高速鐵路簡統化接觸網裝備抗風性能研究

鐘永發

0 引言

我國幅員遼闊，地形復雜，部分特定區域大風、臺風天氣活動頻繁，其中東南沿海和島嶼等地區鐵路受季節性臺風影響嚴重，具有瞬時風力較大的特點。近年來，隨著全球變暖等因素造成的大風、臺風等極端天氣頻發，高速鐵路接觸網設備的運行安全問題日益凸顯[1]。

臺風“天兔”于2013 年9 月22 日在廣東省汕尾市南部沿海正面登陸，登陸時中心附近最大風力14 級。受臺風“天兔”的影響，廈深鐵路位于風口上的長沙灣大橋上接觸網定位支座缺口處出現裂紋，定位器鉤變形開裂。超強臺風“莫蘭蒂”于2016 年9 月15 日在東南沿海福建廈門登陸，登陸時最大風速63.1 m/s，臺風造成沿海鐵路杭深線杏林—廈門區間接觸網嚴重損壞。臺風對電氣化鐵路接觸網裝備具有較強的破壞性，嚴重影響鐵路的安全可靠運行[2]。

簡統化接觸網裝備具有簡約化、零件集成化、連接可靠等優點，已在京沈、京張、鹽通等高鐵線路應用。為進一步論證簡統化接觸網裝備在我國沿海等強臺風環境下的運行可靠性，有必要對其抗風性能進行研究。本文利用腕臂裝置幾何結構校核計算、仿真分析、風洞試驗和現場試掛等方法，分析不同大風參數下簡統化接觸網裝備的氣動響應，以驗證簡統化接觸網裝備在沿海強風區高鐵的適用性，對提高我國沿海高速鐵路接觸網的安全可靠穩定運行具有重要的意義。

1 腕臂力學性能分析

高速鐵路簡統化鋁合金腕臂定位裝置的幾何結構設計計算在施加67 m/s 的風速、無冰荷載的情況下進行[3]，其簡化結構尺寸見圖1。

圖1 腕臂定位裝置簡化結構尺寸（單位：mm）

1.1 接觸網設備所受的荷載與作用力系數

已知接觸網裝置的基本參數：接觸線與承力索的單位長度質量分別為1.342 kg/m、1.059 kg/m，直徑為14.4 mm、14 mm，張力30 kN、21 kN，單位長度上的風荷載44.4 N/m、43.2 N/m；拉出值為0.20 m；最大線路曲線半徑為10 000 m；跨距為50 m；接觸線+承力索單位長度重量為24 N/m。

接觸網設備所受水平荷載：承力索所受風載荷FCAW= 2 160 N；接觸線所受風載荷FCWW= 2 220 N；承力索的水平分力FCAH(導線的水平張力+曲線徑向荷載) = 336 N + 105 N = 441 N；接觸線的水平分力FCWH= (導線的水平張力 + 曲線徑向荷載) =496 N + 155 N = 651 N。

標準ENV 1993-1-1 中7.12 規定，作用力的局部系數和組合系數：固定作用力，增加應力時γG為1.35，減少應力時γG為1.00；變化作用力γQ為1.50；組合系數ψ0為0.60。

1.2 接觸網裝置的計算校核

1.2.1 平腕臂70×6，6082 高強管的校核

平腕臂所受內力：

式中：VCW為腕臂裝置垂直荷載×局部系數；lA為平腕臂長度；FCW為水平荷載×局部系數；hA為結構高度。

斜支撐所受內力：

式中：l2-3與l1-2為圖1 中點2 至點3、點1 至點2的距離。

平腕臂屈服強度σf取310 N/mm2，局部系數γMO取1.1，腕臂材料本身塑性強度：

Npl,Rd=A·σf/γMO= 340 kN

腕臂材料本身抗彎（力）矩：

Mpl,Rd=Wpl·σf/γMO=6.95 kN·m

式中：A為平腕臂橫截面；Wpl為塑形截面模量。

平腕臂受拉或受壓時可應用相互作用的關系式來校核：

Ftop/Npl,Rd+MB/Mpl,Rd= 0.163≤1.0

即平腕臂所承受的實際作用力Ftop和腕臂材料本身所具有的抗拉或抗壓性能Npl,Rd之間的比值，平腕臂所承受的實際彎（力）矩MB和腕臂自身所具有的抗彎（力）矩性能Mpl,Rd之間的比值，兩比值之和小于1，說明平腕臂符合使用要求。

