高原鐵路接觸網(wǎng)腕臂結(jié)構(gòu)適應性研究

王玉環(huán)

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

西南高原鐵路匯聚了世界罕見的復雜環(huán)境及地理現(xiàn)狀，線路自成都盆地西行，穿越川西高山峽谷，山脈河流交錯分布，且東西向有多組斷裂帶。部分地區(qū)受印度洋季風影響，在峽谷區(qū)形成了峽谷湍流。總體特征為空氣薄、輻射強、高頻震，極其不適合人類強勞動作業(yè)活動。如此艱苛的條件下建設電氣化鐵路，應充分考慮環(huán)境及線路條件對供電系統(tǒng)的適應性及穩(wěn)定性影響。

2 環(huán)境及地理狀態(tài)的影響

2.1 環(huán)境因素

特殊的環(huán)境主要表現(xiàn)為斷裂帶密集、新構(gòu)造運動、地熱顯示海洋性次生氣候，濕度較大，見表1。

表1 高原鐵路復雜環(huán)境特征表象

2.2 線路因素

西南高原鐵路隧道群落密集，橋隧連接的結(jié)構(gòu)復雜，橋隧比達90%以上。不良地質(zhì)、特殊地貌分布較廣，且具有罕見連續(xù)的大坡道，這些都是鐵路建設中不可小覷的難、重點。因此，在復雜線路與惡劣氣候環(huán)境的無極耦合情況下，該鐵路建設一定要充分做好設計與環(huán)境適應性的研究。作為典型的高原電氣化鐵路，其供電系統(tǒng)中接觸網(wǎng)設計和關鍵裝備技術選型及應用尤為重要。

3 接觸網(wǎng)主要裝備適應性研究的必要性

接觸網(wǎng)作為一個沿線連續(xù)電能供給子系統(tǒng)，其腕臂支持結(jié)構(gòu)，涵蓋了電氣、機械、結(jié)構(gòu)、焊接、材料等多學科知識。常因“結(jié)構(gòu)繁瑣、多關節(jié)聯(lián)接、高空實施、剛?cè)岵⒋婕皺z修困難”的特點，無論是從設計、施工還是運維，均以重要的作用影響著電氣化鐵路安全運營[1-3]。

鑒于高原高海拔區(qū)段不適宜人類活動作業(yè)，因此，接觸網(wǎng)腕臂結(jié)構(gòu)設計應以“結(jié)構(gòu)簡約”及“輕量化”為主線，主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)及工藝簡約化，施工及運維簡約化等。目前，整體腕臂結(jié)構(gòu)具有良好的抗風經(jīng)驗，應用于西南高原鐵路還需進一步優(yōu)化研究。

4 風區(qū)腕臂支持結(jié)構(gòu)應用情況

4.1 整體腕臂結(jié)構(gòu)應用現(xiàn)狀

腕臂結(jié)構(gòu)已成功運營的主要有鉸接旋轉(zhuǎn)腕臂和整體腕臂兩種結(jié)構(gòu)形式，其中，整體腕臂多用于環(huán)境惡劣區(qū)段，其結(jié)構(gòu)及定位裝置(防脫落彈性定位器)的設計均考慮了大風和地震因素[4-5]，振動及疲勞性能提升了25%。在新疆風區(qū)大幅降低了運營限速，且減少了停輪天數(shù)，百里風區(qū)、三十里風區(qū)停輪天數(shù)從50～60 d減少到10 d左右，列車限速天數(shù)也下降50%以上，顯著減少了因大風等惡劣環(huán)境條件對運輸帶來的影響，提高了運輸效率。

整體腕臂典型的應用線路有海南東環(huán)鐵路、廣深港鐵路、蘭新鐵路、蘭新高鐵等國家重點、重大鐵路運輸通道。因此，在特殊氣候區(qū)如新疆、華北、東北、東南部沿海和島嶼等地區(qū)的海域颶風、內(nèi)陸季風等區(qū)段，具有較好的整體穩(wěn)定性及良好的運維狀態(tài)[6-7]，安裝方式如圖1所示。

圖1 蘭新高鐵的整體腕臂應用

4.2 整體腕臂結(jié)構(gòu)的故障調(diào)查

4.2.1 內(nèi)陸季風普通整體腕臂運營狀態(tài)

