250 km/h 低凈空隧道弓形腕臂系統優化方案設計

鄧相龍

0 引言

隨著我國鐵路建設步伐的加快，長三角、粵港澳、京津冀地區規劃的城際鐵路達3 000 多公里，設計時速為200～250 km，并且隧道基本為低凈空隧道。目前國內還沒有可滿足城際鐵路技術要求的低凈空隧道接觸網懸掛方式，弓形腕臂結構為一種較好的解決低凈空安裝難題的懸掛類型，既可避免傳統三角腕臂結構安裝凈空的限制，又可解決剛性懸掛結構的速度限制問題，還可替代單腕臂支撐懸掛結構，提升接觸網整體性能，提高線路通過速度。

1 盾構隧道內主要技術條件

（1）盾構隧道內徑7.7 m；襯砌施工誤差150 mm；最小曲線半徑550 m，最大外軌超高150 mm，連續曲線區段長度不大于4 km。

（2）接觸網正線導線組合：CTS120+JTMH95；工作張力為(15+15) kN；接觸線懸掛高度5 300 mm。

（3）受電弓動態包絡線：受電弓上下振動范圍為120 mm，左右振動范圍為250 mm。

（4）帶電體對地絕緣間隙及受電弓振動至極限位置間隙值按照《鐵路電力牽引供電設計規范》[2]取值分別為300、160 mm[1]。

2 既有低凈空隧道接觸網懸掛方案

根據盾構隧道主要技術條件和鐵路隧道安全要求的接觸網技術原則，對既有低凈空隧道接觸網懸掛方案（剛性懸掛、水平懸掛、單支撐腕臂懸掛及日本隧道內整體腕臂懸掛結構）進行分析。

剛性懸掛通過剛性梁夾持接觸線安裝，安全可靠，特點突出，在較低速度下完全滿足電氣化鐵路應用技術要求，在國內時速160 km 以下的電氣化鐵路成功應用，在時速120 km 以下的城市軌道交通線路也有廣泛應用。

水平懸掛為我國很多單線隧道接觸網所采用的懸掛方式，結構簡單、穩定、可靠，在時速120 km 以下的電氣化鐵路得到廣泛應用。但該懸掛方式在接觸線定位點集中了定位裝置的全部重量，局部形成硬點，影響接觸網彈性均勻度。

單支撐腕臂懸掛方式減少了隧道內的支持點及絕緣子裝配數量，可提升工程的施工質量、安全水平及施工進度等。但該懸掛方式只有1 個絕緣子，局部荷載集中，安全裕量較小，其機械性能無法滿足《200～250 km/h 電氣化鐵路接觸網裝備暫行技術條件》[3]的相關要求，且國內尚無時速160 km 及以上線路運營經驗。

隧道內整體腕臂懸掛方式已在日本新干線成熟應用，腕臂結構比較穩定。但該方案對土建和接觸網的施工精度要求極高，對施工誤差適應性較差，可調范圍極小，且內徑7.7 m 盾構隧道內不能設絕緣關節。

綜上分析，上述幾種低凈空懸掛方式在結構、性能、安裝及適應性等方面均存在一定的缺陷，需設計一種可較好解決低凈空安裝難題的懸掛結構，弓形腕臂是較好的技術解決方案。

3 250 km/h 低凈空弓形腕臂系統

3.1 性能描述

接觸線定位點處的最大水平工作荷重2.5 kN（非支4.5 kN）；承力索最大水平工作荷重2.0 kN（非支4.0 kN）；接觸懸掛最大垂直荷重4.0 kN；在腕臂支持結構典型安裝、最大工作荷重組合受力條件下，腕臂的撓度不大于0.7%L（L為腕臂的長度）；在腕臂支持結構典型安裝、最大工作荷重的1.5 倍組合受力條件下，腕臂不產生塑性變形；腕臂支持裝置應具有在最大工作荷重組合受力條件下結構穩定、擺動靈活的性能[3]。

3.2 產品結構

在結合目前國內外電氣化鐵路隧道內接觸網產品特點和充分考慮國內施工現狀的基礎上進行腕臂結構研究設計，確保產品性能優異、安裝方便、滿足線路使用要求。基本結構設計如圖1 所示。