1.2.2 斜腕臂70×6，6082 高強管的校核

斜腕臂的內力：

無彎矩時，已知斜腕臂長度Sk= 3 611 mm，

1.2.3 斜腕臂定位管55×6，6082 高強管的校核

定位管所受內力：

已知斜腕臂定位管Sk= 3 127 mm，i= 17.45 mm，參照1.2.2 節計算得X= 0.066＜1.0。已知鋁合金管抗彎/抗壓截面系數Ky= 1.50，可得

即定位管所承受的實際作用力和定位管材料本身所具有的抗拉或抗壓性能之間的比值，定位管所承受的實際彎（力）矩和定位管自身所具有的抗彎（力）矩性能之間的比值，兩比值之和小于1，符合使用要求。

1.2.4 斜支撐42×18，6082 T6 的校核

由1.2.1 節可知，斜支撐的內力NSd=FD=-1 913 N；已知斜支撐Sk= 1 082 mm，i= 12.14 mm，結合1.2.2 節計算可得X= 0.28，NSd/NRd= 0.03＜1.0，即斜支撐所承受的實際作用力NSd和支撐材料本身所具有的抗拉或抗壓性能NRd之間的比值小于1，符合使用要求。

1.2.5 定位器38×4，6082 T6 的校核

定位器結構簡圖如圖2 所示。

圖2 定位器結構簡圖（單位：mm）

已知Ky= 1.50，可得

即定位器所承受的實際作用力和定位器型材本身所具有的抗拉或抗壓性能之間的比值，定位器所承受的實際彎（力）矩和定位器自身所具有的抗彎（力）矩性能之間的比值，兩比值之和小于1，符合使用要求。

1.2.6 定位線夾，CuNi2Si R490 的校核

定位線夾的校核為根據結構、尺寸驗證定位銷釘連接薄弱處矩形截面（矩形截面疊加）的作用力性能，結構尺寸見圖3。

圖3 定位線夾結構簡圖（單位：mm）

由1.2.3 節可知，定位線夾內力FSt= -4 209 N。定位線夾內力矩：

已知定位線夾屈服強度σf= 370 N/mm2，計算可得Npl,Rd= 34.3 kN，Mpl,Rd= 114 N·m，則

即定位線夾所承受的實際作用力FSt和定位線夾材料本身所具有的抗拉或抗壓性能Npl,Rd之間的比值，定位線夾所承受的實際彎（力）矩MB6和定位線夾自身所具有的抗彎（力）矩性能Mpl,Rd之間的比值，兩比值之和小于1，符合使用要求。

通過以上結構強度計算可得，在67 m/s 的風速、無冰荷載作用下，簡統化腕臂定位裝置滿足使用要求。

2 氣動仿真研究

建立簡統化接觸網裝備的氣動力學仿真模型，進行氣動力學仿真，分析不同風速及風速角對簡統化接觸網裝備的影響[4]。

在不影響腕臂定位裝置空氣動力學性能的前提下，采用三維軟件UG 對模型進行相關修正，計算域選擇長20 m，寬15 m，高15 m 的矩形區域。為便于靜力學分析，對模型中的螺栓進行適當處理。采用GAMBIT 軟件分別對各結構流體域模型計算域進行網格劃分，結構附近采用非結構網格劃分，其余部分采用結構網格劃分[5]。簡統化接觸網裝備應包含腕臂正定位裝置和腕臂反定位裝置兩種模型，由于腕臂反定位裝置的結構尺寸較大，與腕臂正定位裝置相比受力狀況較差，因此本文以腕臂反定位裝置舉例說明。修正后用于空氣動力學仿真計算的腕臂反定位裝置模型如圖4 所示。

圖4 簡統化接觸網腕繴臂反定位裝置仿真模型

利用ANSYS 軟件流體單元對簡統化腕臂定位裝置，分別以0°、45°、90° 3 種迎風角施加40、50、60、70 m/s 的風速。風速為70 m/s 時腕臂速度矢量及跡線如圖5 所示。

圖5 風速70 m/s 時腕臂定位裝置速度矢量及跡線

通過分析得出，平均風壓對腕臂定位裝置作用時，迎風角0°時整體最大應力相對90°和45°時大。風速為70 m/s 時平均風壓作用下腕臂定位裝置的位移云圖如圖6 所示。

