高速鐵路接觸網(wǎng)定位管固定方式優(yōu)化研究

李業(yè)強

0 引言

良好的弓網(wǎng)關(guān)系是保證高速鐵路安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵之一，受流質(zhì)量是評判接觸網(wǎng)系統(tǒng)設計優(yōu)劣的重要依據(jù)[1]。接觸導線通過定位裝置固定并與受電弓相互作用，與鋁合金腕臂相匹配的定位裝置由定位管、旋轉(zhuǎn)雙耳、定位支座、定位器、定位線夾、定位管吊線（或定位管支撐）等組成。高速鐵路腕臂定位裝置的定位管與斜腕臂之間一般優(yōu)先采用吊線安裝，目的是將定位管所受的動荷載由吊線承擔，減小對剛性連接零件的疲勞損傷[2]。

目前對定位器坡度方面的研究較多[3]，對改善定位器坡度提出了很多優(yōu)化措施，但對定位裝置整體的受力狀態(tài)研究較少，導致在部分曲線區(qū)段按常規(guī)設計參數(shù)安裝時存在定位管吊線不受力的情況，給現(xiàn)場施工帶來不便[4]。對于直線區(qū)段，定位器坡度及定位管吊線受力狀態(tài)良好，故本文重點對曲線區(qū)段定位器、定位管及吊線受力狀態(tài)進行分析，研究影響其受力的關(guān)鍵參數(shù)，并提出優(yōu)化安裝建議。

1 接觸線張力的垂直分力和水平分力

1.1 接觸線張力的垂直分力

作用在接觸線上的張力在高度方向發(fā)生變化時將對定位點產(chǎn)生垂直分力[5]。如圖1所示，選取定位點及其兩側(cè)第一吊弦點為研究對象進行分析計算。

圖1 定位點與吊弦點間高差對垂直力的影響

圖中：H、H1、H2分別為定位點和左、右第一吊弦點處的接觸線高度；d1、d2分別為左、右第一吊弦點與定位點之間距離；Tc、Tc1、Tc2分別為定位點及左、右第一吊弦點處的垂直力；Ts為施加在接觸線上的張力，即水平作用力。設定G＇為接觸線單位長度重量，則有

在曲線區(qū)段，當拉出值分別在曲線兩側(cè)設置時，受外軌超高的影響，接觸線上的張力在高度方向發(fā)生變化，將產(chǎn)生垂直分力。以曲線工況曲外正定位、曲內(nèi)正定位拉出值正、反交替的情況為例進行分析，如圖2所示，選取定位點B及其兩側(cè)定位點A（C）為研究對象進行分析計算。

圖2中：a、b、c分別表示定位點處的拉出值；l1、l2表示跨距；Ts為接觸線張力；h為外軌超高；S為軌距；R為曲線半徑。根據(jù)上文的分析可知定位點B處的接觸線對其產(chǎn)生的垂直力FfCB為

圖2 曲線工況垂直分力

由式（2）可知，接觸線因高度變化產(chǎn)生的垂直分力與外軌超高、拉出值、跨距、接觸線張力有關(guān)。相同工況下，對于曲外正定位，接觸線張力的附加垂直分力方向向下，而對于曲內(nèi)正定位，接觸線張力的附加垂直分力方向向上，二者大小相等。

