蘭新高鐵大風區接觸網正饋線懸掛結構適應性分析

王玉環

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

新疆大風特點表現為大風作用頻繁、風力強勁、風力變化急劇且定向性極強，最大瞬時風速達64 m/s。8級以上大風天數平均超過100 d，12級及以上持續時間最長40 h，其中以百里、三十里風區的風力最為惡劣，曾發生吹翻列車、摧毀鐵路設備重大事故。試驗和運行經驗表明，蘭新高鐵接觸網附加導線受大風影響問題突出，附加導線因大風引起接地短路、斷線、磨損等事故的風險很大。

1 大風區段擋風墻設置及對AF線的影響

擋風墻可以阻斷砂積，確保列車運行安全，但“防車不防網”設置的擋風墻對接觸網附加導線則是惡化作用[1-2]。

擋風墻根據空氣動力學原理設置，來風在墻后方出現分離和附著上、下干擾氣流，附著型氣流的風速及湍流度大大減小，渦流消除。而分離氣流則沿墻體上升，在墻后方形成氣動升力及不穩定尾流，詳見圖1。

圖1 擋風墻處氣流分布示意

1.1 擋風墻主要類型及布置關系

路基擋風墻主要是柱板式結構，橋梁上為鏤空鋼板擋風屏結構，擋風墻高度一般為3.5、4.0 m，典型擋風墻見圖2。

圖2 路基柱板式擋風墻及相對關系(單位：mm)

從圖2可以看出，AF線恰處于強氣流體場內增速區，運動形式變化急劇。蘭新高鐵擋風墻區段接觸網保護線設置于擋風墻內側3 m高處，避開了氣流增速區，目前運營狀態良好。但AF線因其電氣及機械空間限制仍維持柱頂懸掛，易發生大幅振動，在此針對AF線處風場特性及抗風措施進行分析。

1.2 擋風墻后方AF線風場增速影響的運動模式

風場內導線運動模式主要有3種：舞動、次檔距振蕩及振動。舞動一般是橫向微風覆冰情況下發生(覆冰厚度2.5～48 mm)，風速不大于30 m/s，50%以上舞動風速集中在4～20 m/s；次檔距振蕩發生的風速一般為4～18 m/s，振動頻率為0.7～2 Hz[3]。

振動則是導線受到不穩定的風致橫向風作用時，在導線背后形成以一定頻率上下交替變化的氣流旋渦，從而使導線受到一個上下交變脈沖力作用[4-6]。

當交替變化頻率與導線固有自振頻率耦合，導線在垂直平面內產生共振即引起導線振動。導線的振動除和風速、風向及路徑有關外，還與導線懸掛高度、跨距等有關。當有遮擋、屏蔽物時在其后方就會形成不穩定的紊流場，蘭新高鐵百里、三十里風區AF線多為大幅振動。圖3、圖4分別為蘭新高鐵大風區墻后方瞬時風風速矢量及等值云圖，AF線懸掛區域恰處于密集增速區。

圖3 瞬時風速度矢量圖

圖4 瞬時風速度等值線云圖

2 風場內AF線懸掛結構及力學性能分析

2.1 AF線懸掛方式

大風區擋風墻引起的增速效應導致AF線頻繁振動，其懸掛方式至關重要。既要考慮導線疲勞問題，又要考慮懸掛裝置結構穩定性，還需考慮斷線故障時結構卸載，避免應力集中導致的支柱傾覆。蘭新高鐵AF線設計采用柱頂田野側V形懸掛，此方式根據其三角結構穩定確定，懸掛處鉸接連接具有一定的卸載功能，有效避免AF線大幅振、擺動時應力集中，緩解導線“波節點”的疲勞[7]。

