強風地區高速鐵路接觸網錨固系統簡約化研究

王玉環,郭鳳平,周少喻,關金發

(1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043； 2.中國國家鐵路集團有限公司安全監督管理局,北京 100844； 3.西南交通大學電氣工程學院,成都 610031)

1 概述

隨著電氣化鐵路尤其高速鐵路的快速發展以及 “一帶一路”倡議的具體實施，我國內陸、邊疆、沿海復雜生態環境下的電氣化鐵路加快了建設步伐。目前強風地區高速鐵路的覆蓋率已達20%左右，以蘭新高鐵為例，現運營5年，歷時10個風季，經過諸多工程實踐，接觸網系統防風技術有了更好的提升與突破，并形成了系列技術成果[1-2]，接觸網抗風效果顯著，基本達到預期目標。但因地形地貌、擋風墻(屏)后方結構氣動升力等因素引起接觸網設備及連接故障率頻發，其主要原因是基于接觸網系統結構的復雜性及層級的多樣性決定的[3-6]。目前接觸網風致響應的研究方法主要有基于風速譜的模擬、數值仿真、氣動試驗和現場實測[7-12]。系統穩定性一是取決于結構能否抵抗外界的復雜環境的振蕩，保持能流穩定；二是設備間的相互關聯的動態。從系統工程學可靠性角度，接觸網屬于“串連 ”關系，因此在滿足系統功能前提下組成系統的設備及元件越少越好，系統更易趨于穩定。但是系統簡約化并不代表可靠性也隨之增高，二者相互關聯，因此研究適用于風區特別是新疆特殊風區的接觸網系統簡約化，保證系統能流穩定是當前鐵路牽引供電系統防風研究的新課題，對進一步提升荒漠風區接觸網系統安全可靠性，減少運營維護工作量有著重要意義和社會價值。

2 接觸網系統簡約化原則

2.1 簡化結構

運營實踐證明，在荒漠大風等外部環境下，接觸網越簡潔，結構及安裝、連接零部件越少，系統可靠性就越高。

2.2 可靠性

接觸網的可靠性設計是為了在設計過程中挖掘和確定隱患及薄弱環節，采取設計預防和設計改進措施[13-14]，提高接觸網的固有可靠性。

3 接觸網可簡約化的子系統

接觸網系統技術參數主要包括線索張力、錨段長度、跨距、結構高度、拉出值、吊弦布置及錨固等[15]，其中錨固子系統作為接觸網的終端尤為重要，本節重點分析強風地區接觸網補償錨固子系統的技術參數簡約化方案。

3.1 接觸網關節布置及全補償錨固子系統

在區間或站場上，根據供電和機械方面的要求，將接觸網分成眾多獨立的分段。錨段兩端的承力索和接觸線都直接或通過補償裝置固定到錨柱上[15-16]。接觸網錨固系統的組成：接觸網終端全補償錨固(含終端錨固線夾，補償裝置，墜砣限制架，墜砣串組件，補償裝置底座支架，拉線裝置等)，中心錨結無補償錨固(含中心錨結繩及其線夾，無補償下錨底座，拉線裝置等)[17-18]，詳見圖1。

圖1 接觸網錨固系統的組成

蘭新高鐵百里、三十里等風區接觸網設計采用了FMECA故障模式影響及危害性的可靠性分析方法[13]，接觸網終端下錨布置采用分支延跨下錨方式，其優點：一是降低支柱容量；二是故障導向集散薄弱環節；三是可提高系統可靠性，減少維修量，詳見圖2。

圖2 風區接觸網延跨下錨關節布置(單位：mm)

3.2 錨固系統中的接觸網終端錨固

3.2.1 風區補償裝置的應用

錨固設計最重要的是補償裝置的選用，補償裝置即張力自動補償設備，根據線路技術條件、補償效率、運維便利性及經濟性能確定。目前采用較多的為重力式補償如滑輪、棘輪補償，特殊區段可采用彈簧補償。近幾年開通的廣深港，海東環，蘭新鐵路及蘭新高鐵等風區電氣化鐵路，接觸網終端錨固均采用帶制動功能的棘輪補償裝置。重力式補償其補償效率可達97%，比較適用于大張力系統，詳見圖3。

蘭新高鐵在設計前期針對接觸網抗風研究建立多個科研項目，對補償裝置的選擇與抗風及災后修復能力等進行了系統性綜合研究，最終采用傳動比為1:3的棘輪補償裝置，目前運營狀態良好。為了減少摩擦耗能，新研制了防風型導向式墜砣限制架，對提高棘輪補償裝置的抗風及整體機械性能有一定的輔助作用。

圖3 風區接觸網棘輪補償裝置

3.2.2 基于可靠性再分配原理的簡約化方法

接觸網為典型的串聯結構系統，其錨固子系統中的補償裝置的復雜性直接決定了接觸網的可靠度。本次研究對風區棘輪補償采用可靠性預計與可靠性分配的方法對系統分配及設備關系進行估計。根據歷史產品可靠性數據、系統構成和結構特點及系統的工作環境來評價已運營系統可簡約化的程度。風區棘輪補償裝置的故障模式統計詳見表1。

