齒軌鐵路接觸軌帶拉線中心錨結方案及其可行性研究

李慶軍,關金發,陳 展

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.西南交通大學電氣工程學院,成都 611756；3.杭州市地鐵集團有限責任公司運營分公司,杭州 310018)

引言

齒軌鐵路是一種專用于地勢起伏較大的交通形式，其主要特點是在列車轉向架中部裝有驅動齒輪，在坡道區段驅動齒輪與地面上的齒軌嚙合提升爬坡能力[1]。齒軌鐵路早已在國外得到成功應用，最早應用的是1869年美國華盛頓山齒軌鐵路[2]，在國內的九寨溝、張家界、四姑娘山以及七星山等地也已有規劃建設齒軌鐵路[3]。接觸軌是安裝于齒軌鐵路旁的供電設備，是齒軌鐵路牽引供電系統的重要組成部分[4]。齒軌鐵路線路最大坡度為250‰，是干線鐵路和城市軌道交通8倍多。由于接觸軌沿鐵路平行布置，在大坡道區段重力荷載作用下，接觸軌有沿下坡方向滑動形變的問題。為滿足靴軌可靠受流要求，接觸軌的靜態空間位置應保持不變，需要設置中心錨結，抵消接觸軌的重力慣性，因此，對大坡道區段接觸軌中心錨結方案的研究十分必要。

國內外學者對接觸軌系統做了大量的研究，尹洪權等[5-6]利用ANSYS軟件建立集電靴與接觸軌直接耦合的動力仿真模型；張桂林等[7]基于Ansys Workbench 對鋼鋁復合接觸軌溫度應力進行了有限元分析，得到不同工況下接觸軌溫度應力分布模型圖；王鵬[8]推導了第三軌系統動力學耦合方程，基于 Newmark 算法，研究了接觸軌結構的相關參數對受流質量的影響；張鵬飛[9]以SolidWorks Simulation有限元分析軟件為基礎，進行了接觸軌膨脹接頭在實際載荷下的受力分析及疲勞分析；周韜[10]基于接觸軌跨距情況、列車時速、靴軌作用力等不同條件，分別對接觸軌動、靜撓度進行分析研究，得到系統本身最大的撓度情況；劉艷豐[11]利用有限元分析軟件ANSYS，分析了接觸軌的預載變形與受流器模態，建立了受流器與第三軌耦合動力學模型，分析得出受流器慣性力對接觸壓力檢測影響較大。目前對小坡度(線路坡度小于20‰)的接觸軌系統的研究較為豐富[12-14]，但針對齒軌鐵路大坡道區段接觸軌的研究尚欠缺。

針對大坡道區段由重力荷載引起的接觸軌滑移形變問題，首先比較接觸網、接觸軌常用的幾種中心錨結方案，提出一種可抵消接觸軌重力載荷分量的帶拉線中心錨結方案，并通過分析250‰坡度下接觸軌帶拉線中心錨結各零部件的結構強度，研究帶拉線中心錨結方案的可行性。

1 帶拉線中心錨結方案

1.1 現有柔性架空接觸網中心錨結方案分析

現有柔性架空接觸網中心錨結方案為：接觸線通過中心錨結繩將沿線路方向的合力差傳遞給承力索，承力索通過中心錨結下錨拉線將承力索和接觸線沿線路方向的合力差傳遞給支柱，如圖1所示。帶拉線的中心錨結是柔性架空接觸網常用的中心錨結方案，具有防止接觸懸掛沿線路中心方向竄動和防止接觸懸掛一側斷線影響另一側的功能[15-16]。

圖1 柔性架空接觸網帶拉線中心錨結方案

1.2 現有剛性架空接觸網中心錨結方案分析

現有剛性架空接觸網中心錨結方案為：匯流排通過中心錨結繩將沿線路方向的合力差傳遞給支柱，如圖2所示。帶拉線的中心錨結也是剛性架空接觸網常用的中心錨結方案[17-18]。

圖2 剛性架空接觸網帶拉線中心錨結方案

1.3 現有接觸軌中心錨結方案分析

目前，在線路坡度小于20‰時，接觸軌采用兩個防爬器安裝在絕緣支架兩側的中心錨結方案，實現防竄功能，如圖3所示；在線路坡度≥20‰，<40‰時，接觸軌采用兩個相鄰絕緣支架安裝兩組防爬器的中心錨結方案，絕緣支架間距一般為600～700 mm，如圖4所示；在線路坡度≥40‰時，接觸軌采用3個相鄰絕緣支架安裝3組防爬器的中心錨結方案，如圖5所示。按照現有接觸軌的中心錨結方案，坡度為250‰的齒軌鐵路，接觸軌的中心錨結選擇3組防爬器中心錨結的方案[19]。現有接觸軌中心錨結方案均利用防爬器直接固定安裝在接觸軌兩側，通過與絕緣支架接觸，防止接觸軌沿線路中心竄動，其結構簡單、便于安裝[20]。但由于防爬器與絕緣支架存在一定的安裝間隙，且每個防爬器與絕緣支架的安裝間隙不等，當接觸軌竄動時，無論絕緣支架有幾個，實際上僅會有一個防爬器與絕緣支架緊密接觸，此時，假設防爬器上受到的接觸軌重力分力Fg直接作用于絕緣支架上，絕緣支架受到的力為Fp=Fg，如圖6所示。當某個防爬器與絕緣支架長期受到重力分力作用擠壓變形后，有可能相鄰的防爬器會分擔部分重力分力，因此，多個絕緣支架組成的中心錨結方案的安全性比單個絕緣支架的高，但仍然避免不了其中一個絕緣支架承擔絕大部分重力分力的問題。

