接觸網腕臂與絕緣子之間的受力分析

余香山

（杭州市地鐵集團有限責任公司運營分公司，杭州 310017）

0 引言

接觸網是鐵路上為車輛直接供電的設備，其中絕緣子作為接觸網中25 kV高壓帶電設備與接地設備間的絕緣設備，由于處在露天環境下，受外界環境如雷、雨、雪、霧、霾等影響，容易被擊穿或者發生閃絡，是接觸網的薄弱設備，經常需要更換，才能確保不發生跳閘，從而維持接觸網設備的穩定。

2018 年7月13日，某局某供電段接觸網工區在滬昆線利用軌道車進行接觸網施工作業，更換受損的斜腕臂絕緣子，施工造成延點1 h 26 min，影響4列貨車在不同站停車。經原因分析，主要為作業人員在組織拆、裝接觸網非支斜腕臂絕緣子（俗稱“棒瓶”）過程中，沒有充分考慮并卸載非支接觸線轉角下錨的水平負載，在使用撐桿卸載承力索垂直負載后強行將斜腕臂從舊棒瓶鐵錨壓板內抽出后再更換新棒瓶。新換棒瓶一端與腕臂底座固定后，另一端無法與斜腕臂順利對接，原因是斜腕臂在接觸線水平力與腕臂支撐管支撐力共同作用下出現垂直方向偏移。

行業內針對立柱系統、絕緣子抗彎、鋼柱桿件等情況進行了分析研究［1-6］，缺乏對腕臂與絕緣子之間受力情況的數據計算，作業人員常常憑借自身工作經驗直接在作業現場進行施工。由于作業人員自身業務水平有高低之分，加上瓷棒式絕緣子重達幾十kg，因此作業現場經常容易出現異常狀況。

1 現場支柱選取

接觸網腕臂與絕緣子之間的受力存在受拉、受壓以及臨界狀態3種情況。斜腕臂與絕緣子之間只存在受壓一種情況，因此只需要對線索進行卸載就可以對絕緣子進行更換，方法較為簡單。然而平腕臂與絕緣子之間存在以上3 種情況，其中最難更換的當屬受壓狀態。

本次針對極限條件下平腕臂與絕緣子之間的受壓狀態進行受力分析，經對合福高速線（時速300 km/h）管轄范圍內近1 萬根支柱進行粗略比對發現，位于某區間下行線的1721#支柱較為符合極限條件，如圖1 ～2 所示。該支柱的支柱類型為GHT240B/9.5，位于五跨非絕緣錨段關節，為曲內、閉口側轉換柱，非支拉出值設計值為-800 mm，曲線半徑為8 000 m，外軌超高為100 mm，線路坡度為-11.516 8‰。

圖1 1721#支柱現場情況

圖2 1721#支柱非支在五跨錨段關節中所處位置

2 受力分析

通過對1721#支柱進行受力分析［7-8］，掌握平腕臂與絕緣子之間的受力情況以及大小。

平腕臂與絕緣子之間的力主要來源于3 點：（1）承力索座位置的水平負載P承；（2）承力索座位置的垂直負載Qg；（3）定位環位置的水平負載P接。

2.1 承力索座位置水平負載P承

忽略風負載，承力索座位置的水平負載可分為以下兩點。

（1）曲線形成的水平分力PR

曲線形成的水平分力PR如圖3所示。曲線半徑R ＝8 000 m；跨距L1＝45.5 m；跨距L2＝48.7 m；承力索張力T ＝23 kN。其中T3為下錨側承力索張力在跨距方向的分力，由于T3與T 之間的夾角非常小，可近似認為T3≈T，將左側T與右側T3在水平面內（近似）沿著腕臂方向分解為T1、T2，與腕臂方向垂直的分解力幾乎相等，可以相互抵消。

