刚性接触网锚段关节布置研究

2022-06-30刘峰涛孙少南

电气化铁道 2022年3期

刘峰涛，孙少南

0 引言

随着时速160 km的北京新机场线开通运营，更高速度的刚性接触网系统研究已提上日程。本文针对刚性悬挂锚段关节传统布置方式存在的问题，从自重挠度、变形的均匀性、边跨与中间跨静态弹性的一致性角度出发，采用静力学方法计算拟定关节的立面和平面布置方案，通过动态仿真进行比较和验证，确定影响受流质量的关键因素。在大量仿真验证的基础上，提出120～250 km/h刚性接触网系统的模型。由于膨胀元件的实际运行效果不佳[1]，本文仅针对断口式锚段关节[2]进行研究，不考虑贯通式锚段关节（膨胀元件）和刚柔过渡。

1 刚性接触网系统运行速度关键影响因素

动态仿真及现场检测显示，刚性接触网中间跨处的接触力变化平稳，锚段关节处的接触力波动较大，锚段关节是制约刚性接触网动力性能的关键部位，关节的布置构造是影响刚性接触网平稳运行及运行速度的关键因素[1]。

关节处弓网受流不佳主要是由于其布置不合理导致。刚性接触网的刚度较大，自重挠度较小（跨距6，8，10 m的跨中挠度分别为1.2，3.4，7.8 mm），静态弹性不均匀（跨中与悬吊点的弹性相差1～2个数量级，弹性差异系数达45%～98%）[1]，再加上关节处刚度和质量分布不连续，导致关节处易形成硬点，对受电弓产生冲击，降低受流质量。因此，为改善弓网受流质量，提高刚性接触网的运行速度，有必要对锚段关节的布置进行全面系统的研究。

2 锚段关节布置研究

2.1 关节立面布置

关节处接触力变化如图1所示。当第1悬吊点不抬高（安装高度按设计导高设置，各悬吊点等高，为传统布置方式）或抬高量较小时，受电弓一般受到2次冲击后才能与锚段二实现完全接触，与锚段一脱离，接触力波动较大，关节处接触力的变化如图1（a）所示。当第1悬吊点抬高量在适当范围内时，受电弓可在关节内平稳过渡，接触力波动较小，关节处接触力的变化如图1（b）所示。当第1悬吊点的抬高量过大时，受电弓在锚段二的第2悬吊点附近与锚段二接触并受到冲击，接触力波动较大。第1悬吊点抬高量变化时关节内受电弓与汇流排的接触情况见图2。

图1 关节处的接触力变化

图2 抬高量变化时受电弓与汇流排的接触区域

图3所示为北京新机场线刚性悬挂在第1悬吊点不同抬高量时接触力的变化情况。可以看出，抬高量为0，9，10 mm时出现离线，抬高量为1，2 mm时接触力波动很大，抬高量为3～8 mm时接触力波动较小。因此，第1悬吊点的抬高量设定为5 mm，考虑±2 mm的施工误差，抬高量允许范围为3～7 mm。

图3 第1悬吊点不同抬高量时接触力的变化

2.2 关节平面布置

基于自重挠度变形的均匀性、相邻锚段对应跨距内变形的一致性、边跨与中间跨静态弹性的一致性、增减锚段关节长度等方面考虑，通过静力计算方法拟定了多种锚段关节平面布置型式，其中7种型式的相关参数见表1（表内示意图中实线代表锚段一，虚线代表锚段二，数值单位为m）。

表1 7种锚段关节布置型式

在第1悬吊点无抬高的情况下，通过对上述7种布置型式进行动态仿真分析，发现关节处的接触力波动均较大甚至出现离线，受流质量较差。当第1悬吊点适当抬高时，受流质量均有所提高。表2列出了第1悬吊点抬高量为5 mm时，第1，2，4号3种布置型式的弓网接触力仿真结果。由表2数据可知，3种布置型式接触力的平均值、标准偏差、最小值差别很小，接触力最大值相差约8%，受流质量均较好。

对锚段关节平面布置的研究表明，跨距大小、静态变形的一致性、静态弹性的均匀性对关节处的受流质量影响相对较小，再次验证了第1悬吊点抬高量为影响关节处受流质量的关键因素。

表2 第1悬吊点抬高量为5 mm时弓网接触力 N

2.3 锚段关节最优布置

通过对锚段关节立面布置和平面布置的研究，验证了第1悬吊点抬高量为影响关节处受流质量的关键因素。第1悬吊点抬高量的最优取值范围与悬臂跨的长度、翘起抬高段的长度、第1～3跨的跨距布置、锚段长度、行车速度、受电弓静态抬升力等参数有关，工程设计时应结合具体工程情况通过仿真计算确定。

