強風區接觸網腕臂支持結構方案探討

王玉環,田志軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

目前南疆線前百公里風區,蘭新線安西、煙墩、百里、三十里風區及達坂城、阿拉山口風口,風區總長度約 508.2km。特別是百里風區內大風頻繁、風力強勁、風力變化劇烈,最大瞬時風速超過 60m/s,大風破壞鐵路設施、吹翻列車等事故時有發生,嚴重影響旅客出行,給鐵路運輸造成了重大損失。強風沙環境下,不同類型擋風墻對接觸網的氣動性能及弓網耦合的影響很大,大風對接觸網的穩定性和弓網受流性能產生的影響的系統性研究是非常有必要的,特別是腕臂支持結構,接觸網系統中腕臂支持結構是保證接觸網穩定運行的最基本的單元,用于懸掛、支撐接觸網,無備用。從可靠性角度講接觸網系統是串聯結構,腕臂作為接觸網系統的子系統是非常重要的。它的可靠度直接影響整個接觸網系統的可靠性。

新疆鐵路大風主要有以下特點,一是風速高,百里風區最大風速達 60m/s(17級),十三間房附近風力最大,東西兩端遞減;前百公里風區最大風速達 64m/s(超過 17級),鐵泉附近風力最大,自東向西遞減。二是風期長,主要風口年均大風天數相當高,大于 8級風的大風天數百里風區為 96d、前百公里風區為 156d。三是季節性強,每年冬春交替季節大風最為集中,占全年大風天數的 30%以上,風速也最大,秋冬交替季節大風天氣也較多。四是風向穩定,風區大風主要受寒潮天氣影響,因素單一,加之區域遼闊平坦,每次大風所經路線較為固定,主風向為西北風。五是起風速度快,在 15～40min內風速可由 0～5m/s迅速增加到19～20m/s以上。

2 國內外典型腕臂支持結構形式

國外電氣化鐵路中,德國、法國、日本 3個國家的接觸網系統各自不同。在我國的電氣化鐵路建設項目中,接觸網系統技術指標及性能與國外有所不同,同等速度級別的鐵路對于接觸網系統而言國內的技術指標及性能的要求往往高于國外。鑒于現狀,如何在國外電氣化鐵路接觸網零件的基礎上,結合我國實際情況,根據各地區不同的自然環境,研究出機械性能高、又符合我國大風沙自然環境的電氣化鐵路接觸網零件就十分重要。

對于國外情況,日本是多災(海風、地震)地區,接觸網抗風系統的研究比較全面,大風情況與我國有相似之處,但其處于沿海地區,空氣潮濕、鹽害嚴重,所以其主要在防風、抗振及抗腐蝕性能進行研究并付諸于工程實施。而對于我國新疆地區,強風中夾雜沙石,溫差大,溫度驟變等環境條件更為惡劣。目前電氣化鐵路接觸網典型的腕臂安裝主要方式有 4種,中國系旋轉平腕臂,德國系旋轉平腕臂,法國銳角三角形腕臂,日本旋轉整體腕臂。

2.1 中國式平腕臂安裝

圖1中旋轉平腕臂方式為在原德國制式上改進的方式,目前應用比較廣泛。但是這種方式僅在普通氣候條件下使用,國內外尚無用于大風災害地區的實例,大風區段接觸網上部支持結構要有足夠的強度及剛性以抵抗強風荷載作用,這種普通的腕臂組合方式鉸接連接點多,整體的剛性較差。在瞬時大風作用下,接觸線及承力索處水平荷載大,所以要求旋轉腕臂結構要具備足夠的強度及剛度,以承受由大風引起的動荷及沖擊作用。

2.2 德國式平腕臂

德國系列腕臂安裝多采用管徑 70mm的鋁合金腕臂管及鋁合金件,與腕臂連接的零部件均采用不銹鋼 U栓連接,承力索座設在腕臂端頭。從力學角度分析承力索懸掛在此處結構變形較小(無懸臂端),平腕臂無附加彎矩。這種方式設計較嚴謹,承力索懸掛無調節余量,要求施工精度高,不利系統累計誤差消除。