圖1 弓形腕臂結構

弓形平腕臂采用折彎型腕臂管與定位管焊接成平行結構，通過加強板焊接成為一體，大大提高其抗彎性能；將斜腕臂進行分拆，通過調整支撐長度實現斜腕臂絕緣子與平腕臂絕緣子對齊，保證絕緣距離，消除行車安全隱患；定位支座采用折彎型結構，最大限度節約安裝空間，保證施工調整裕量，并設計了可調限位塊，可滿足定位器的抬升限位要求。弓形腕臂系統零件少、性能穩定，采用標準化設計制造，施工效率高。

3.3 有限元仿真分析

通過對各零部件的結構分析，弓形腕臂裝置中弓形平腕臂與絕緣子連接處和斜腕臂與弓形平腕臂連接處為受力薄弱點，采用SAP2000 軟件建模進行有限元受力分析驗證[4]。

分析采用數值分析方法，建立低凈空隧道內弓形腕臂安裝平面有限元模型，采用靜態加載分析其靜力特性，并對其在靜力荷載作用下的受力狀態做出分析評價。重點分析隧道內整體腕臂在靜力作用下的受力特點，其荷載作用如圖2 所示。

圖2 弓形腕臂裝置安裝荷載分布示意圖（單位：mm）

低凈空隧道內弓形腕臂安裝模型中，平腕臂、斜腕臂、陶瓷絕緣子和定位管均采用梁單元進行模擬。實際工作中因腕臂需承受較大的剪力及彎矩，采用Timoshenko 梁進行模擬。材料參數見表1。

表1 腕臂系統幾何物理參數

采用有限元對低凈空隧道內腕臂安裝開展靜力荷載作用下的受力變形分析，得出腕臂關鍵截面的應力和關鍵點的位移，選取部位如圖3 所示。

圖3 應力變形關鍵部位示意圖

根據有限元分析得出低凈空隧道內安裝正、反定位裝置的腕臂在靜力作用下的應力分布，見表2。正定位最大應力出現在截面2，即斜腕臂與定位管連接部位，為154.02 MPa；反定位最大應力出現在截面1，即弓形平腕臂斜端與定位管焊接部位，為134.47 MPa。

根據有限元分析得出低凈空隧道內安裝正、反定位裝置的腕臂在靜力作用下的變形，各關鍵截面靜力荷載作用下的位移見表3。

表3 靜力荷載作用下腕臂關鍵部位位移 mm

3.4 試驗驗證

產品送往國家鐵路產品質量監督檢驗中心，按TJ/GD 011—2009《200～250 km/h 電氣化鐵路接觸網裝備暫行技術條件》[3]、TB/T 2073—2010《電氣化鐵路接觸網零部件技術條件》[5]、TB/T 2074—2010《電氣化鐵路接觸網零部件試驗方法》[6]等行業標準進行性能試驗檢測（圖4），取得了合格的型式試驗報告。

圖4 試驗受力加載示意圖（單位：mm）

3.5 驗證分析

在靜力集中荷載作用下，正定位最大應力出現在斜腕臂與定位管的連接部位，為154.02 MPa，反定位最大應力出現在弓形平腕臂斜端與定位管焊接部位，為134.47 MPa，均小于其材料許用應力（164.15 MPa）；安裝有正定位裝置的腕臂撓度為0.25%L，反定位撓度為0.26%L，均小于0.7%L（L為腕臂的長度）的要求。

綜上所述，弓形腕臂安裝在靜力荷載下，最大應力小于其材料許用應力，并且具有一定的應力安全裕度，滿足材料強度要求，腕臂關鍵部位最大位移亦滿足變形要求。

4 結論

從設計制造到產品的性能測試、試驗及現場使用情況，該弓形腕臂系統設計合理、安裝方便，降低了勞動強度，提高了工效。該腕臂系統將定位管與平腕臂焊接組合為一體，斜腕臂連接在平腕臂與定位管接近根部位置，保證了腕臂結構的機械性能，滿足了最低凈空（內徑7.7 m 盾構）隧道內的安裝要求。斜腕臂和平腕臂的根部采用鉸鏈結構連接，定位支座采用限位可調結構，提高了弓形腕臂裝置的適應性。該腕臂系統在長株潭、穗莞深、東海島等城際鐵路中得到成功應用。