大風區(qū)高速鐵路接觸網(wǎng)AF線抗風研究

王玉環(huán)

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

蘭新高鐵自開通以來多次發(fā)生附加導線舞動、大幅振動情況，特別是AF線。2014年3月及2015年4月～5月，百里風區(qū)吐哈至小草湖西區(qū)間內(nèi)DK1448+700、DK1453+100、DK1453+300、DK1454+600及DK1465 AF線、PW線在大風作用下，出現(xiàn)了跨中大幅度振動現(xiàn)象，擋風墻后方振動極其頻繁，導致線材固定點機械疲勞斷股，懸掛零部件連接處磨損嚴重。

目前設(shè)計和運營部門對蘭新鐵路、蘭新高鐵運營過程的故障監(jiān)控、技術(shù)梳理、整治提升等都有一定的經(jīng)驗基礎(chǔ)。調(diào)查AF線大幅振動的原因后，提出更具有抗風能力的設(shè)計方案，使大風環(huán)境下的附加導線系統(tǒng)的設(shè)計理念，更趨于系統(tǒng)化、簡約化、標準化模式的完善。

1 大風區(qū)擋風墻后方AF線運動特性

1.1 擋風墻

蘭新高鐵大風區(qū)Ⅳ區(qū)及Ⅴ區(qū)的來風側(cè)路基上設(shè)置擋風墻(屏)，擋風墻的高度設(shè)置根據(jù)可擋風速抗傾覆數(shù)值計算確定。擋風墻的高度為3.5～4.0 m，可保證列車在運行過程中不被傾覆。《蘭新鐵路第二雙線防風工程及路基關(guān)鍵技術(shù)科研項目和設(shè)計方案審查會議紀要》(鐵建設(shè)函[2010]54號)中對于設(shè)置擋風墻與接觸網(wǎng)系統(tǒng)抗風的關(guān)系明確規(guī)定“防車不防網(wǎng)”，因此接觸網(wǎng)系統(tǒng)抗風必須進行專項研究[1-3]。

1.2 引起AF線大幅振動的原因

風季期間，經(jīng)實地勘察發(fā)現(xiàn)，引起附加導線大幅振動的主要有兩方面的原因。一是，此區(qū)段處于微地形地貌特殊風口(圖1)，導流堤引起大風加速區(qū)向來風側(cè)前移，并與擋風墻形成二重加速，導致紊流加大，風頻率與正饋線、保護線固有頻率較接近易激發(fā)馳振。

圖1 微地貌陡變

二是，附加導線受擋風墻增速效應影響(圖2)，從風速等值云圖及附加導線與擋風墻間的相對關(guān)系可以看出，附加導線懸掛恰落在橘黃色警示增速區(qū)，附加導線大幅度擺動的位置均為迎風擋風墻一側(cè)線路上，而遠離側(cè)未發(fā)生。可見擋風墻對大風的增速效應且有一定的仰角是附加導線大幅振動的激勵源[1-3]。

圖2 擋風墻后平均風速等值線云圖

1.3 擋風墻后方附加導線風場模擬分析

采用ANSYS-Fluent軟件進行分析計算，選環(huán)境風速值30 m/s及40 m/s常態(tài)風速等級，對附加導線中的AF受結(jié)構(gòu)氣動升力影響引起的墻后方尾流漩渦振動的特性進行模擬分析，詳見圖3。

圖3 AF線處尾流風速時程曲線

2 工程已實施措施及引起風振的內(nèi)因

2.1 工程已實施的抗風措施

蘭新高鐵建設(shè)期間，采取了一些緩解附加導線的風振措施，如保護線(PW)降至擋風墻下，避免大風干擾，目前運營效果良好；AF線采取加大張力、增設(shè)防舞鞭、間隔棒等措施，但效果甚微。

2.2 AF線風振的物理因素

根據(jù)大量的觀測資料可知，AF線振動的軌跡在垂直于導線軸線的截面內(nèi)呈橢圓狀。橢圓的長軸與鉛垂方向的夾角一般在15°左右，而長軸與短軸的比在2∶1～5∶1的范圍內(nèi)[4]，長軸的最大半徑長度可達1倍弧垂，詳見圖4。

圖4 風振運動軌跡

目前附加導線系統(tǒng)AF線設(shè)計均為“桿桿耐張”設(shè)計方法，張力、馳度隨著溫度變化而變化，固有頻率呈線性變化，與某風速下的交變頻率發(fā)生耦合后產(chǎn)生了大幅振動的幾率很大。下面對AF線在風場內(nèi)風振頻率進行分析。推導出引起AF線振動(舞動)軌跡的橢圓長徑與振動(舞動)頻率。

Y=ηUwcosβ/f[4]

(1)

