高原鐵路接觸網腕臂結構適應性研究

王玉環

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

1 概述

西南高原鐵路匯聚了世界罕見的復雜環境及地理現狀，線路自成都盆地西行，穿越川西高山峽谷，山脈河流交錯分布，且東西向有多組斷裂帶。部分地區受印度洋季風影響，在峽谷區形成了峽谷湍流。總體特征為空氣薄、輻射強、高頻震，極其不適合人類強勞動作業活動。如此艱苛的條件下建設電氣化鐵路，應充分考慮環境及線路條件對供電系統的適應性及穩定性影響。

2 環境及地理狀態的影響

2.1 環境因素

特殊的環境主要表現為斷裂帶密集、新構造運動、地熱顯示海洋性次生氣候，濕度較大，見表1。

表1 高原鐵路復雜環境特征表象

2.2 線路因素

西南高原鐵路隧道群落密集，橋隧連接的結構復雜，橋隧比達90%以上。不良地質、特殊地貌分布較廣，且具有罕見連續的大坡道，這些都是鐵路建設中不可小覷的難、重點。因此，在復雜線路與惡劣氣候環境的無極耦合情況下，該鐵路建設一定要充分做好設計與環境適應性的研究。作為典型的高原電氣化鐵路，其供電系統中接觸網設計和關鍵裝備技術選型及應用尤為重要。

3 接觸網主要裝備適應性研究的必要性

接觸網作為一個沿線連續電能供給子系統，其腕臂支持結構，涵蓋了電氣、機械、結構、焊接、材料等多學科知識。常因“結構繁瑣、多關節聯接、高空實施、剛柔并存及檢修困難”的特點，無論是從設計、施工還是運維，均以重要的作用影響著電氣化鐵路安全運營[1-3]。

鑒于高原高海拔區段不適宜人類活動作業，因此，接觸網腕臂結構設計應以“結構簡約”及“輕量化”為主線，主要表現在結構及工藝簡約化，施工及運維簡約化等。目前，整體腕臂結構具有良好的抗風經驗，應用于西南高原鐵路還需進一步優化研究。

4 風區腕臂支持結構應用情況

4.1 整體腕臂結構應用現狀

腕臂結構已成功運營的主要有鉸接旋轉腕臂和整體腕臂兩種結構形式，其中，整體腕臂多用于環境惡劣區段，其結構及定位裝置(防脫落彈性定位器)的設計均考慮了大風和地震因素[4-5]，振動及疲勞性能提升了25%。在新疆風區大幅降低了運營限速，且減少了停輪天數，百里風區、三十里風區停輪天數從50～60 d減少到10 d左右，列車限速天數也下降50%以上，顯著減少了因大風等惡劣環境條件對運輸帶來的影響，提高了運輸效率。

整體腕臂典型的應用線路有海南東環鐵路、廣深港鐵路、蘭新鐵路、蘭新高鐵等國家重點、重大鐵路運輸通道。因此，在特殊氣候區如新疆、華北、東北、東南部沿海和島嶼等地區的海域颶風、內陸季風等區段，具有較好的整體穩定性及良好的運維狀態[6-7]，安裝方式如圖1所示。

圖1 蘭新高鐵的整體腕臂應用

4.2 整體腕臂結構的故障調查

4.2.1 內陸季風普通整體腕臂運營狀態

中鐵第一勘察設計院集團完成的2008J019《強風地區電氣化鐵路接觸網防風技術研究》及2010G019—G《大風區高標準鐵路接觸網設計技術研究》科研課題中對整體腕臂結構建立了風洞試驗模型及現場對比試驗[8-10]。研究及試驗成果表明，在瞬時風速60 m/s工況下，經過差異性結構優化的腕臂結構得到了廣泛認可及應用。相較鉸接腕臂結構基本做到輕維護、少維修，但經過多年的運營，也有諸多不足及故障記錄。

蘭新高鐵甘青段靜態驗收前期，整體腕臂R形定位管發生斷裂現象，如圖2所示，其主要原因為直焊縫管局部冷彎變形引起材料脆化[11-12]，在應力集中狀態下導致定位管發生脆裂。

圖2 定位管折彎斷裂(甘青段)

整體腕臂構件間節點連接仍采用螺栓形式，在戈壁風區環境下，每年耗費大量的人力、物力進行巡檢及緊固。運營期間，多次發生螺栓松動現象及定位器的限位間隙動態間隙不足等問題。