圖3 承力索座位置曲線形成的水平分力受力分析

由圖3可知，T與T1構成的三角形、R 與L1/2構成的三角形為相似三角形，可得：

同理：

可得：

（2）之字值形成的水平分力P之

將定位點兩側的張力沿著腕臂方向合成為P之，此為之字值形成的水平分力，兩側之字值的計算方法類似于計算下錨轉角，其中H型鋼柱寬度為400 mm。由此可得出：

推算出承力索座位置水平負載為：

2.2 承力索座位置垂直負載Qg

忽略覆冰負載，承力索座位置垂直負載包括定位點兩側各近半跨的承力索、接觸線力以及彈性吊索、吊弦、電連接以及相關線夾的自重，已知CTMH150 接觸線單位長度自重為1.35 kg/m，長度為47.1 m，共計63.59 kg；JTMH120 承力索單位長度自重為1.065 kg/m，長度為47.1 m，共計為50.16 kg；TJR10吊弦單位長度自重為0.089 kg/m，長度為7.993 m，共計為0.711 kg；TJR95 電連接單位長度自重為0.845 5 kg/m，長度為5.964 m，共計為5.04 kg；相關線夾自重粗略估算共計為8 kg。推算出承力索座位置垂直負載為：

2.3 定位環位置水平負載P接

忽略風負載，把定位管支撐和兩端套管單耳以及定位環看成一個整體，假設這個整體上受的力都集中在定位環這一個點上，定位環位置的水平負載可分為以下兩點。

（1）曲線形成的水平分力PR

定位環位置的垂直負載可忽略，只考慮水平負載，接觸線張力為28.5 kN，計算方法同上：

（2）之字值形成的水平分力P之

將定位點兩側的張力沿著腕臂方向合成為P之，此為之字值形成的水平分力，兩側之字值的計算方法類似于計算下錨轉角。由此可得出：

推算出定位環位置水平負載為：

3 力的合成

將上述3項負載進行合成，如圖4 所示，最終算出套筒座位置沿平腕臂方向的力，即為平腕臂與絕緣子之間的壓力。

3.1 計算P接傳遞到套筒座的力P3

將P接分解為P1、P2，P2作用于腕臂底座，沿著支柱傳到大地被抵消，剩下P1，求P1之前先計算sinα的值（支柱與斜腕臂之間的夾角為角度α）。

圖4 受力分析1

已知上下底座間距為1 800 mm，平腕臂長度為1 855 mm，斜腕臂長度為1 788 mm，瓷棒式絕緣子長度為800 mm，平腕臂端部距套筒座為500 mm，可以得出：

定位環與鐵錨壓板之間的距離為600 mm，根據力矩平衡原理：

3.2 求P3、P承、Qg 在套筒座位置上的合力P

將P承、Qg的力合成為P4，P4與Qg之間的夾角為角度φ，如圖4所示；P4與平腕臂之間的夾角為角度γ，如圖5所示，求得P4大小以及sinφ、sinγ為：

圖5 受力分析2

將P4分解為沿著平腕臂方向的P5、垂直平腕臂方向的P6，如圖5所示，算出其大小為：

通過力矩平衡原理，將P5、P6轉移到套筒座上，P5大小不變，計算P6轉移后的P7，如圖6所示，則：

圖6 受力分析3

將P3分解為沿著平腕臂方向的P8、垂直平腕臂方向的P9，如圖6所示，算出其大小為：

可以求出合力P，以及合力P與平腕臂之間的夾角θ，如圖6所示，則：

3.3 計算壓力大小P10

將合力P沿著平腕臂和斜腕臂分別分解為P10和P11，如圖7所示，則：

圖7 受力分析4

4 結果及對策

（1）經計算得出平腕臂與絕緣子之間的壓力P10為3 540 N，因此想要更換該非支平腕臂絕緣子，只能借助外力將平腕臂從絕緣子中抽出，可借助另外一行接觸設備，如在上行支柱頂部與下行承力索座位置使用鏈條葫蘆對壓力進行卸載。

（2）可以通過研制和使用新產品，如絕緣子更換器等設備，熟練掌握新產品使用方法，進而提高作業效率。

（3）在有條件的情況下，積極開展具有針對性的崗位練兵工作，逐步提高作業人員的技能水平。

5 結束語

本文通過對現場設備實際情況進行粗略測算，對幾乎最為惡劣的作業環境進行受力分析，提出相應對策，以便作業人員制定絕緣子更換方案時可以充分考慮，并攜帶相對應的更換工器具，對鐵路及城市軌道交通接觸網運營管理均具有一定的借鑒意義。