王玉環(huán),田志軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

目前南疆線前百公里風(fēng)區(qū),蘭新線安西、煙墩、百里、三十里風(fēng)區(qū)及達(dá)坂城、阿拉山口風(fēng)口,風(fēng)區(qū)總長度約 508.2km。特別是百里風(fēng)區(qū)內(nèi)大風(fēng)頻繁、風(fēng)力強(qiáng)勁、風(fēng)力變化劇烈,最大瞬時(shí)風(fēng)速超過 60m/s,大風(fēng)破壞鐵路設(shè)施、吹翻列車等事故時(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重影響旅客出行,給鐵路運(yùn)輸造成了重大損失。強(qiáng)風(fēng)沙環(huán)境下,不同類型擋風(fēng)墻對接觸網(wǎng)的氣動性能及弓網(wǎng)耦合的影響很大,大風(fēng)對接觸網(wǎng)的穩(wěn)定性和弓網(wǎng)受流性能產(chǎn)生的影響的系統(tǒng)性研究是非常有必要的,特別是腕臂支持結(jié)構(gòu),接觸網(wǎng)系統(tǒng)中腕臂支持結(jié)構(gòu)是保證接觸網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的最基本的單元,用于懸掛、支撐接觸網(wǎng),無備用。從可靠性角度講接觸網(wǎng)系統(tǒng)是串聯(lián)結(jié)構(gòu),腕臂作為接觸網(wǎng)系統(tǒng)的子系統(tǒng)是非常重要的。它的可靠度直接影響整個(gè)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性。

新疆鐵路大風(fēng)主要有以下特點(diǎn),一是風(fēng)速高,百里風(fēng)區(qū)最大風(fēng)速達(dá) 60m/s(17級),十三間房附近風(fēng)力最大,東西兩端遞減;前百公里風(fēng)區(qū)最大風(fēng)速達(dá) 64m/s(超過 17級),鐵泉附近風(fēng)力最大,自東向西遞減。二是風(fēng)期長,主要風(fēng)口年均大風(fēng)天數(shù)相當(dāng)高,大于 8級風(fēng)的大風(fēng)天數(shù)百里風(fēng)區(qū)為 96d、前百公里風(fēng)區(qū)為 156d。三是季節(jié)性強(qiáng),每年冬春交替季節(jié)大風(fēng)最為集中,占全年大風(fēng)天數(shù)的 30%以上,風(fēng)速也最大,秋冬交替季節(jié)大風(fēng)天氣也較多。四是風(fēng)向穩(wěn)定,風(fēng)區(qū)大風(fēng)主要受寒潮天氣影響,因素單一,加之區(qū)域遼闊平坦,每次大風(fēng)所經(jīng)路線較為固定,主風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。五是起風(fēng)速度快,在 15～40min內(nèi)風(fēng)速可由 0～5m/s迅速增加到19～20m/s以上。

2 國內(nèi)外典型腕臂支持結(jié)構(gòu)形式

國外電氣化鐵路中,德國、法國、日本 3個(gè)國家的接觸網(wǎng)系統(tǒng)各自不同。在我國的電氣化鐵路建設(shè)項(xiàng)目中,接觸網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)及性能與國外有所不同,同等速度級別的鐵路對于接觸網(wǎng)系統(tǒng)而言國內(nèi)的技術(shù)指標(biāo)及性能的要求往往高于國外。鑒于現(xiàn)狀,如何在國外電氣化鐵路接觸網(wǎng)零件的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國實(shí)際情況,根據(jù)各地區(qū)不同的自然環(huán)境,研究出機(jī)械性能高、又符合我國大風(fēng)沙自然環(huán)境的電氣化鐵路接觸網(wǎng)零件就十分重要。

對于國外情況,日本是多災(zāi)(海風(fēng)、地震)地區(qū),接觸網(wǎng)抗風(fēng)系統(tǒng)的研究比較全面,大風(fēng)情況與我國有相似之處,但其處于沿海地區(qū),空氣潮濕、鹽害嚴(yán)重,所以其主要在防風(fēng)、抗振及抗腐蝕性能進(jìn)行研究并付諸于工程實(shí)施。而對于我國新疆地區(qū),強(qiáng)風(fēng)中夾雜沙石,溫差大,溫度驟變等環(huán)境條件更為惡劣。目前電氣化鐵路接觸網(wǎng)典型的腕臂安裝主要方式有 4種,中國系旋轉(zhuǎn)平腕臂,德國系旋轉(zhuǎn)平腕臂,法國銳角三角形腕臂,日本旋轉(zhuǎn)整體腕臂。

