强侧风下接触网响应特性及弓网运行安全分析

2013-09-04刘长利

铁道标准设计 2013年2期

刘长利

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

大风所经过的铁路沿线地形，无论在垂直还是水平方向上受到约束，风速将增大而成为强风。其中，侧向强风对铁路运行安全影响较大。文献［1］中的铁路运营监测和风洞试验研究结果表明，路堤上接触网高度附近的侧向风速可以达到平地同样高度的1.2～1.5倍，攻角也由平均±3°达到+15°。对于设置了挡风墙的情况，根据文献［2］对兰新铁路挡风墙后接触网风场研究成果，高度3～4 m挡风墙后面的接触网处于高速绕流区，风速放大系数达1.25倍以上，对接触网工作状态和弓网运行安全更为不利。

据记载，法国TGV东南线在投入运营3个月后，强侧风连续2次引起接触网-受电弓的行车事故，由于支柱处接触线抬升量超出了允许限度，致使受电弓挂断1 400 m接触线，损坏了12 km吊弦和定位器［3-4］。随后，在国际上接触网出现了两种技术发展方向:德国主推带限位支座的矩形定位器，支柱悬挂点有弹性吊索;法国、意大利等沿海国家则采用允许抬升量400 mm的弯刀形定位器，设定位管支撑，无弹性吊索。

本研究采用非线性有限元分析软件进行接触网风致响应特性及弓网运行安全问题研究。

1 接触网有限元建模

采用前后处理器SAMCEF Field V6.1和求解器SAMCEF Cable V11.0，在接触悬挂及支持结构的自重、张力及强侧风等荷载作用下，模拟和计算接触网线索位移(抬升和水平偏移)、接触线张力变化、支持结构变形和应力等问题。风速采用乌鲁木齐铁路局《大风天气列车安全运行办法》(乌铁总［2007］151号文)中停轮瞬时风速40 m/s，攻角采用+15°。

1.1 三跨接触悬挂模型的建立

接触网有限元模型的接触悬挂包括接触线、承力索和吊弦，支持结构包括支柱、平腕臂、斜腕臂、绝缘子、腕臂支撑和定位器［5］。在SAMCEF Field软件中分别创建接触悬挂和支持结构模型，然后组合在一起。建模初始参数、材料特性分别见表1、表2。

表1 接触网建模初始参数

表2 接触网线索的材料特性［6-7］

建立三跨接触悬挂模型。模型采用全补偿简单链形悬挂，首端模拟中心锚结固定，末端模拟接触线、承力索分别下锚补偿，原始模型如图1所示。

图1 三跨接触悬挂原始模型

接触网有限元建模进行了如下考虑:(1)支柱、平腕臂、斜腕臂、腕臂支撑和定位器采用梁单元模拟;(2)接触线、承力索和吊弦采用缆索单元模拟;(3)斜腕臂、绝缘子、腕臂支撑组成的支持结构沿垂直轴转动，采用铰链单元模拟;(4)定位器沿定位支座转动采用铰链单元模拟;(5)接触线、承力索和吊弦之间的连接采用球铰单元模拟。有限元模型如图2所示。

图2 三跨接触悬挂有限元模型(简单链形悬挂)

1.2 边界条件及风载荷定义

在SAMCEF Field软件中，将支柱根部定义为固定约束，即6个自由度约束;侧风的来风向定义为接触网支柱田野侧，风速40 m/s，攻角+15°，风荷载作用于接触网支柱和接触悬挂。风荷载定义为

支柱的单位风荷载:P1=η×P0×D

线索的单位风荷载:P2=P(t)×d

式中，η为支柱体型系数;P0为基本风压，采用瞬时风速40 m/s且不考虑风压高度变化系数;D为支柱直径;P(t)为加载于线索上的脉动风风压时程，采用Davenport谱模拟;d为线索直径。

1.3 接触网初始变形计算和模型验证

SAMCEF软件在电力、能源和铁路行业均有成熟应用。本研究首先进行接触网初始变形计算和模型验证，接触悬挂受风瞬态位移分布云图(4倍放大)如图3所示，提取软件模型的接触悬挂静态弹性、最大水平位移等数据与理论计算值进行对照，结果表明该软件的计算方法正确可靠，提取三跨接触悬挂模型的2号、3号支柱及第2跨中点数据能够反映实际情况。