式中Y——舞動軌跡的橢圓直徑；

η——舞動氣象系數(shù)；

Uw——風速；

β——風向與導線的夾角；

f——振動頻率。

現(xiàn)場觀測與研究表明，導線振動頻率一般與導線的某階次的固定頻率fn接近。

(2)

式中n——振動的階次，1；

l——跨距，取50 m；

T——AF線張力，最大張力為15 kN；

m——AF線單位長度質(zhì)量。

當風速大于40 m/s時，AF線的最低頻率為1.1 Hz，風季時AF線的固有頻率為0.85～1 Hz，耦合幾率很小，因此AF線在大風作用時發(fā)生大幅振動的風速多為30 m/s及以下的頻段，詳見圖5。

圖5 風振頻率分布

分析可知，造成AF線大幅振動的條件主要有二：一是線索馳度與風偏的長、短軸比例；二是線索固有頻率與某一風速下的頻率耦合情況。

蘭新高鐵已運營滿4年，經(jīng)過長期觀察發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)系統(tǒng)狀態(tài)完好，大風季未發(fā)生任何形式的振動。由于接觸網(wǎng)系統(tǒng)為恒張力全補償設(shè)計，所以一跨內(nèi)接觸網(wǎng)的固有頻率為恒定值1.43 Hz，當風速為23.1 m/s時，交變頻率與固有頻率耦合也僅為1次，并且此刻接觸網(wǎng)的長、短軸比差很大，接觸網(wǎng)無法形成振動運動軌跡，因此接觸網(wǎng)發(fā)生馳振的幾率非常小，這與接觸網(wǎng)恒張力全補償設(shè)計密切相關(guān)。

3 AF線補償設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

借鑒接觸網(wǎng)設(shè)計理念，對大風區(qū)AF線設(shè)計也采用恒張力補償，對于溫差引起的線脹給予及時的補償，保證AF線在季節(jié)交替情況下處于穩(wěn)態(tài)的一種新型抗風模式。但是，此項抗風措施是否長效；技術(shù)的可靠性及可實施性是否滿足系統(tǒng)要求；這種技術(shù)處理方式能否在既有線路上應用，需要進行系統(tǒng)分析。并在大風試驗基地建立了試驗段對此項技術(shù)加以證明。

3.1 補償原則

新疆風季一般集中在4、5月，8、9月[5-6]，風季最高溫度一般不超過25 ℃，本著經(jīng)濟性及故障率考慮，只設(shè)置單邊補償。

本次研究的AF線恒張力補償設(shè)計，其額定工作張力的確定主要受線索耐受能力、馳度與風偏、既有網(wǎng)柱合架支柱及基礎(chǔ)容量等因素制約。

(1)AF線索的耐受能力

風區(qū)采用的AF線的線型為鋁包鋼芯鋁絞線LBGLJ—300/25[7]，綜合拉斷力84.57 kN，考慮安全系數(shù)后其最大綜合張力為33.83 kN。AF線的最大工作張力按照式(3)計算，其結(jié)果詳見表1。

TAF=Tmiin·0.65Kt·KW·Ki·Ke·Kc[8-10]

(3)

式中TAF——AF線最大工作張力[10]；

Tmiin——AF線最小拉斷力[10]；

Kt——最高溫度系數(shù)[10]；

KW——風荷載系數(shù)[10]；

Ki——冰荷載系數(shù)[10]；

Ke——補償精度與補償效率影響系數(shù)，棘輪、滑輪組取0.97，彈補可取0.9[10]；

Kc——終端錨固線夾引起的折減系數(shù)[10]。

表1 線索許用工作張力影響系數(shù)及計算

從表1可知，AF線最大許用工作張力為27.5 kN。蘭新高鐵AF線采用的工作張力為15 kN，小于線材的許用張力。采用補償設(shè)計是否需要提高線索張力，還需進行線索馳度、風偏校驗。

(2)AF線張力與其馳度、風偏、振幅間關(guān)系

AF線無補償設(shè)計時，其跨距為50 m，現(xiàn)場觀測發(fā)生大幅振動時的環(huán)境風速為40 m/s，考慮擋風墻的增速效應取為46.5 m/s[10]，對應的環(huán)境溫度為25 ℃。如果將AF線張力提高至18 kN及20 kN，則線索的馳度與風偏詳見表2。

表2 無補償懸掛張力與馳度變化

恒張力補償設(shè)計，取一跨等高懸掛拋物線為主體，通過ANSYS-Fluent流體仿真軟件計算風振分析[11-14]，詳見圖6，張力與馳度變化詳見表3。

圖6 AF線補償風振及風偏計算模型

工作張力/kN風偏/mm馳度(振幅)/mm15222.9277.918197.6246.3320182.9228.02

AF線補償后，其3種張力模態(tài)下，風偏及馳度均大幅降低，但從綜合經(jīng)濟性考慮，如維持原張力系統(tǒng)即可滿足抗風要求，則可不提高導線的張力。