1.2 接觸線張力的水平分力

作用在接觸線上的張力在水平方向位置改變時將產(chǎn)生水平分力Fis。如圖3所示，對曲線區(qū)段兩種工況下的接觸線轉(zhuǎn)角進行分析。

圖3 曲線工況水平分力

曲外正定位：

曲內(nèi)正定位：

式中：γ11、γ21及γ12、γ22分別為曲外或曲內(nèi)正定位接觸線的水平偏移角度；li、li+1分別表示定位點i相鄰兩側(cè)跨距。

由式（3）、式（4）可知，相比曲線拉出值同側(cè)設置，當拉出值在曲線兩側(cè)設置時，曲外正定位水平力有所增大，而曲內(nèi)正定位水平力有所減小。

2 定位管吊線受力分析

研究定位管吊線的受力情況，主要是判斷定位管在受靜態(tài)水平力和垂直力作用下是否有向上的旋轉(zhuǎn)趨勢，用定位管彎矩來表征吊線受力狀態(tài)。圖4所示為最容易出現(xiàn)上述情況的兩種工況的定位裝置等效受力模型。其中，定位器所受水平力為Fs，由接觸線重力引起的垂直分力為Fgc，由接觸線高度變化引起的垂直分力為Ffc，定位管吊線受力Fd，定位管（含旋轉(zhuǎn)雙耳）重力為Gg，定位裝置（含定位支座）重力為Gd，m為定位鉤與定位支座接觸點至定位管鉸接點O的水平距離，n為定位鉤與定位支座接觸點至定位管鉸接點O的垂直距離，Lg為定位管（含旋轉(zhuǎn)雙耳）重心至定位管鉸接點O的水平距離，r為定位管吊線固定點對定位管鉸接點O的力臂。

圖4 定位管受力分析

從受力分析可知，由于曲外正定位水平力較大，而曲內(nèi)正定位存在與重力方向相反的附加垂直分力，此兩種工況會造成定位管向上旋轉(zhuǎn)的趨勢，可能出現(xiàn)定位管吊線不受力的情況。對于曲線反定位的工況，由于水平力對定位管產(chǎn)生的彎矩與重力方向相同，理論上不會出現(xiàn)定位管吊線不受力的情況（工程實際情況與理論分析也是一致的）。

以曲外正定位為例，對定位管的鉸接點取矩，定位管所受彎矩Mo為

若[(Ffc+Fgc+Gd)m+GgLg]≤Fsn，定位管將產(chǎn)生逆時針旋轉(zhuǎn)趨勢，則定位管吊線不受力；反之定位管吊線受力為Fd= [(Ffc+Fgc+Gd)m+GgLg?Fsn]/r。

3 實例分析

由上文分析可知，定位管吊線的受力狀態(tài)是由定位管、定位器的水平力和垂直力決定的，而水平力和垂直力又與曲線半徑、外軌超高、第一吊弦點位置、定位裝置的安裝結(jié)構(gòu)尺寸等密切相關(guān)。下文以某高速鐵路（導線類型及張力配置：JTMH120（21 kN）+CTMH150（30 kN））為例進行計算，研究上述參數(shù)對定位管吊線受力的影響，其主要工況及腕臂預配參數(shù)見表1、表2。

表1 曲線半徑與外軌超高情況

表2 腕臂安裝參數(shù) m

3.1 定位管彎矩與曲線半徑及外軌超高的關(guān)系

根據(jù)表1、表2中的數(shù)據(jù)計算定位管彎矩與4種曲線半徑對于不同外軌超高等工況之間的關(guān)系，用定位管彎矩來表征吊線受力狀態(tài)，如圖5所示，其中第一吊弦點距離d= 5 m。圖中：橫坐標表示外軌超高，m；縱坐標表示定位管彎矩，N·m。

由圖5可以看出：曲外正定位定位管彎矩與外軌超高成正比，曲內(nèi)正定位定位管彎矩與外軌超高成反比；對于曲外正定位，在曲線半徑R≤5 500 m的工況下定位管彎矩出現(xiàn)負值，即定位管吊線處于不受力狀態(tài)；對于曲內(nèi)正定位，在各種曲線半徑、外軌超高工況下，定位管彎矩均為正值，定位管吊線均能夠處于受力狀態(tài)。

圖5 定位管彎矩與曲線半徑及外軌超高的關(guān)系

3.2 定位管彎矩與第一吊弦點位置的關(guān)系

以3.1節(jié)中吊線受力狀態(tài)欠佳的工況為研究對象，分析第一吊弦點的位置對其的影響，如圖6所示，其中第一吊弦點距離d范圍為4～7 m。圖中：橫坐標表示第一吊弦點距離，m；縱坐標表示定位管彎矩，N·m；h為外軌超高。