廣深港沿海鐵路應用的整體腕臂，在獅子洋隧道內出現不同程度腐蝕，其中隧道中部滲水處腕臂管腐蝕嚴重，如圖3所示。

圖3 整體腕臂管銹蝕

海南環島鐵路東段運營期間整體腕臂結構多處發生平腕臂端頭龜紋銹蝕。平腕臂由管內壁向外壁銹蝕，甚至出現了銹洞現象，如圖4所示。

圖4 整體腕臂支撐龜紋銹

4.2.2 內陸風及沿海應用差異化比較

整體腕臂在內陸風區及沿海鐵路應用較廣，蘭新高鐵采用的整體腕臂，針對大風、沙蝕的特殊環境，對結構薄弱環節進行了優化，其各項綜合性能均有顯著提高。以新疆風區及沿海鐵路應用為例進行差異性對比，見表2。

表2 整體腕臂結構應用缺陷及典型線路差異化

5 高原鐵路腕臂結構適應性及優化建議

綜合西南高原鐵路環境復雜性及外部條件艱澀性，接觸網腕臂結構應進行結構合理優化與質控，并能與系統布置充分結合。從運維便利角度，要求腕臂結構具有較高的結構可靠性；從環境適應性角度，要求腕臂結構具備一定的防風、防松性能；從線路適應性角度，要求腕臂結構具有良好的整體穩定性。藏區高原鐵路腕臂結構擬在已應用線路的整體腕臂基礎上，進行專項優化研究，使其更具合理高效性，具體優化措施如下所述。

5.1 連接節點優化

5.1.1 普通型連接節點

(1)平、斜腕臂連接節點

普通的整體腕臂其平、斜腕臂連接節點為雙螺栓銷連接，平腕臂端部焊接連接端板。此方式雖具一定的剛性，但從鋼結構節點分類仍為鉸接，安裝后雙螺栓為簡支結構，如圖5所示。

圖5 斜腕臂焊接端板單耳鉸接連接

平、斜腕臂連接節點受力，主要承受軸向壓力P，軸向力的水平分力Px，軸向力的垂直分力Py。X、Y方向分力產生局部彎矩M，但鉸接點傳遞彎矩較差，無法將力及彎矩全部傳遞給腕臂整體結構，僅反應于螺栓的緊固及連接強度。因此，設計時應關注節點連接可靠程度，要加強螺栓緊固檢查，同時也增加了運維的消耗。

(2)支撐、定位管與腕臂的連接節點

腕臂支撐、定位管與腕臂的連接采用抱箍形定位環，雙M16的螺栓連接，故障表現為螺栓數量多，且容易松動。如圖6所示。

圖6 腕臂支撐、定位管與腕臂鉸接連接

普通型連接節點均為栓接，螺栓數量多，維護耗時長，檢修效率低。列車行駛期間接觸網振動頻率為1～3 Hz，因此，無法避免節點處螺栓松動，但可通過改變節點連接方式優化、提升整體腕臂性能。

5.1.2 剛性連接節點

工程實踐中，鉸接連接存在轉動剛度，但剛接節點則不產生連接夾角變形，對結構抗力的減低不超過5%。要消除水平彎矩對連接零部件的影響，減少作業耗時及施工環節，可對節點進行剛性優化即全焊接節點。

將原鉸接節點優化為剛接節點最簡單的方式就是采用裝配式焊接工藝。平、斜腕臂連接節點，腕臂支撐、定位管與腕臂節點，均采用焊接方式，如圖7所示。

圖7 平、斜腕臂、支撐、定位管焊接節點

焊接采用坡口相貫線交叉焊接或管端部扁狀雙側角焊縫，焊縫長度約為343 mm，如圖8所示。

圖8 相貫線焊接

焊接時采用的焊絲、焊條應與主體金屬力學性能匹配，且焊縫質量不低于二級[13-15]，焊縫類型為角焊縫。依據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》中的規定進行焊縫計算分析，計算時應考慮彎矩、軸力、剪力共同作用下的焊縫抗拉及抗壓強度。斜腕臂管連接處性能參數見表3。經計算，焊縫應力見表4。

表3 斜腕臂管連接處性能

表4 焊縫計算

5.1.3 半剛性連接節點

鋼結構中梁與柱、梁與梁連接通常采用3種形式，柔性連接(也稱鉸接)、半剛性和剛性連接。工程實踐中，如何判別節點屬性主要是看其轉動剛度，半剛性則介于二者之間。下面介紹一下SC型接觸網腕臂節點半剛性設計理念。腕臂結構模型擬采用圓形槽道結構[16]，內齒槽(抗滑移)均安裝于下方，連接節點采用倒T頭螺栓連接，可設置局部防滑內齒型，簡稱SC腕臂節點，如圖9所示。

圖9 SC型半剛接節點

此結構具有良好的可調性，滑移荷載可控，腕臂管的直徑為70 mm，在滿足各項性能的前提下，此結構防腐處理較理想。內壁可進行均勻拋丸與酸洗，鍍鋅層內外均能良好附著，避免出現封閉的腕臂管內壁銹蝕問題，有效解決了隧道內高濕度環境下接觸網腕臂結構防腐問題。

