氣動彈性風洞試驗，試驗結果表明接觸網參數對風致響應的影響的研究結果可信，研究結論如下：

(1)與彈鏈相比，簡單鏈形懸掛抗風穩定性較好；

(2)跨距減小，風致響應相應減小；從抗風穩定性角度，跨距不應大于50 m；

(3)承力索與接觸線的張力和越大，抗風穩定性越好；從豎向位移角度，增大承力索張力對于抗風穩定性的提高更為敏感；從風偏角度，有必要適當增大接觸線張力。

本研究可應用于具有抗風穩定性能需求的接觸網研究、設計以及工程實施等方面。

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Influence of OCS Parameters on Wind-induced Response and Corresponding Wind Tunnel TestsLIU Gai-hong

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：Strong wind may induce bigger and more complicated vibration and deviation of the overhead line system (OCS), thus the influence of OCS parameters on the wind-induced response is to be studied to provide a scientific basis for anti-wind design of OCS in strong wind areas. Therefore, this paper firstly uses the commercial software ANSYS to build up a finite element analysis model that includes the support structures and suspension parts. Secondly, the method of weighted amplitude wave superposition (WAWS) is used to simulate the fluctuating wind field based on specific characteristics of the OCS. Furthermore, the suspension type, tension combination and the influence of span on wind-induced response are determined by quantitative analyses and calculating the displacement caused by wind induced response of different combination OCS under wind load. Also, corresponding wind tunnel tests are conducted. The test results show that the finite element calculation results match the measurements of the wind tunnel tests in terms of the displacements due to wind-induced response. This study results are employed to design catenary system and technical parameters in Lanzhou-Urumqi High-Speed Railway and create the first catenary equipment technical conditions for strong wind areas in railway electrochemical industry world wide.

Key words：OCS parameters; Wind-induced response; Wind tunnel test; Quantitative analyses; High-speed railway

中圖分類號：U225.4

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.030

文章編號：1004-2954(2016)02-0144-05

作者簡介：劉改紅(1983—)，女，工程師，2009年畢業于清華大學機械工程專業，工學碩士，E-mail：549497471@qq.com。

基金項目：鐵道部科技研究開發計劃項目(2010G019-G)

收稿日期：2015-06-05； 修回日期：2015-07-28