2.2 AF線懸掛裝置的組成及結構參數

AF線懸掛裝置由棒式絕緣子，槽形球頭掛環、預絞式防疲勞懸垂線夾等組成，結構示意見圖5。V形懸掛結構要充分考慮動態絕緣間隙δ、絕緣子安裝結構高度h的影響。懸掛結構穩定性、絕緣子的承載力等均取決于兩支絕緣子串間夾角α[8-9]，調整兩支絕緣子在肩架上的間距L可改變α角，但隨之其他參數相繼也發生變化。如表1所示。

圖5 V形懸掛結構(單位：mm)

序號L/mmL1/mmα/(°)h/mmδ/mm1100073565.414606202110068074.374405903120063483.79415550

由表1可知，L越大，α越大，但h越小，二者成反比。蘭新高鐵風區內最高海拔1 600 m，空氣絕緣距離為340 mm，考慮各種誤差取400 mm。

2.3 AF線V形懸掛結構力學及機械性能分析

運用Solidworks建立AF線處的風流場三維模型，導入FLUENT進行風流場仿真[10-13]，得到AF線V型懸掛結構在有、無擋風墻時的風流場中受力情況，見圖6。

圖6 V形懸掛風場內受力分布

最大瞬時風速60 m/s作用下，V形懸掛絕緣子串、單串絕緣子的受力計算見表2。

表2 絕緣子串受力情況

注：“-”為絕緣子承受壓狀態。

綜上所述，有墻時AF線V形懸掛絕緣子串受增速效應影響的力值明顯增大，相對于單串絕緣子受力總體下降45%左右，穩定性提升，可見V形懸掛結構較適用于風區、風口等區段。

3 AF線V形懸掛產生的次生缺陷分析

風區零部件破壞形式主要有兩種，一種是沖擊破壞，另一種為累積磨損疲勞破壞。零部件的累積磨損主要是取決于相互間的運動頻率及交變力，不同風速產生了接觸循環變應力作用，在表層形成裂紋并不斷擴展其內部導致破壞。

3.1 風區內零部件發生磨損的風速頻段

鉸接零部件發生磨損破壞與其在風作用下往復運動頻次有很大關系。蘭新高鐵運營初期，AF線V形懸掛鉸接連接零部件發生了局部磨損，特別是三聯板及懸垂線夾處。

多個風季現場監測頻譜圖顯示，極大風速值出現頻率并不高，持續時間不長，反而一般風速出現的頻率較高，持續時間較長，見圖7、圖8。據統計，每年35 m/s(8～9級)以上的風速出現率低于13%，而8級及以下的風速高于87%，15～30 m/s的風速出現概率較大，連續時間長，此頻段的風速造成AF線鉸接連接零部件做高頻往復運動，也是造成部件磨損嚴重的重要頻段。以百里風區十三間房區間AF線懸垂線夾為例，經過1個風季的風速對應的零部件運動頻次模擬計算，結果見表3。根據模擬計算及現場觀測可知，當風速超過35 m/s時其定向性極強，零部件在大風作用下也處于定向狀態，往復運動頻次少，磨損率低。

圖7 極大風速分級(25.0～29.9 m/s)

圖8 極大風速分級(≥35.0 m/s)

風速/(m/s)懸垂線夾擺角β/(°)連續天數/d連續時間/h時距2min零件運動次數/n≥1535.5722719118432≥204217013613320≥2549.41207996123055.9716247883561.5632—18724066.2314—7204570.024—1445073.082—725575.61—366077.51—361個風季發生累積磨損次數49032

3.2 AF線懸掛零部件磨損行程分析

檢查并剖析磨損后零部件發現，兩個鉸接連接的零部件間表層材料的固定表面積、體積均發生了黏著磨損，主要是因磨料磨損演變后的結果[14]。摩擦學中關于磨料磨損的描述多以Schallmach公式表達

式中W0——單位滑動距離的體積磨損；

γ——單位能量的磨損；

s——滑差；

k1——剛度系數；

ρ——接觸長度；

Q——回彈性。

從上式可知，黏著磨損滑動距離ρ(摩擦副相互接觸的區域)對磨損量影響較大。因此縮小有效的磨損行程是減緩磨損的一種重要措施。

零部件往復運動行程或擺動角度β見圖9，在風速≤30 m/s頻段作用時的磨損面積重合部分才是最危險的，而風速≥35 m/s頻段造成的擴大磨損部分因其幾率小故障率也相對較低。所以應該高度重視8級左右的風速場作用，這種激勵時效長，共振幾率也大。

