柔性接觸網吊弦長度精確計算

趙紅玉,梅桂明,范海江

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251；2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，成都 610031)

1 概述

為了改善接觸網一跨內彈性不均勻,接觸網一般采用彈性鏈型或復鏈型結構形式,同時兼顧到施工難度、維護時間等因素,臨近下錨端的幾跨采用簡單鏈型,中間跨采用彈性鏈型。眾所周知,接觸網的施工質量直接影響著受電弓-接觸網系統的受流質量,而接觸線又是通過吊弦懸掛在承力索上,它的高度變化完全由吊弦長度來控制,這說明吊弦長度的預配是非常重要的。文獻[1～6],從經典力學或有限元角度提出吊弦長度的計算方法,得出較為滿意結果,其中文獻[1,3～6]對簡單鏈型懸掛接觸網吊弦長度進行了分析研究,文獻[2]從經典力學角度推導出彈性鏈型懸掛接觸網吊弦長度計算,但是模型只是在簡鏈或彈鏈單一狀態下,主要對單跨接觸網進行受力分析,與實際情況有所出入,基于此,本文對簡單鏈型、彈性鏈型混合狀態下,采用迭代算法進行吊弦長度的精確計算。

2 數學模型

柔性接觸網由接觸線、承力索、輔助承力索、吊弦及其線夾等組成,具有一定的抗彎特性,將其處理為歐拉梁單元,并考慮到在預張力作用下幾何剛度影響,其彈性剛度矩陣、幾何剛度矩陣及剛度矩陣分別為[7～8]

(1)

(2)

[K]=[Kl]+[Sl]

(3)

式中,L為單元長度；EA為抗拉剛度；EI為抗彎剛度；F為張力。

圖1 吊弦長度計算流程

3 算例

取20跨簡單鏈型、彈性鏈型懸掛混合配置的接觸網,其跨距為50 m,結構高度1.6 m,接觸線線材及張力分別為CTMH150、30 kN,承力索型號及張力分別為JTM120、21 kN,輔助承力索型號、張力及長度分別為JTMH35、3 500 N、18 m,其幾何、力學性能參數見文獻[9，10],吊弦型號為JTMH10,一跨內吊弦布置為5、13、21、29、37、45 m,線夾質量為0.2 kg,接觸網為5跨錨段關節,中心柱、轉換柱、下錨柱處為簡單鏈型,其他為彈性鏈型,離下錨柱遠的轉換柱處接觸線抬高150 mm,離下錨柱近的轉換柱及下錨柱處接觸線抬高500 mm。

圖2 前4跨線夾對接觸線作用力

根據本文提出的計算方法,計算出線夾對接觸線作用力,如圖2所示。其值基本上以跨為呈周期性變化,臨近支柱兩側的吊弦作用力小,中間吊弦作用力大,在此狀態下,與接觸線連接的吊弦下端處于同一高度,接觸線張力不會造成相鄰吊弦處對接觸線的作用力差異,其值基本上為接觸線重量分配值。然而臨近下錨端接觸網結構形式變化,結構為簡單鏈型,在定位點處沒有安裝輔助承力索,在其他布置不變情況下,作用于承力索上力減小,承力索變形也相應減小,導致吊弦長度大于相應彈性鏈型狀態,如圖3所示。進一步了解簡單鏈型、彈性鏈型結構對吊弦長度影響,計算出承力索最終狀態,如圖4(a)所示,對于中間跨的彈性鏈型接觸網,輔助承力索的最終狀態以該處支柱呈對稱形式,而對于彈性鏈型與簡單鏈型交界處接觸網,輔助承力索的最終狀態則不為對稱形式,如圖4(b)所示。根據該組吊弦長度,建立接觸網系統的有限元模型并進行計算,其變形前、后結果如圖5(a)所示,幾乎重合,在此狀態下,吊弦處接觸線位移如圖5(b)所示,與理論值偏差最大值為1.26 mm,完全符合鐵路接觸網施工要求。

圖3 前4跨吊弦長度

圖4 承力索最終狀態

圖5 接觸網變形及吊弦處接觸線位移

4 結論

接觸網在電氣化鐵路尤其是高速客運專線的建設中起著重要作用,長期的實踐與研究表明,接觸網與受電弓之間實現電能穩定、有效地傳輸,是實現列車運行速度目標值的關鍵因素。為提高接觸網施工質量,改善弓網受流質量,一般現場都會有嚴格的腕臂、吊弦預配計算。經與實踐計算值比較,本文所提出的簡單可行的迭代算法來求解柔性接觸網吊弦長度,有效地減小了吊弦預配長度的計算誤差,其計算結果能夠使得接觸線處于理想狀態,最大偏差1.26 mm,完全符合鐵路接觸網施工要求。

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