2.1 中國式平腕臂安裝

圖1中旋轉(zhuǎn)平腕臂方式為在原德國制式上改進(jìn)的方式,目前應(yīng)用比較廣泛。但是這種方式僅在普通氣候條件下使用,國內(nèi)外尚無用于大風(fēng)災(zāi)害地區(qū)的實(shí)例,大風(fēng)區(qū)段接觸網(wǎng)上部支持結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度及剛性以抵抗強(qiáng)風(fēng)荷載作用,這種普通的腕臂組合方式鉸接連接點(diǎn)多,整體的剛性較差。在瞬時(shí)大風(fēng)作用下,接觸線及承力索處水平荷載大,所以要求旋轉(zhuǎn)腕臂結(jié)構(gòu)要具備足夠的強(qiáng)度及剛度,以承受由大風(fēng)引起的動荷及沖擊作用。

2.2 德國式平腕臂

德國系列腕臂安裝多采用管徑 70mm的鋁合金腕臂管及鋁合金件,與腕臂連接的零部件均采用不銹鋼 U栓連接,承力索座設(shè)在腕臂端頭。從力學(xué)角度分析承力索懸掛在此處結(jié)構(gòu)變形較小(無懸臂端),平腕臂無附加彎矩。這種方式設(shè)計(jì)較嚴(yán)謹(jǐn),承力索懸掛無調(diào)節(jié)余量,要求施工精度高,不利系統(tǒng)累計(jì)誤差消除。

圖1 中國式平腕臂安裝

圖2 德國式平腕臂安裝

2.3 法國式銳角三角形腕臂結(jié)構(gòu)

圖3中旋轉(zhuǎn)腕臂結(jié)構(gòu)為銳角三角形結(jié)構(gòu),若將壓管改成平腕臂結(jié)構(gòu),此種銳角結(jié)構(gòu)方式要比平腕臂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但是該結(jié)構(gòu)中承力索采用套管絞環(huán)及鞍子固定(圖4),由于強(qiáng)風(fēng)作用,承力索強(qiáng)烈舞動使鞍子與套管絞環(huán)鉸接處的疲勞會迅速增加,旋起的細(xì)沙在鉸接處堆積,在長期的累積作用下細(xì)沙會對零部件鍍鋅表面產(chǎn)生摩擦磨損,加劇零件銹蝕,短時(shí)間內(nèi)會大大削弱零件的強(qiáng)度。沙粒磨損機(jī)理見圖4。另外,在施工過程中承力索位置調(diào)節(jié)及誤差消除困難,預(yù)配后支持結(jié)構(gòu)對側(cè)面限界的適應(yīng)性差,結(jié)構(gòu)高度較難保持一致,增加了腕臂預(yù)配、調(diào)節(jié)等施工難度。

圖3 法國式銳角三角形腕臂

圖4 套管絞環(huán)及鞍子

3 日本旋轉(zhuǎn)整體腕臂

日本防風(fēng)系統(tǒng)中腕臂多采用整體結(jié)構(gòu),正反定位均采用整體彎制定位管、腕臂結(jié)構(gòu)(圖5)。連接零件多采用型材加工,承力索座采用不可旋轉(zhuǎn)的型材彎制結(jié)構(gòu)形式。定位器采用弧形帶彈簧限位定位器,定位器端部采用平銷軸與垂直銷軸連接,端部連接可靠,不會引起脫鉤或燒蝕現(xiàn)象。腕臂管一般采用無縫鋼管制造。為了防止定位管在大風(fēng)時(shí)過度上抬,定位管與斜腕臂、平腕臂之間剛性連接,腕臂穩(wěn)定性較強(qiáng),而且在強(qiáng)風(fēng)舞動狀態(tài)下定位器定位圖失效或定位器偏轉(zhuǎn)較大的情況下,可有效防止導(dǎo)線翻至定位管上。

圖5 日本防風(fēng)系統(tǒng)中中間柱腕臂正、反定位安裝

日本原系統(tǒng)整體腕臂結(jié)構(gòu)中彎制腕臂制造及安裝精度較高,無調(diào)整余量,在線路條件不穩(wěn)定、土建施工誤差及接觸網(wǎng)施工誤差累積后,若調(diào)整量不足會引起構(gòu)件間內(nèi)力作用產(chǎn)生變形,在一定程度上影響設(shè)計(jì)及施工周期。日本原系統(tǒng)承力索座(圖6)不能旋轉(zhuǎn),導(dǎo)線溫脹引起的切向力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)由其底部的焊接筋板承受。其他零部件大多采用型材加工的抱箍式結(jié)構(gòu)(圖7),抱箍式零部件由于與腕臂連接的接觸面積較大,抗滑性能較好。