中鐵第一勘察設計院集團完成的2008J019《強風地區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)防風技術研究》及2010G019—G《大風區(qū)高標準鐵路接觸網(wǎng)設計技術研究》科研課題中對整體腕臂結(jié)構(gòu)建立了風洞試驗模型及現(xiàn)場對比試驗[8-10]。研究及試驗成果表明，在瞬時風速60 m/s工況下，經(jīng)過差異性結(jié)構(gòu)優(yōu)化的腕臂結(jié)構(gòu)得到了廣泛認可及應用。相較鉸接腕臂結(jié)構(gòu)基本做到輕維護、少維修，但經(jīng)過多年的運營，也有諸多不足及故障記錄。

蘭新高鐵甘青段靜態(tài)驗收前期，整體腕臂R形定位管發(fā)生斷裂現(xiàn)象，如圖2所示，其主要原因為直焊縫管局部冷彎變形引起材料脆化[11-12]，在應力集中狀態(tài)下導致定位管發(fā)生脆裂。

圖2 定位管折彎斷裂(甘青段)

整體腕臂構(gòu)件間節(jié)點連接仍采用螺栓形式，在戈壁風區(qū)環(huán)境下，每年耗費大量的人力、物力進行巡檢及緊固。運營期間，多次發(fā)生螺栓松動現(xiàn)象及定位器的限位間隙動態(tài)間隙不足等問題。

廣深港沿海鐵路應用的整體腕臂，在獅子洋隧道內(nèi)出現(xiàn)不同程度腐蝕，其中隧道中部滲水處腕臂管腐蝕嚴重，如圖3所示。

圖3 整體腕臂管銹蝕

海南環(huán)島鐵路東段運營期間整體腕臂結(jié)構(gòu)多處發(fā)生平腕臂端頭龜紋銹蝕。平腕臂由管內(nèi)壁向外壁銹蝕，甚至出現(xiàn)了銹洞現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 整體腕臂支撐龜紋銹

4.2.2 內(nèi)陸風及沿海應用差異化比較

整體腕臂在內(nèi)陸風區(qū)及沿海鐵路應用較廣，蘭新高鐵采用的整體腕臂，針對大風、沙蝕的特殊環(huán)境，對結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)進行了優(yōu)化，其各項綜合性能均有顯著提高。以新疆風區(qū)及沿海鐵路應用為例進行差異性對比，見表2。

表2 整體腕臂結(jié)構(gòu)應用缺陷及典型線路差異化

5 高原鐵路腕臂結(jié)構(gòu)適應性及優(yōu)化建議

綜合西南高原鐵路環(huán)境復雜性及外部條件艱澀性，接觸網(wǎng)腕臂結(jié)構(gòu)應進行結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化與質(zhì)控，并能與系統(tǒng)布置充分結(jié)合。從運維便利角度，要求腕臂結(jié)構(gòu)具有較高的結(jié)構(gòu)可靠性；從環(huán)境適應性角度，要求腕臂結(jié)構(gòu)具備一定的防風、防松性能；從線路適應性角度，要求腕臂結(jié)構(gòu)具有良好的整體穩(wěn)定性。藏區(qū)高原鐵路腕臂結(jié)構(gòu)擬在已應用線路的整體腕臂基礎上，進行專項優(yōu)化研究，使其更具合理高效性，具體優(yōu)化措施如下所述。

5.1 連接節(jié)點優(yōu)化

5.1.1 普通型連接節(jié)點

(1)平、斜腕臂連接節(jié)點

普通的整體腕臂其平、斜腕臂連接節(jié)點為雙螺栓銷連接，平腕臂端部焊接連接端板。此方式雖具一定的剛性，但從鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點分類仍為鉸接，安裝后雙螺栓為簡支結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 斜腕臂焊接端板單耳鉸接連接

平、斜腕臂連接節(jié)點受力，主要承受軸向壓力P，軸向力的水平分力Px，軸向力的垂直分力Py。X、Y方向分力產(chǎn)生局部彎矩M，但鉸接點傳遞彎矩較差，無法將力及彎矩全部傳遞給腕臂整體結(jié)構(gòu)，僅反應于螺栓的緊固及連接強度。因此，設計時應關注節(jié)點連接可靠程度，要加強螺栓緊固檢查，同時也增加了運維的消耗。