表1 風區棘輪補償裝置組成及故障模式統計

3.2.3 終端錨固結構的可靠性及簡約化設計

接觸網終端錨固系統按其結構組成及功能實現流程來講，接觸網終端錨固系統由最小元器件構成基本單元后串聯組成，所以每個基本單元的可靠度都會直接影響系統的可靠度。錨固系統可靠度計算如下所述。

(1)接觸網功能FMECA評估

FMECA故障模式分析方法，是比較適合于工程及機械組裝設備，按照其故障模式分析框架，通過建立樣本空間，統計、試驗、分析、預測等方式來獲取裝置應用故障數據。

(2)棘輪補償可靠性模擬計算

接觸網的終端錨固系統可以分解為9個單元，給每個單元進行編碼，詳見式(1)。

(1)

在《接觸網防風動態仿真技術研究及可靠性分析研究》研究報告及《高速接觸網可靠性綜合研究報告》鐵道部科技開發計劃(2011J023-A)中部分的可靠性研究數據參數可以采信[15]，詳見表2。

表2 接觸網設備的可靠性分配

根據零部件應力分布，利用聯接方程計算，再利用正太分布，可計算承受徑向力或軸向力的零部件如桿件連接功能零部件的可靠度，聯接系數為

(2)

式中μδ——強度分布均值；

μs——應力分布均值；

σδ——強度分布標準差；

σs——應力分布標準差。

Rn=Φ(ZR)，符合標準正態分布表的分布函數，可查表求得，并可模擬可靠性的變化趨勢。接觸網終端錨固主要零部件的可靠度詳見表3。

表3 接觸網終端錨固的可靠度(棘輪)

表3中，棘輪本體的可靠度為0.985 5，在接觸網系統中比較核心的重要裝置，則錨固系統的可靠度為

(3)終端錨固系統簡約化設計

在強風環境中，設備空間侵占越大其迎風面越大，因此在錨固系統中零件及裝置結構宜簡約，接觸網每個單元的可靠性都決定系統的可靠性。在滿足其功能且不降低可靠性的基礎上，改變冗余布局，實現集成化，并可趨向簡約。

棘輪補償裝置組件、附件較多(限制架和墜砣等附件)，擬采用集成性較強、組件較少的彈簧補償裝置進行可靠技術對比，詳見圖4，采用彈簧補償器的單元可靠度詳見表4。

圖4 彈簧補償裝置

表4 接觸網終端錨固的可靠度(彈補)

如果采用彈簧補償器，終端錨固零部件的組成數量減少44.4%(基本連接單元)，可維護時間會大大縮減，可靠度計算如下

由上式計算可知，接觸網終端錨固系統采用彈補則可靠度為0.930 6，采用棘輪補償時可靠度為0.942 426，R彈補

(4)可靠性再分配與簡約化的可靠度保證

可靠性再分配是將工程設計規定的系統可靠度指標合理分配各個子系統(或基本單元)，可靠性重新分配本質是一個工程決策問題，應從人力、技術、資源、時間等各個方面進行優化。下面介紹系統可靠度再分配的過程及結果，接觸網終端錨固可靠性再分配引導流程，詳見圖5。

圖5 接觸網終端錨固可靠性再分配引導因素

(3)

1次可靠性再分配計算示例如下：

0.947 1

經過系統可靠性再分配計算，原系統可靠度與再分配后的可靠度變化如表5所示。

表5 彈簧補償裝置可靠度再分配

進行2次資源再分配后，系統的可靠度分別為0.947 1及0.972 9，視為R0=R1，彈補錨固系統可靠度大于分配前棘輪錨固系統的可靠度，因此可視為分配成功，實現了接觸網錨固系統簡約化，工程設計時可按此可靠度進行選型。

4 補償裝置與中心錨接

強風地區接觸網錨固主要是采用棘輪補償裝置及中心錨結，組成全補償錨固系統。若采用非恒張力彈簧補償裝置，可取消中心錨結，溫度變化后，彈簧補償系統的線索張力重新分配保證錨段兩端絕對平衡。但要驗證采用彈簧及棘輪補償有、無中心錨接的情況下的弓網動態性能是否發生巨大變化。利用弓網仿真手段[19-20]，建立彈簧補償系統與棘輪補償系統的弓網仿真模型，生成接觸力曲線對比，詳見圖6。

圖6 彈簧和棘輪補償系統的雙弓接觸力曲線

經弓網動態仿真，得到兩種不同補償裝置的接觸網系統的接觸力及振動結果，觀察雙弓的接觸力曲線，基本重合，說明無中心錨結的彈簧補償系統與棘輪補償系統弓網動態性能差異很小。

5 結論

本文采用機械可靠性的可靠度再分配數理分析方法，將優化后的各組成部分可靠度重新分配，利于補償裝置的選型、設計，更利于強風區段接觸網的補償錨固系統結構簡約化。同時采用成熟可靠的弓網動態仿真手段，論證不同補償裝置下的中心錨結取舍的可行性。采用彈簧補償器，終端錨固零部件的組成數量減少44.4%(基本連接單元)，相同的技術參數下，經接觸網靜動態計算結果及分析，并與棘輪補償系統作對比，使用非恒張力彈簧補償裝置，減少中心錨結的接觸網，在考慮溫差變化時，可滿足弓網靜動態性能要求。因此建議將采用非恒張力彈簧補償裝置、減少中心錨結結構作為一項接觸網系統技術參數簡約化措施，可進行工程對比實驗驗證。