圖3 線路坡度<20‰接觸軌防爬器中心錨結方案

圖4 線路坡度在20‰～40‰之間接觸軌中心錨結方案

圖5 線路坡度≥40‰接觸軌中心錨結方案

圖6 現有接觸軌中心錨結受力示意

1.4 接觸軌帶拉線中心錨結分析

目前柔性架空接觸網、剛性架空接觸網的中心錨結都是帶拉線的，即中心錨結繩。在錨段跨距中間設置中心錨結后，當接觸線一側發生斷線后，另一側由于受到中心錨結繩的作用，不會松動，有效控制了事故范圍的延伸[15]。大坡度齒軌鐵路接觸軌中，在接觸軌自身重力的作用下，中心錨結容易發生偏移，接觸軌的可靠性下降，影響供電安全。因此，可參考接觸網中的中心錨結繩的原理，設計帶拉線的中心錨結。

圖7 接觸軌帶拉線中心錨結方案

圖8 帶拉線中心錨結受力示意

考慮接觸軌錨段長度最大為90 m，坡度最大為250‰情況，對帶拉線中心錨結進行靜力學仿真，校驗帶拉線中心錨結的結構強度。

2 大坡道區段中心錨結靜力學仿真模型

2.1 三維模型

考慮帶拉線中心錨結結構、線路坡度，建立了250‰接觸軌中心錨結的三維模型，模型涵蓋了接觸軌、中心錨結、絕緣支架等零部件，如圖9所示。帶拉線中心錨結在普通型中心錨結基礎上加裝了一根拉線，用以抵消大坡度下接觸軌沿線路方向的重力載荷分量。

圖9 帶拉線中心錨結接觸軌三維模型

2.2 有限元仿真模型

基于帶拉線中心錨結接觸軌三維模型，各零部件加載荷載，并利用有限元法，建立有限元仿真模型，分析在自重荷載作用下齒軌鐵路接觸軌各零部件的內部應力。絕緣支架上的螺栓結構，采用“工”形圓柱體代替螺栓結構，在“工”形圓柱體兩端施加壓力來代替擰緊力，如圖10所示。

圖10 螺栓擰緊力

圖10中螺栓施加的載荷計算如下

(1)

式中，F為軸向力；d為螺栓直徑。

根據相關規定，螺栓力矩大小與公稱直徑的計算關系見表1。絕緣支架卡爪處采用M12螺栓，軸向力選用23 333 N，絕緣支架支座處采用M10螺栓，軸向力選用12 500 N。

表1 螺栓力矩與軸向力

中心錨結加載的荷載有：自重和螺栓預緊力，如圖11所示。其中，上下兩端匯流排的附加力通過建立相應的45 m接觸軌模型并計算其在端點的反力獲得。

圖11 有限元仿真模型計算工況

齒軌鐵路接觸軌模型中主要材料參數見表2。

2.3 評價標準

通過有限元仿真，得到齒軌鐵路接觸軌系統中各類零部件在不同工況下的應力狀態，分別與最大容許應力進行對比，評價齒軌鐵路接觸軌系統的靜力學結構是否具有較大的承載能力，是否滿足安全可靠使用的要求。

采用容許應力法，對齒軌鐵路接觸軌系統中所有的零部件進行應力狀態的分析，根據零部件采用的材料不同，其容許應力也有差異，具體零部件的容許應力見表2，其中，安全系數(材料屈服強度與容許應力的比值)取1.5。

表2 齒軌鐵路接觸軌模型中主要材料參數

3 靜力學仿真結果與分析

對帶拉線中心錨結的接觸軌進行靜力學仿真，最大應力出現在絕緣支架本體上，為94.705 MPa，防爬器最大應力為29.041 MPa，應力分布如圖12所示。

圖12 帶拉線中心錨結應力狀態

帶拉線中心錨結的絕緣支架應力較小，這說明接觸軌的重力荷載分量被拉桿分擔，中心錨結處及絕緣支架所承受的接觸軌重力載荷相對較小，產生的應力也相應減小。

根據帶拉線中心錨結的接觸軌靜力學仿真可知，帶拉線絕緣支架帶斜拉桿式中心錨結的應力滿足容許應力要求(安全系數>1.5)。中心錨結主要零部件應力情況見表3。

表3 兩種中心錨結的零部件應力情況

由表3可知，帶拉線中心錨結各零部件的安全系數都大于1.5，滿足容許應力要求。

4 結論

通過比較接觸網、接觸軌的中心錨結方案，提出了一種適用于大坡道區段接觸軌帶拉線中心錨結方案。對錨段長度為90 m、坡度為250‰的接觸軌帶拉線中心錨結進行了靜力學分析，其最大應力為94.71 MPa，防爬器最大應力為29.04 MPa，中心錨結零部件安全系數最小為2.323，滿足容許應力要求，可用于大坡道區段接觸軌中。