5.2 基于節點改型設計后的優異性比較

5.2.1 節點“簡約化”后的施工差異性

原整體腕臂連接節點共計5處，主要有平、斜腕臂節點，定位管與斜腕臂，腕臂支撐與平、斜腕臂連接節點等。將鉸接連接的節點改為剛接節點后，節點強度增加了30%以上。

鉸接連接需考慮滑移、螺栓緊固及施工時間累積等，見表5。普通整體腕臂鉸接連接節點數量不低于5處，按照每天8 h連續作業，全線腕臂緊固施工累積耗時約730個工日/組(1組工人)。采用焊接全剛性處理，對于施工作業每組腕臂可節省耗時約14 min(最少)，一套腕臂減少的螺栓維護比例為55.6%。

表5 鉸接連接節點性能及耗費運維時間

5.2.2 制造工藝優化

(1)剛性節點工藝

腕臂管、定位管采用無縫鋼管，工藝采用型材加工，焊接采用管端部扁狀雙側角焊縫。整體焊接腕臂支撐與正定位裝置結構可采用圓弧口焊接工藝。整體焊接腕臂中彎型定位管一端與平腕臂固定，一端與斜腕臂焊接。工藝優化要求工廠裝配式加工及管理均趨于智能化，實現了焊接機械手操作，提高了效率及質量。工藝優化后耗時僅為0.33 h，效率提升88.3%，見表6。

表6 節點可優化的工藝耗時

(2)半剛性節點工藝

SC腕臂節點組成的結構為免維護內齒槽整體腕臂，桿件及其連接節點均采用型材加工，工藝簡單，材料致密性強，整體組裝無焊接。桿件撓度可控制在0.7%L[17-18]，L為腕臂有效長度。

6 基于節點形式推薦的整體腕臂結構

6.1 全剛性整體腕臂

針對全剛性整體腕臂，如圖10所示，采用基于有限元原理MIDAS結構仿真軟件對全剛性整體腕臂建立實體數學模型(反定位為例)。焊接節點全部按照剛性節點處理，共劃分68個節點，坐標平面為XY，XZ，YZ。

圖10 整體全剛接腕臂反定位

經計算分析，在最大組合荷載工況下，最大形變位移發生在絕緣子與腕臂及腕臂支撐附近，變形量為3.87 mm，如圖11所示。危險截面發生在斜腕臂與絕緣子連接處及彎性定位管與定位支座安裝處。在9～10節點的單元桿件上，最大應力為56.88 MPa，安全裕度為77%，按照現行TB/T 2075.1《電氣化鐵路接觸網零部件》中的規定，腕臂及定位管撓度不得大于其有效長度的0.7%，最大變形及強度均滿足相關規范要求，且安全裕度較大[19]。

圖11 變形前、后單線圖(單位：mm)

6.2 SC型整體腕臂

SC型整體腕臂，如圖12所示，采用φ70 mm型材開口管材，壁厚6 mm。桿件組合節點僅1種，且具備有級調整功能，連接部件比普通腕臂裝置縮減了40%，螺栓緊固件僅為1種規格，減少維護量約30%。

圖12 SC型腕臂結構

SC腕臂結構的各個關鍵節點及零部件進行局部應力分析，主要考核連接強度、滑移指標、腕臂撓度等。經計算，Q355材質的SC型腕臂在最大工作荷載條件下，其撓度約為10 mm，應力值不大于60 MPa，最大變形及強度均滿足相關規范要求。

7 結論

通過提出3種節點連接方式組成3種不同的腕臂結構形式，即1型鉸接連接整體腕臂，2型剛性連接整體腕臂，3型半剛性連接整體腕臂。節點類型是決定一個結構整體穩定性的關鍵，所以節點的不同其三角腕臂結構特性也不同，見表7。提出的3種不同的節點方式組成的腕臂結構形式，其綜合差比如圖13所示。

表7 3種腕臂結構比較

圖13 3種節點腕臂結構綜合差比趨勢

不同節點形式其結構差異顯著，同種工況下，SC型腕臂及全剛性腕臂分別比普通的整體腕臂節點應力提高48.29%和45.45%。人工消耗方面，全剛性腕臂與SC型腕臂均占優勢，可減少維護量30%以上。

高原電氣化鐵路接觸腕臂設計應充分考慮其結構制造工藝的簡化、可調整性、施工難易及運維的簡約性能等，在特殊的氣候條件下，可實現結構高可靠性、少維護、免維護[20]。建議根據線路及環境的差異性對幾種基于節點剛性、強度組合形式下的3種腕臂結構進行分段合理使用，以達到接觸網設計因地制宜的多維化發展理念。