綜上分析，AF線無補償設(shè)計時僅提高張力，其風偏減少10.21%，馳度(振幅)減少25.1%。如AF線工作張力15 kN時，AF線有補償與無補償設(shè)計時，其風偏減小了60%，馳度(振幅)減小了48.9%，詳見表4。AF線補償設(shè)計后，風偏與馳度的比為0.978(形成大幅振動運動軌跡橢圓軸、徑向比為2∶1～5∶1)，因此無法形成激勵形狀。

表4 AF線無補償與補償設(shè)計風偏與馳度比較

3.2 AF線補償系統(tǒng)的組成

AF線補償系統(tǒng)設(shè)計的布置及模塊組成主要由對向(終端)下錨、中間懸掛點、補償電連接、下錨拉線及基礎(chǔ)等組成。系統(tǒng)運行的可行性、可靠性及耐久性與其端部補償裝置的選用，中間懸掛點的設(shè)置(旋轉(zhuǎn)或竄動)，對向下錨處的電連接動態(tài)狀況都有著密切關(guān)系。在滿足抗風基礎(chǔ)上，盡量少維護，達到系統(tǒng)簡約化模式。

對向下錨的形式為一端硬錨①，一端單邊補償③，中間為線索可自由竄動的懸掛點②布置，總體布置形式，詳見圖7。

圖7 AF線補償系統(tǒng)組成

3.2.1 補償器的選擇

AF線補償設(shè)計，最重要的是補償裝置的選用。所謂補償裝置即張力自動補償設(shè)備，類型較多，要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況、利舊實施可靠性、運營維護便利性及經(jīng)濟性能確定。目前采用較多的為重力式補償如滑輪、棘輪補償，特殊區(qū)段可采用彈簧補償，下面簡要介紹這幾種補償裝置的特點。

(1)重力式補償

國內(nèi)常用的重力式補償為滑輪組及棘輪組，滑輪組因其結(jié)構(gòu)的鉸接點繁多，整體抗扭差，不利抗風，承載力小于20 kN且無斷線制動功能，因此在大風區(qū)接觸網(wǎng)系統(tǒng)未被采用。

蘭新鐵路及蘭新高鐵大風區(qū)接觸網(wǎng)全補償下錨均采用傳動比為1∶3棘輪補償裝置[14-15]，其補償功能、傳遞效率至今為止最安全可靠，補償效率可達97%，適用于大張力系統(tǒng)。棘輪補償裝置由棘輪支架、銷軸、棘輪齒本體、制動齒、鋼絲繩等部件組成，采用鋁合金材質(zhì)，質(zhì)輕且具有斷線制動功能，運營經(jīng)驗豐富。但是對于AF線對向下錨處采用棘輪裝置首次提出，存在結(jié)構(gòu)及安裝上的優(yōu)缺點：

①AF線與接觸網(wǎng)補償裝置統(tǒng)一，便于運營維護技術(shù)及標準的統(tǒng)一，安全可靠。

②AF線對向下錨需設(shè)置串墜砣及限制架，原支柱增加了10 kN軸壓力。

③安裝空間受限制，限制架與對向拉線可能會干擾，連接的設(shè)備及零部件較多，不利于簡約化管理，詳見圖8。

圖8 AF線對向下錨棘輪補償裝置

(2)彈簧補償裝置

彈簧補償器分為恒張力與非恒張力補償器，恒張力彈簧補償器采用渦卷彈簧組片，漸開線輪體保證溫度變化時輸出的張力恒定，其效率損失不大于±5%[15]，詳見圖9。非恒張力補償器主要是由柱式彈簧組成，補償效率損失±15%，彈簧組片間潤滑油的油溫適應-30～+30 ℃，詳見圖10。

圖9 恒張力蝸卷彈簧補償器

圖10 非恒張力雙柱式壓簧補償器

彈簧補償裝置因無墜砣及限制架等輔助設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單，安裝便利，基本可以做到免維護，因AF線無平順度要求，能補償大風引起導線極大幅值的線脹，即可滿足系統(tǒng)抗風技術(shù)要求。

經(jīng)幾種補償器的綜合技術(shù)性能、安裝空間、運營維護簡約化比較，在路基上擬采用棘輪補償裝置，在橋梁采用彈簧補償裝置。橋梁上的擋風屏距支柱邊緣距離不大于200 mm，安裝空間受限。