圖1 中國式平腕臂安裝

圖2 德國式平腕臂安裝

2.3 法國式銳角三角形腕臂結構

圖3中旋轉腕臂結構為銳角三角形結構,若將壓管改成平腕臂結構,此種銳角結構方式要比平腕臂結構穩定。但是該結構中承力索采用套管絞環及鞍子固定(圖4),由于強風作用,承力索強烈舞動使鞍子與套管絞環鉸接處的疲勞會迅速增加,旋起的細沙在鉸接處堆積,在長期的累積作用下細沙會對零部件鍍鋅表面產生摩擦磨損,加劇零件銹蝕,短時間內會大大削弱零件的強度。沙粒磨損機理見圖4。另外,在施工過程中承力索位置調節及誤差消除困難,預配后支持結構對側面限界的適應性差,結構高度較難保持一致,增加了腕臂預配、調節等施工難度。

圖3 法國式銳角三角形腕臂

圖4 套管絞環及鞍子

3 日本旋轉整體腕臂

日本防風系統中腕臂多采用整體結構,正反定位均采用整體彎制定位管、腕臂結構(圖5)。連接零件多采用型材加工,承力索座采用不可旋轉的型材彎制結構形式。定位器采用弧形帶彈簧限位定位器,定位器端部采用平銷軸與垂直銷軸連接,端部連接可靠,不會引起脫鉤或燒蝕現象。腕臂管一般采用無縫鋼管制造。為了防止定位管在大風時過度上抬,定位管與斜腕臂、平腕臂之間剛性連接,腕臂穩定性較強,而且在強風舞動狀態下定位器定位圖失效或定位器偏轉較大的情況下,可有效防止導線翻至定位管上。

圖5 日本防風系統中中間柱腕臂正、反定位安裝

日本原系統整體腕臂結構中彎制腕臂制造及安裝精度較高,無調整余量,在線路條件不穩定、土建施工誤差及接觸網施工誤差累積后,若調整量不足會引起構件間內力作用產生變形,在一定程度上影響設計及施工周期。日本原系統承力索座(圖6)不能旋轉,導線溫脹引起的切向力產生的扭轉由其底部的焊接筋板承受。其他零部件大多采用型材加工的抱箍式結構(圖7),抱箍式零部件由于與腕臂連接的接觸面積較大,抗滑性能較好。

圖6 承力索座

圖7 抱箍類零件

4 風沙作用機理及對接觸網支持結構的影響

4.1 接觸網在風場中的振動形式

接觸網在風場中的振動形式主要有微風振動、舞動、次檔距振蕩(尾流振蕩)。微風振動主要是由風引起導線的周期性振動。對導線及零部件的破壞形式可以分成兩大類:疲勞損壞和磨損損壞。兩種損壞都是漸進的和長期的,并且同時發生。

舞動一般來說是指導線在不對稱覆冰及風力的共同作用下引起的一種低頻率、大振幅的振動現象。引起導線舞動的因素主要有兩個大方面。在新疆地區氣候干燥,雨水較少,風期內導線覆冰的可能性很小,所以在百里風區內導線的舞動主要是由于后者引起的,但也不排除覆冰的影響。舞動的能量很大,持續時間也較長,一旦發生舞動,可能會造成零部件短時間內破壞,導線斷裂,甚至支柱折斷等重大事故。

次檔距振蕩是指風的尾流效應引起的導線在相鄰跨距內的水平振動,通過改變相鄰跨距(不等跨布置)可降低次檔距振蕩的影響。

4.2 風沙作用于上部支持結構及零部件的機理

由于新疆地區風沙頻繁,零部件除承受接觸網作用外載荷、風荷載、螺栓預緊力、自身重量等還必須考慮沙粒沖擊作用。

新疆地區風沙作用:主要是風蝕與風積作用。風蝕作用是風和風沙流對地表物質的吹蝕和磨蝕作用。風積作用為風沙流運行過程中,由于風力減緩或地面障礙等原因,使風沙流中沙粒發生沉降堆積時稱風積作用。經風力搬運、堆積的物質稱為風積物。由于上部支持結構中主要零部件的懸掛高度均在 5～8m(距軌面),所以主要零部件,如接觸網旋轉腕臂底座、定位器本體與支座鉸接處、承力索座等都要考慮風積作用。

4.3 懸掛點處“波節點”及“波腹點”的影響

研究發現,導線振動時有一個規律,導線上有些點做上下運動,這些點稱為“波腹點”,而另外一些點,卻不發生位移,維持在原來平衡點上,這些點稱為“波節點”。“波節點”在振動中被反復彎折,使“波節點”處導線產生疲勞,易導致斷股、斷線。而懸掛點兩側導線,不論在什么頻率下振動,始終為“波節點”。所以在承力索懸掛點處要采取措施以減少“波節點”及“波腹點”的影響。