图3 三跨接触悬挂的侧风瞬态位移分布云图

2 接触网风致响应特性分析

2.1 不同接触悬挂类型的风致位移响应

目前我国铁路常见全补偿简单链形、弹性链形悬挂的主要参数如图4所示，通过仿真计算进行两种接触悬挂类型的防风性能对比分析。

图4 简单链形悬挂、弹性链形悬挂的仿真模型参数(单位:m)

简单链形悬挂的模型采用图2，弹性链形悬挂的模型是在图2基础上增加弹性吊索。首先，计算弹性吊索和吊弦的初始长度，得到单跨初始状态的分析模型及变形云图，在此基础上建立弹性链形悬挂的三跨模型，单跨初始状态的变形云图及三跨模型局部放大图如图5所示。

图5 弹性链形悬挂的单跨变形云图及三跨模型放大图

对图2、图5两种接触悬挂模型进行仿真计算，提取这两种模型的2号、3号支柱正、反定位点及第2跨中点的接触线最大竖向位移(即抬升量)和最大水平位移(即风偏移值)，及跨中承力索最大水平位移等分别进行对比，结果如图6所示。

从结果数据可以得出:(1)简单链形悬挂正、反定位点及第2跨中点的接触线抬升量均较小，其中在正定位点两者差异较大;(2)两种悬挂类型的水平风偏值差异不大。

图6 简链、弹链悬挂的风致位移对比

2.2 典型接触悬挂组合的最佳匹配张力

从图6中还可以看出，无论简单链形悬挂还是弹性链形悬挂，第2跨中点的承力索水平位移与接触线相比均较大，存在风致吊弦线夹偏斜打弓问题。这种风偏移不同步现象主要是由于接触线与承力索在线径、张力方面存在差异造成的，对于我国铁路典型的接触悬挂组合:JTMH95+CTS120、JTMH120+CTS120、JTMH95+CTS150、JTMH120+CTS150等，为使接触线与承力索的风偏移同步且幅值一致，在改变线材规格、接触线张力均受限的情况下，适当调整承力索张力是比较好的办法。以图2中简单链形悬挂模型为蓝底，进行强侧风条件下的悬挂组合最佳匹配张力研究，在仿真过程中，接触线张力维持不变，对承力索张力以0.5 kN步长递增或递减，提取第2跨中点的承力索、接触线最大水平位移进行对比，当两偏移值接近时表明承力索与接触线的风致响应同步，如图7所示。

图7 风致响应同步时跨中接触线、承力索水平位移

承力索初始张力采用国内铁路常见选用值，根据仿真结果，这4种接触悬挂组合的初始张力与优化后的最佳匹配张力如表3所示。

表3 接触网防风的最佳匹配张力 kN

2.3 不同跨距参数下的接触网风致位移响应

对以上4种接触悬挂组合分别以跨距45、50、55、60 m工况划分，采用图2模型进行仿真计算，提取2号、3号支柱正、反定位点接触线及第2跨中点的接触线(或承力索)最大竖向位移和最大水平位移分别进行对比，研究跨距参数对接触网抗风性能的影响。仿真结果数据对比如图8所示。

图8 典型悬挂组合在不同跨距时的风致位移响应

从图8中数值对比可以看出:(1)随着跨距减小，4种悬挂组合均有风致位移减小的趋势，表明缩小跨距可提高接触网抗风性能;(2)当45 m跨距时，4种悬挂组合的风致位移响应差异不大，而60 m跨距时差异较大，其中悬挂组合3抗风性能较好;(3)跨距参数对跨中接触线(或承力索)风偏移值、跨中接触线抬升量及正定位点接触线抬升量影响较大。

2.4 接触线、吊弦及腕臂结构的风致应力响应

在第1.1节研究的简单链形悬挂模型(图2)仿真计算中，提取2号、3号支柱正、反定位点接触网风致应力响应云图，其4倍放大图如图9、图10所示。

图9 正定位点接触网风致应力响应放大图

图10 反定位点接触网风致应力响应放大图

从应力云图对比可以看出:(1)当来风向为支柱田野侧时，正定位点的应力变化比反定位点大，且集中在线材(接触线、承力索及吊弦)、套管双耳(斜腕臂与平腕臂结合部)、承力索座及定位线夹等处;(2)在图10中支柱附近第一根吊弦处于松弛状态，强侧风引起的接触线张应力增量达9%左右;(3)在反定位点，应力变化集中在定位管、定位器支座(定位管与定位器结合部)等处。