(2)支撐、定位管與腕臂的連接節(jié)點

腕臂支撐、定位管與腕臂的連接采用抱箍形定位環(huán)，雙M16的螺栓連接，故障表現(xiàn)為螺栓數(shù)量多，且容易松動。如圖6所示。

圖6 腕臂支撐、定位管與腕臂鉸接連接

普通型連接節(jié)點均為栓接，螺栓數(shù)量多，維護耗時長，檢修效率低。列車行駛期間接觸網(wǎng)振動頻率為1～3 Hz，因此，無法避免節(jié)點處螺栓松動，但可通過改變節(jié)點連接方式優(yōu)化、提升整體腕臂性能。

5.1.2 剛性連接節(jié)點

工程實踐中，鉸接連接存在轉(zhuǎn)動剛度，但剛接節(jié)點則不產(chǎn)生連接夾角變形，對結(jié)構(gòu)抗力的減低不超過5%。要消除水平彎矩對連接零部件的影響，減少作業(yè)耗時及施工環(huán)節(jié)，可對節(jié)點進行剛性優(yōu)化即全焊接節(jié)點。

將原鉸接節(jié)點優(yōu)化為剛接節(jié)點最簡單的方式就是采用裝配式焊接工藝。平、斜腕臂連接節(jié)點，腕臂支撐、定位管與腕臂節(jié)點，均采用焊接方式，如圖7所示。

圖7 平、斜腕臂、支撐、定位管焊接節(jié)點

焊接采用坡口相貫線交叉焊接或管端部扁狀雙側(cè)角焊縫，焊縫長度約為343 mm，如圖8所示。

圖8 相貫線焊接

焊接時采用的焊絲、焊條應與主體金屬力學性能匹配，且焊縫質(zhì)量不低于二級[13-15]，焊縫類型為角焊縫。依據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》中的規(guī)定進行焊縫計算分析，計算時應考慮彎矩、軸力、剪力共同作用下的焊縫抗拉及抗壓強度。斜腕臂管連接處性能參數(shù)見表3。經(jīng)計算，焊縫應力見表4。

表3 斜腕臂管連接處性能

表4 焊縫計算

5.1.3 半剛性連接節(jié)點

鋼結(jié)構(gòu)中梁與柱、梁與梁連接通常采用3種形式，柔性連接(也稱鉸接)、半剛性和剛性連接。工程實踐中，如何判別節(jié)點屬性主要是看其轉(zhuǎn)動剛度，半剛性則介于二者之間。下面介紹一下SC型接觸網(wǎng)腕臂節(jié)點半剛性設計理念。腕臂結(jié)構(gòu)模型擬采用圓形槽道結(jié)構(gòu)[16]，內(nèi)齒槽(抗滑移)均安裝于下方，連接節(jié)點采用倒T頭螺栓連接，可設置局部防滑內(nèi)齒型，簡稱SC腕臂節(jié)點，如圖9所示。

圖9 SC型半剛接節(jié)點

此結(jié)構(gòu)具有良好的可調(diào)性，滑移荷載可控，腕臂管的直徑為70 mm，在滿足各項性能的前提下，此結(jié)構(gòu)防腐處理較理想。內(nèi)壁可進行均勻拋丸與酸洗，鍍鋅層內(nèi)外均能良好附著，避免出現(xiàn)封閉的腕臂管內(nèi)壁銹蝕問題，有效解決了隧道內(nèi)高濕度環(huán)境下接觸網(wǎng)腕臂結(jié)構(gòu)防腐問題。

5.2 基于節(jié)點改型設計后的優(yōu)異性比較

5.2.1 節(jié)點“簡約化”后的施工差異性

原整體腕臂連接節(jié)點共計5處，主要有平、斜腕臂節(jié)點，定位管與斜腕臂，腕臂支撐與平、斜腕臂連接節(jié)點等。將鉸接連接的節(jié)點改為剛接節(jié)點后，節(jié)點強度增加了30%以上。

鉸接連接需考慮滑移、螺栓緊固及施工時間累積等，見表5。普通整體腕臂鉸接連接節(jié)點數(shù)量不低于5處，按照每天8 h連續(xù)作業(yè)，全線腕臂緊固施工累積耗時約730個工日/組(1組工人)。采用焊接全剛性處理，對于施工作業(yè)每組腕臂可節(jié)省耗時約14 min(最少)，一套腕臂減少的螺栓維護比例為55.6%。