5 防風型支持結構及與日本腕臂技術的比較

5.1 防風型腕臂結構

綜合國內、外接觸網上部支持結構的優缺點及新疆大風區的特殊環境,針對我國的接觸網施工工藝、施工工法、工程周期及制造方法,我們提出新的適合于我國國情、安全可靠的防風型旋轉腕臂安裝組合形式。

結構形式:采用整體式三角旋轉腕臂,典型的安裝見圖8、圖9。

圖8 正定位安裝示意

圖9 反定位安裝示意

結構組成:水平腕臂、斜腕臂、定位管、腕臂支撐、抱箍雙耳、承力索座、定位器及定位線夾等。

5.2 防風型腕臂與日本大風系統腕臂、普通型腕臂技術比較(表1)

表1 防風型腕臂主要加強措施比較

5.3 防風型腕臂主要特點

(1)腕臂裝置采用整體連接,腕臂與定位管連接為整體結構,彎型結構提高了腕臂裝置整體的連接強度,穩定性較好,剛性大,可將接觸網作用的荷載有效的傳遞給支柱及基礎,也使腕臂裝置在大風環境下具有高可靠性。可有效避免定位管脫落、跳起,正定位采用垂直彎管型整體定位管,在強風舞動狀態下定位器定位失效或定位器偏轉較大的情況下,可有效防止導線翻至定位管上端。

(2)定位管及腕臂的折彎角度≥90°,反定位處彎型連接可以調節,便于施工調整。

(3)減少連接點,降低了故障率。

(4)腕臂間設腕臂支撐既增加了腕臂結構穩定性,又提高了絕緣子與腕臂連接點的強度。

(5)采用整體定位管和整體腕臂以減少連接點,減小了風積作用幾率。

(6)承力索座可旋轉,與腕臂采用銷栓連接,無滑移現象。

(7)承力索座兩端設連續預絞絲或纏縛保護條。其次,承力索座處考慮冗余設計:承力索座處承力索兩側敷設預絞絲,以減少該位置導線長期舞動引起的疲勞斷線影響或承力索座內設預絞絲對導線起保護作用,削弱承力索懸掛點處的應力集中(圖10)。

圖10 承力索座處保護及冗余結構

5.4 防風型腕臂力學技術要求

(1)腕臂支持結構校驗風荷載條件(表2數據從新疆氣象局及風場模擬試驗所得)

表2 蘭新線和南疆線大風區段接觸網設計風速取值

(2)腕臂管上承受風壓計算

當風向垂直線路吹時(圖11),下錨處最遠端的轉換腕臂柱偏角最大,見表3,承受風荷載也最大。當風向為順線路方向吹時,中心錨結處腕臂管承受風荷載最大。

圖11 風作用與腕臂管

表3 腕臂最大偏角α

腕臂管上承受風壓計算(表4、表5)。

表4 南疆線腕臂管上風荷載

表5 蘭新線腕臂管上風荷載

(3)防風型腕臂正、反定位有限元分析

利用 ANSYS結構分析軟件,將接觸網所受外部荷載、腕臂結構的風荷載及風場中動荷載影響因素加載于腕臂支持結構上,通過有限元法分析腕臂支持結構整體穩定性。ANSYS結構分析截圖見圖12、圖13,從圖12、圖13可以讀取相關節點受力信息及腕臂變形趨勢。通過有限元法對此三角平面桁架結構分析,定位器處受力最大為 2.997kN,平腕臂垂直撓度變形為1.5mm(側面限界 3.1m)。在強風區定位器為關鍵性零件,其力學指標均能滿足定位器的技術條件(最大工作荷重按 3.8kN設計)。腕臂的撓度也滿足1.5L%的設計要求,腕臂支持結構穩定檢算見表6。

圖12 正定位

圖13 反定位

表6 腕臂支持結構穩定檢算

6 結論

綜上所述,新疆強風地區接觸網腕臂支持結構的穩定性非常重要。在多方考察并了解多風災國家的電氣化鐵路接觸網的腕臂結構形式前提下,結合我國新疆強風區的氣候特點,提出防風型腕臂結構形式,通過ANSYS軟件分析獲取了各結點處的力學指標,腕臂變形也滿足規范要求。此種腕臂結構均能滿足強風區的相關技術條件,各零部件的連接結點的力學指標也滿足設計要求。根據 ANSYS結構分析所提出腕臂支持結構及各零部件的力學指標,可作為疲勞試驗條件的參考值。

[1]中鐵電化局譯.電氣化鐵道接觸網[M].北京:中國電力出版社,2004.

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