另外，锚段关节的平面布置应便于正常的施工安装调整。根据实际工程经验，当第1跨的跨距较小时（如目前大部分工程采用2.0 m），若仅抬高第1悬吊点，施工调整困难。此时可将第1悬吊点和第2悬吊点按比例同时抬高，并适当增加锚段关节长度，这样既能保证平稳受流，又便于施工调整，如图5所示。当第1跨的跨距较大时，仅将第1悬吊点抬高即可。

图5 第1和第2悬吊点抬高时关节布置

3 基于隧道管片宽度的刚性接触网跨距布置

目前，许多隧道的衬砌是由一定宽度的管片组合而成，管片内预留槽道。刚性悬挂的跨距布置须根据管片宽度（或预埋槽道的间距）进行调整。隧道管片的常用宽度为1.2 m和1.5 m（相应的槽道间距分别为1.2 m和1.5 m）。

管片宽度为1.2 m时，刚性悬挂的标准跨距可为7.2 m（6×1.2 m），8.4 m（7×1.2 m），9.6 m（8×1.2 m）、10.8 m（9×1.2 m），12.0 m（10×1.2 m）；悬臂长度为1.8 m和1.5 m时，关节长度分别为7.2 m和6.6 m。

管片宽度为1.5 m时，刚性悬挂的标准跨距可为7.5 m（5×1.5 m），9.0 m（6×1.5 m），10.5 m（7×1.5 m），12.0 m（8×1.5 m）；悬臂长度为1.8 m和1.5 m时，关节长度分别为8.1 m和7.5 m。

根据仿真计算，列车运行速度不超过160 km/h条件下，隧道管片宽度为1.2 m时，推荐采用的标准跨距为8.4 m和9.6 m，关节长度为7.2 m（或6.6 m）；隧道管片宽度为1.5 m时，推荐采用的标准跨距为9.0 m和10.5 m，关节长度为8.1 m（或7.5 m）。跨距组合见表3。

表3 基于隧道管片宽度的刚性接触网跨距布置 m

4 快速刚性接触网系统

4.1 布置方案

采用电气化铁路常用型号的受电弓与不同跨距的刚性接触网组合成弓网耦合系统，通过大量的仿真计算，确定了4个速度等级的快速刚性接触网系统跨距布置方案，参见表4。表中括号内布置方案仅需第1悬吊点抬高，括号外布置方案宜将第1悬吊点和第2悬吊点同时抬高。

表4 快速刚性接触网系统跨距布置

以下为各标准系统的主要参数说明。

（1）ORCR-100标准系统。该标准系统目标速度为100 km/h；标准跨距12 m；标准锚段长度503 m；关节长度9.0 m；终端悬臂长度1.5 m，翘起段长度1.0 m；汇流排端部翘起70 mm；第1悬吊点抬高量4～10 mm，第2悬吊点抬高量3～7.5 mm。

（2）ORCR-160标准系统。该标准系统目标速度为160 km/h；标准跨距10 m；标准锚段长度506 m；关节长度9.0 m；终端悬臂长度1.5 m，翘起段长度1.0 m；汇流排端部翘起70 mm；第1悬吊点抬高量4～10 mm，第2悬吊点抬高量3～7.5 mm。

（3）ORCR-200标准系统。该标准系统目标速度为200 km/h；标准跨距8 m；标准锚段长度505 m；关节长度9.0 m（6.5 m）；终端悬臂长度1.5 m，翘起段长度1.0 m；汇流排端部翘起70 mm；关节长度9.0 m时，第1悬吊点抬高量4～10 mm，第2悬吊点抬高量3～7.5 mm；关节长度6.5 m时，第1悬吊点抬高量3～12 mm。

（4）ORCR-250标准系统。该标准系统目标速度为250 km/h；标准跨距6～8 m；标准跨距为8，7.5，7，6 m时，标准锚段长度分别为505，499，495，499 m；关节长度9.0 m（6.5 m）；终端悬臂长度1.5 m，翘起段长度1.0 m；汇流排端部翘起70 mm；关节长度9.0 m时，第1悬吊点抬高量4～10 mm，第2悬吊点抬高量3～7.5 mm；关节长度6.5 m时，第1悬吊点抬高量3～12 mm。从经济角度考虑，ORCR-250系统的标准跨距推荐采用8 m。

4.2 弹性组件与悬吊结构型式

需要特别说明的是，速度在200 km/h及以下时，不需要采用弹性线夹，且悬吊结构型式对受流质量影响不大；速度超过200 km/h后，弓网系统的振幅较大，受电弓受到的冲击效应加剧，须对悬吊点的弹性进行优化，宜采用弹性线夹。弹性线夹的刚度取值范围为70～10 000 kN/m，可用线刚度模拟[3]；悬吊结构型式宜采用水平悬吊结构。部分仿真结果对比见表5。