由圖6可以看出，定位管彎矩與第一吊弦點的位置成正比。增大第一吊弦點與定位點的距離可改善定位管吊線受力狀態(tài)，但對于曲線半徑R≤5 500 m的曲外正定位工況，結(jié)合上一節(jié)中定位管彎矩與外軌超高的計算結(jié)果，通過調(diào)整第一吊弦點的位置不能完全改變定位管吊線的受力狀態(tài)。

圖6 定位管彎矩與曲線半徑及第一吊弦點位置的關(guān)系

3.3 定位管彎矩與腕臂安裝參數(shù)的關(guān)系

3.3.1 拉出值

由上文分析可知，定位管彎矩與拉出值大小有關(guān)，根據(jù)表1、表2的數(shù)據(jù)計算定位管彎矩與拉出值的關(guān)系，所分析的懸掛點兩側(cè)拉出值a=c= 0.2 m，懸掛點處拉出值b在0.17～0.23 m變化，如圖7所示。圖中：橫坐標表示拉出值b，m；縱坐標表示定位管彎矩，N·m。

由圖7可以看出，定位管彎矩與定位點處的拉出值b成反比。在滿足定位器坡度及誤差允許條件下，可適當減小拉出值b值來改善定位管吊線的受力狀態(tài)。

圖7 定位管彎矩與拉出值的關(guān)系（d = 5 m）

3.3.2 定位管長度

由式（5）可知，定位管彎矩與定位管長度有關(guān)，根據(jù)表1、表2的數(shù)據(jù)計算定位管彎矩與其的關(guān)系，如圖8所示。圖中：橫坐標表示定位管長度，m；縱坐標表示定位管彎矩，N·m。

由圖8可以看出，定位管彎矩與定位管的長度成正比。適當加長定位管長度可改善定位管吊線受力情況，但定位管長度受限于上、下行帶電體間距離、安裝結(jié)構(gòu)尺寸統(tǒng)一等影響，不宜過長。

圖8 定位管彎矩與定位管長度的關(guān)系

4 結(jié)語

基于對接觸網(wǎng)定位裝置模型的受力分析可知，定位管吊線的靜態(tài)受力狀態(tài)與曲線半徑、外軌超高、定位器所受的水平力和垂直力、第一吊弦點位置、定位裝置的安裝結(jié)構(gòu)尺寸等密切相關(guān)。本文研究了高速鐵路曲線區(qū)段定位管吊線的實際受力狀態(tài)并給出相關(guān)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整建議，為接觸網(wǎng)腕臂和定位裝置精確預配及吊弦計算提供理論支撐，可以進一步統(tǒng)一接觸網(wǎng)安裝形式以便于施工及運營維護，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟性。

通過研究發(fā)現(xiàn)：對于曲線半徑為5 000～5 500 m的曲線區(qū)段，曲外正定位安裝形式下定位管吊線更容易出現(xiàn)不受力情況；對于曲線半徑為7 000～10 000 m的曲線區(qū)段，曲內(nèi)正定位安裝形式定位管吊線受力較小，更容易出現(xiàn)不受力情況。根據(jù)研究結(jié)果，對后續(xù)高鐵項目的定位管固定方式提出以下建議：

（1）對于曲線半徑R≤5 500 m的區(qū)段，調(diào)整第一吊弦點位置、拉出值等對定位管吊線受力狀態(tài)改善不明顯；為降低施工現(xiàn)場調(diào)整難度及工作量，建議將曲線半徑R≤5 500 m區(qū)段的曲外正定位定位管吊線改為定位管支撐固定，其他情況均采用定位管吊線形式。

（2）現(xiàn)場施工中若出現(xiàn)定位管吊線受力較小或處于臨界狀態(tài)的情況，可以采取適當減小該定位點處拉出值或減小相鄰定位點拉出值的措施，亦可采取增加第一吊弦點間距或適當增加定位管長度的調(diào)整方案。