3 强侧风条件下弓网运行安全分析

3.1 弓网运行安全原则及评价指标

接触网在自然环境中应符合可靠性、安全性的要求，有足够的机械、电气强度和安全性能。受电弓-接触网运行安全的原则如下。

(1)对于接触网支柱处的安装设计，应保证定位器支座、定位管或斜腕臂等不侵入受电弓动态包络线，不能发生碰弓或钻弓事故。对于限位定位器，应按不小于1.5倍受电弓最大抬升量进行安全校验;对于非限位定位器，应按不小于2倍受电弓最大抬升量进行安全校验［8］。

(2)对于接触网跨距及拉出值设计，应保证跨中接触线在最大受风偏移时不超出受电弓滑板范围，不能发生接触线刮弓或吊弦线夹偏斜打弓事故。

我国铁路设计规范［9-10］中对受电弓运行的动态包络线进行了定义，最大抬升量和最大横向摆动量见表4。根据弓网运行安全原则可以得出允许风致接触线抬升量及允许风致接触线水平偏移值，见表4。

表4 各速度等级的受电弓运行安全评价指标

3.2 强侧风条件下接触网抗风性能分析

3.2.1 接触网悬挂类型

从图6中简单链形、弹性链形悬挂的风致位移响应对比数据看，两者的风偏移值接近但简单链形悬挂的抬升量较小，对照弓网运行安全原则第(1)条，可以得出简单链形悬挂抗风性能较好的结论。目前法国、意大利等沿海风速较大地区均采用简单链形悬挂，日本新干线也曾对简单链形、弹性链形悬挂进行过对比试验，结果决定推广简单链形悬挂，以取代造价高、维护难度较大的复链形悬挂。

3.2.2 接触悬挂张力匹配

表3给出了我国4种典型接触悬挂组合的最佳匹配张力，对照弓网运行安全原则第(2)条，此时跨中承力索与接触线在受风偏移、摆动时能够保持同步且幅值一致，可以避免强侧风作用下吊弦线夹偏斜打弓、吊弦拉应力疲劳及导线偏磨等问题。

3.2.3 跨距

从图8中4种悬挂组合在不同跨距参数下的风致位移响应对比数据看，跨距参数对跨中接触线风偏移值、跨中接触线抬升量及正定位点接触线抬升量的影响较大。对照表4可以看出:(1)在风偏移值方面，这4种接触悬挂组合的风偏移值均不大于400 mm，满足弓网运行安全要求;(2)在抬升量方面，当采用限位定位器时，只有缩小跨距至45 m及以下，各悬挂组合才能满足弓网运行安全要求;当采用非限位定位器时，按照受电弓最大抬升量150 mm的动态包络线进行接触网设计，各悬挂组合能够满足弓网运行安全要求，对于普速铁路(受电弓最大抬升量120 mm及以下)接触网设计，除悬挂组合3可以采用50 m跨距外，其余悬挂组合均需缩小跨距至45 m及以下方可满足弓网运行安全要求。

综上所述，缩小跨距至45 m可显著提高接触网抗风性能，接触悬挂组合3(简单链形悬挂 JTMH95+CTS150，张力匹配21 kN+25 kN)抗风性能较好。

3.2.4 线材及零部件

根据仿真计算结果，在强侧风作用下接触网风致应力响应变化较大的位置有:(1)正定位点的接触网线材(接触线、承力索及吊弦)、套管双耳(斜腕臂与平腕臂结合部)、承力索座及定位线夹;(2)反定位点的定位管、定位器支座(定位管与定位器结合部)。

在我国风能资源丰富地区，如阿拉山口、达坂城、辉腾锡勒、锡林浩特及东南沿海地区，接触网受常年季风或台风的高频率交变风荷载作用，上述线材和零部件存在疲劳破坏问题，是接触网抗风的薄弱点。根据接触网200万弓架次或30年寿命要求［9］，接触线、承力索及吊弦等接触网线材需缩短使用年限，套管双耳、承力索座、定位器支座及定位线夹等零部件需进一步提高强度，并需改进螺纹副的防松措施。