表5 鉸接連接節(jié)點性能及耗費運維時間

5.2.2 制造工藝優(yōu)化

(1)剛性節(jié)點工藝

腕臂管、定位管采用無縫鋼管，工藝采用型材加工，焊接采用管端部扁狀雙側(cè)角焊縫。整體焊接腕臂支撐與正定位裝置結(jié)構(gòu)可采用圓弧口焊接工藝。整體焊接腕臂中彎型定位管一端與平腕臂固定，一端與斜腕臂焊接。工藝優(yōu)化要求工廠裝配式加工及管理均趨于智能化，實現(xiàn)了焊接機械手操作，提高了效率及質(zhì)量。工藝優(yōu)化后耗時僅為0.33 h，效率提升88.3%，見表6。

表6 節(jié)點可優(yōu)化的工藝耗時

(2)半剛性節(jié)點工藝

SC腕臂節(jié)點組成的結(jié)構(gòu)為免維護內(nèi)齒槽整體腕臂，桿件及其連接節(jié)點均采用型材加工，工藝簡單，材料致密性強，整體組裝無焊接。桿件撓度可控制在0.7%L[17-18]，L為腕臂有效長度。

6 基于節(jié)點形式推薦的整體腕臂結(jié)構(gòu)

6.1 全剛性整體腕臂

針對全剛性整體腕臂，如圖10所示，采用基于有限元原理MIDAS結(jié)構(gòu)仿真軟件對全剛性整體腕臂建立實體數(shù)學模型(反定位為例)。焊接節(jié)點全部按照剛性節(jié)點處理，共劃分68個節(jié)點，坐標平面為XY，XZ，YZ。

圖10 整體全剛接腕臂反定位

經(jīng)計算分析，在最大組合荷載工況下，最大形變位移發(fā)生在絕緣子與腕臂及腕臂支撐附近，變形量為3.87 mm，如圖11所示。危險截面發(fā)生在斜腕臂與絕緣子連接處及彎性定位管與定位支座安裝處。在9～10節(jié)點的單元桿件上，最大應力為56.88 MPa，安全裕度為77%，按照現(xiàn)行TB/T 2075.1《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件》中的規(guī)定，腕臂及定位管撓度不得大于其有效長度的0.7%，最大變形及強度均滿足相關規(guī)范要求，且安全裕度較大[19]。

圖11 變形前、后單線圖(單位：mm)

6.2 SC型整體腕臂

SC型整體腕臂，如圖12所示，采用φ70 mm型材開口管材，壁厚6 mm。桿件組合節(jié)點僅1種，且具備有級調(diào)整功能，連接部件比普通腕臂裝置縮減了40%，螺栓緊固件僅為1種規(guī)格，減少維護量約30%。

圖12 SC型腕臂結(jié)構(gòu)

SC腕臂結(jié)構(gòu)的各個關鍵節(jié)點及零部件進行局部應力分析，主要考核連接強度、滑移指標、腕臂撓度等。經(jīng)計算，Q355材質(zhì)的SC型腕臂在最大工作荷載條件下，其撓度約為10 mm，應力值不大于60 MPa，最大變形及強度均滿足相關規(guī)范要求。

7 結(jié)論

通過提出3種節(jié)點連接方式組成3種不同的腕臂結(jié)構(gòu)形式，即1型鉸接連接整體腕臂，2型剛性連接整體腕臂，3型半剛性連接整體腕臂。節(jié)點類型是決定一個結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的關鍵，所以節(jié)點的不同其三角腕臂結(jié)構(gòu)特性也不同，見表7。提出的3種不同的節(jié)點方式組成的腕臂結(jié)構(gòu)形式，其綜合差比如圖13所示。

表7 3種腕臂結(jié)構(gòu)比較

圖13 3種節(jié)點腕臂結(jié)構(gòu)綜合差比趨勢

不同節(jié)點形式其結(jié)構(gòu)差異顯著，同種工況下，SC型腕臂及全剛性腕臂分別比普通的整體腕臂節(jié)點應力提高48.29%和45.45%。人工消耗方面，全剛性腕臂與SC型腕臂均占優(yōu)勢，可減少維護量30%以上。

高原電氣化鐵路接觸腕臂設計應充分考慮其結(jié)構(gòu)制造工藝的簡化、可調(diào)整性、施工難易及運維的簡約性能等，在特殊的氣候條件下，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)高可靠性、少維護、免維護[20]。建議根據(jù)線路及環(huán)境的差異性對幾種基于節(jié)點剛性、強度組合形式下的3種腕臂結(jié)構(gòu)進行分段合理使用，以達到接觸網(wǎng)設計因地制宜的多維化發(fā)展理念。