圖6 平均風壓作用下腕臂定位裝置的位移云圖

簡統化腕臂定位裝置在70 m/s 風速時整體結構的最大應力均小于材料的許用應力（見表1），說明平均風壓作用在腕臂上時簡統化腕臂定位裝置的結構靜強度較高，其中最大應力出現在定位器的定位線夾上。

表1 70 m/s 風速對腕臂反定位裝置的應力 MPa

3 風洞試驗研究

在氣動仿真的基礎上，進一步利用風洞分析在人造風場下的裝備抗風性能。

風洞試驗室為可更換開/閉口試驗段單回流式風洞，閉口試驗段的截面尺寸為8 m×6 m，最大風速需滿足67 m/s 的要求。試驗風速采用階梯遞增，序列為50、56、62、65、67 m/s。按各風速吹風時，均測量應變的穩態值，采集頻率667 Hz，采集時間3 s；當風速達到67 m/s 時，不僅需測量穩態值，還需在該風速下測量應變隨時間變化的瞬時值，采集頻率200 Hz，采集時間10 s。

采用線路實際應用的零件作為試驗樣件，分別組合成典型結構高度、拉出值的正反定位裝置，定位器通過定位線夾與定位器立柱連接固定，在承力索座處采用兩根斜拉線連接固定，拉線對承力索座的作用力應與實際所受載荷相同。分別對0°、45°、90°迎風角情況進行風洞試驗，試驗模型見圖7。

圖7 腕臂定位裝置在風洞試驗中的模型

試驗結果表明：

（1）0°迎風角時，腕臂定位裝置的應力最大，隨著風速增加，應力增大，同等風速條件下反定位腕臂裝置的應力大于正定位腕臂裝置，且最大應力均發生在定位器上。對于反定位腕臂定位裝置，0°迎風角度，風速67 m/s 時，最大應力發生在定位器上表面，約為57.4 MPa（見表2），應力性質為剪切應力。按3 倍安全系數的要求及零部件材料的屈服強度指標考核，該值遠小于310/3 = 103.3 MPa，零部件強度滿足要求。

表2 風洞試驗67 m/s 風速時腕臂反定位裝置的應力MPa

（2）在試驗過程中，腕臂定位裝置結構穩定，未發生明顯振動，即67 m/s 的瞬時風速小于結構破壞性最大瞬時風速，腕臂定位裝置具有較大的安全裕量。

4 現場試掛驗證

通過仿真與試驗研究，論證了簡統化接觸網裝備在理論上具有較強的抗風性能，但在強風地區實際應用前，仍需結合現場具體環境驗證其實際效果。在既有沿海杭深鐵路選取4 個錨段進行簡統化接觸網裝備的現場試掛。

對試掛錨段抗風性能實施在線監測，監測定位點的垂向位移（圖8）。隨著風速的增大，定位點產生一定垂向位移，經實際檢測，當瞬時風速為30 m/s 時，引起的定位點最大垂向位移約為30 mm。

圖8 在線監測數據

試掛錨段接觸網動態檢測參數（含部分導高和拉出值）見表3，檢測周期為6 個月。可見簡統化接觸網導高和拉出值的數值變化均在允許偏差范圍內，運行狀態平穩。

表3 簡統化接觸網部分動態檢測數據 mm

通過6C 檢測數據比較試掛前后12 個月的接觸網錨段受電弓燃弧和接觸力指標情況，試掛前傳統接觸網裝置受電弓燃弧超標10 件、接觸力超標29 件，試掛后簡統化接觸網裝置受電弓燃弧超標1件、接觸力超標15 件。同時經現場檢查，試掛錨段簡統化接觸網零部件未出現裂紋、變形、松脫等情況，運行狀況良好。

簡統化接觸網裝置自2020 年12 月試掛運行以來，通過在線監測數據和動態檢測分析、現場巡檢可以看出，簡統化接觸網裝備在福建沿海區域運行數據穩定、狀態良好，驗證了簡統化接觸網裝備在沿海強風區運行的可靠性。

5 結語

通過開展高速鐵路簡統化接觸網裝備的抗風性能研究，驗證了高速鐵路簡統化接觸網裝備具有良好的抗風能力，適用于我國沿海鐵路強風環境，這對于完善高速鐵路簡統化接觸網裝備的適用范圍，保障高速鐵路接觸網在沿海地區的安全可靠運行具有重要意義。