3.2.2 AF線懸掛點裝置

AF線錨段長度為1 000 m，懸掛點應具備使導線自由偏移或竄動功能，懸掛方式主要有兩種，一種采用旋轉(zhuǎn)腕臂，溫差引起的線脹極限偏轉(zhuǎn)角度約為50°，與接觸網(wǎng)腕臂的安全距離不滿足電氣及機械要求。另一種V型懸掛結(jié)構(gòu)，AF線懸掛采用導向式懸吊滑輪，并增設(shè)預絞式護線條。導向滑輪采用雙組外包式滑輪，導線置于雙輪內(nèi)，可有效避免脫槽，輪軸間采用自潤滑軸承。導向式滑輪雙耳與三聯(lián)板連接垂直線路方向可自由旋轉(zhuǎn)，雙耳內(nèi)過盈配合自潤滑軸承，輪體可采用鋁合金，也可采用復合材料制造，詳見圖11。

圖11 導向式懸吊滑輪

3.2.3 AF線對向下錨處跳線安裝

AF線采用補償設(shè)計后，對向下錨處采用彈簧或棘輪補償，普通的電連接線均無法避免因風擺造成的線夾損壞及線索疲勞，因此研制了新的抗風型帶補償功能的滑動式電連接，詳見圖12。

圖12 滑動式電連接

4 AF線補償方案試驗段實施及監(jiān)測

4.1 試驗段

為了驗證AF線系統(tǒng)補償設(shè)計的可行性，利用老十三間房接觸網(wǎng)大風區(qū)試驗基地進行工程試驗。試驗段自2009年4月建立，前后經(jīng)歷了蘭新鐵路及其科研項目《強風地區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)防風技術(shù)研究》和蘭新高鐵及其科研項目《大風環(huán)境下接觸網(wǎng)運營安全技術(shù)研究》的試驗實施。此試驗段位于百里風區(qū)谷口重疊帶，常年大風侵襲，曾發(fā)生火車傾覆事故，有完整的擋風墻，詳見圖13。

圖13 老十三間房試驗基地全貌

試驗段AF線采用單邊補償，補償裝置采用彈簧或棘輪補償，設(shè)立2個錨段。AF線懸掛仍然采用V型懸掛，懸掛點處采用導向式懸吊滑輪，線脹時可自由竄動，對向下錨處電連接采用滑動式補償電連接等，試驗段現(xiàn)場詳見圖14。AF線補償設(shè)計技術(shù)參數(shù)詳見表5。

圖14 老十三間房試驗段

項目第1錨段第2錨段備注懸掛方式V型懸掛V型懸掛線材規(guī)格LBGLJ-300/25LBGLJ-300/25工作張力/kN1515標準跨距/m4040錨段長度/mm580500補償裝置類型棘輪補償彈簧補償極限溫差線脹/mm887.5765恒張力補償下最大馳度/mm144.67144.67跨中最大馳度

4.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)

針對此項目，試驗基地建立了接觸網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)。采用精密慣性傳感器核心技術(shù)，基于無線通訊網(wǎng)絡(luò)，實時采集AF線的運動及物理狀態(tài)參數(shù)，由專用局域網(wǎng)將多狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，依據(jù)專家系統(tǒng)及模糊理論，將監(jiān)測參量定量表示和綜合分析處理，起到AF線風場狀態(tài)遠程實時監(jiān)測和故障預警的作用，詳見圖15、圖16。

圖15 試驗基地安裝監(jiān)測設(shè)備

圖16 在線監(jiān)測系統(tǒng)布局情況(單位：m)

5 結(jié)語

AF線補償設(shè)計試驗段建立后，經(jīng)歷了3個風季。2017年9月對17號支柱AF線監(jiān)測點進行監(jiān)測振動幅值提取，詳見圖17。振動幅值(水平、垂直)對應的發(fā)生風速，詳見圖18。

圖17 有補償、無補償情況下振動監(jiān)測曲線

圖18 有補償、無補償情況下振動監(jiān)測風速

同一大風條件下，AF線無補償時其跨中監(jiān)測點最大振動幅值為豎直向1157 mm，水平向610 mm；同一時間，帶補償恒張力設(shè)計的AF線最大振動幅度值為180 mm，水平向85 mm。試驗基地內(nèi)AF線補償設(shè)置與非補償設(shè)置對比試驗經(jīng)歷了3個風季后，其中補償設(shè)計的AF線未發(fā)生舞動現(xiàn)象，振幅與水平位移比小于1∶4。實時監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，有補償恒張力設(shè)置的AF線振動幅值比無補償時其振動幅值小2～4倍。

AF線恒張力補償設(shè)計作為長效抗風措施，采用工程試驗段進行驗證，試驗段的建立主要是觀測其大風時的應用狀態(tài)及系統(tǒng)約束參數(shù)的變化，也為正式工程的使用奠定了可靠的理論及實踐基礎(chǔ)。