圖9 AF線懸掛零部件往復運動示意

4 V形懸掛合理結構及其零部件抗磨損措施

4.1 絕緣子與肩架鉸接連接方式

將球窩杵座連接改變為剛接，無間隙磨損，且棒瓷絕緣子能承受一定壓力。但剛接連接三角形為固定體，AF線每個懸掛跨距都相當于硬錨。一旦斷線彎矩直接傳遞于肩架及支柱，極限情況對臨近懸掛支柱產生的附加彎矩約20 kN·m，不利于抗風卸載，因此建議絕緣子與肩架采用鉸接，杵座與球頭連接間隙可涂抹耐磨脂或零部件表面噴塑處理。

4.2 V形懸掛可采用的合理結構形式

根據上述分析及表1計算結果，V形懸掛兩絕緣子固定間距宜為1 100 mm，傘體垂直距離不小于440 mm，雙棒瓷絕緣子三聯板間距不大于150 mm，內傘間距不小于100 mm。

4.3 AF線V形懸掛結構抗磨損措施

4.3.1 懸掛結構抗磨損措施

根據本文3.2節分析，不改變V形懸掛結構的懸掛功能及故障卸載能力前提下，減少或限制零部件間磨損行程，可大大降低零部件磨損幾率，為此提出增設可調絕緣斜拉棒結構。

對于AF線帶可調斜拉棒的V形懸掛結構，采用ANSYS有限元流體場仿真進行力學分析，見圖10、圖11，V形懸掛結構有無可調斜拉棒的主要受力指標見表4。

圖10 帶可調斜拉棒V形懸掛結構風場特性

圖11 帶可調斜拉棒V形懸掛結構應力分布

表4 帶可調斜拉棒的絕緣子串受力

從表4可知，增設拉棒后左絕緣子處于受拉狀態，球窩處間隙活動空間限制，懸垂線夾擺角減小至28°，磨損行程大大縮短。

4.3.2 局部機械抗磨損

改變零部件間對偶方式是零部件可靠的機械抗磨措施之一，在懸垂線夾及三聯板耳孔內過盈配合自潤滑軸承或一次性免注油的有油軸承。

選擇大風區十三間房至大步區間及大步站作為觀測點，觀測時間120 d，記錄磨損數據。將未增加與增加防磨損措施后的樣本數據進行對比，見表5，鉸接零部件螺栓磨損下降60%左右，大大提高了零部件間連接可靠性。

表5 大風區樣本空間數據統計(鉸接連接零部件連接螺栓)

5 結論

可靠性理論中究其重要性及事故等級重要性來講，避免或最大限度地緩解導線疲勞，降低疲勞斷股、斷裂是首位[10]。因此AF線V形懸掛結構采用鉸接連接是可取的。

V形懸掛的結構布置合理性與絕緣子的選用、絕緣等級、絕緣間隙等有關系，根據技術參數布局及三維立體場仿真計算給出了合理的結構形式。

對于鉸接連接零部件的局部磨損嚴重，提出了帶可調斜拉棒方式V形懸掛結構，在其結構故障時具有卸載功能，最大限度地減小磨損面積，提升其抗磨損能力。

經過近3年運行，蘭新高鐵AF線V形懸掛結構及零部件連接摩擦副所采取的抗風、抗磨損技術措施，使零部件的磨損量降低60%左右，大風區接觸網每年節約維護成本300萬元以上。本文闡述的擋風墻后方AF線懸掛結構的抗風、抗磨損技術措施是可行、有效的，對有關標準規范的修訂具有參考價值，對風區內接觸網建設有指導意義，在其他風區、風口地區可借鑒使用。

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