圖6 承力索座

圖7 抱箍類零件

4 風(fēng)沙作用機(jī)理及對接觸網(wǎng)支持結(jié)構(gòu)的影響

4.1 接觸網(wǎng)在風(fēng)場中的振動形式

接觸網(wǎng)在風(fēng)場中的振動形式主要有微風(fēng)振動、舞動、次檔距振蕩(尾流振蕩)。微風(fēng)振動主要是由風(fēng)引起導(dǎo)線的周期性振動。對導(dǎo)線及零部件的破壞形式可以分成兩大類:疲勞損壞和磨損損壞。兩種損壞都是漸進(jìn)的和長期的,并且同時(shí)發(fā)生。

舞動一般來說是指導(dǎo)線在不對稱覆冰及風(fēng)力的共同作用下引起的一種低頻率、大振幅的振動現(xiàn)象。引起導(dǎo)線舞動的因素主要有兩個(gè)大方面。在新疆地區(qū)氣候干燥,雨水較少,風(fēng)期內(nèi)導(dǎo)線覆冰的可能性很小,所以在百里風(fēng)區(qū)內(nèi)導(dǎo)線的舞動主要是由于后者引起的,但也不排除覆冰的影響。舞動的能量很大,持續(xù)時(shí)間也較長,一旦發(fā)生舞動,可能會造成零部件短時(shí)間內(nèi)破壞,導(dǎo)線斷裂,甚至支柱折斷等重大事故。

次檔距振蕩是指風(fēng)的尾流效應(yīng)引起的導(dǎo)線在相鄰跨距內(nèi)的水平振動,通過改變相鄰跨距(不等跨布置)可降低次檔距振蕩的影響。

4.2 風(fēng)沙作用于上部支持結(jié)構(gòu)及零部件的機(jī)理

由于新疆地區(qū)風(fēng)沙頻繁,零部件除承受接觸網(wǎng)作用外載荷、風(fēng)荷載、螺栓預(yù)緊力、自身重量等還必須考慮沙粒沖擊作用。

新疆地區(qū)風(fēng)沙作用:主要是風(fēng)蝕與風(fēng)積作用。風(fēng)蝕作用是風(fēng)和風(fēng)沙流對地表物質(zhì)的吹蝕和磨蝕作用。風(fēng)積作用為風(fēng)沙流運(yùn)行過程中,由于風(fēng)力減緩或地面障礙等原因,使風(fēng)沙流中沙粒發(fā)生沉降堆積時(shí)稱風(fēng)積作用。經(jīng)風(fēng)力搬運(yùn)、堆積的物質(zhì)稱為風(fēng)積物。由于上部支持結(jié)構(gòu)中主要零部件的懸掛高度均在 5～8m(距軌面),所以主要零部件,如接觸網(wǎng)旋轉(zhuǎn)腕臂底座、定位器本體與支座鉸接處、承力索座等都要考慮風(fēng)積作用。

4.3 懸掛點(diǎn)處“波節(jié)點(diǎn)”及“波腹點(diǎn)”的影響

研究發(fā)現(xiàn),導(dǎo)線振動時(shí)有一個(gè)規(guī)律,導(dǎo)線上有些點(diǎn)做上下運(yùn)動,這些點(diǎn)稱為“波腹點(diǎn)”,而另外一些點(diǎn),卻不發(fā)生位移,維持在原來平衡點(diǎn)上,這些點(diǎn)稱為“波節(jié)點(diǎn)”?！安ü?jié)點(diǎn)”在振動中被反復(fù)彎折,使“波節(jié)點(diǎn)”處導(dǎo)線產(chǎn)生疲勞,易導(dǎo)致斷股、斷線。而懸掛點(diǎn)兩側(cè)導(dǎo)線,不論在什么頻率下振動,始終為“波節(jié)點(diǎn)”。所以在承力索懸掛點(diǎn)處要采取措施以減少“波節(jié)點(diǎn)”及“波腹點(diǎn)”的影響。

5 防風(fēng)型支持結(jié)構(gòu)及與日本腕臂技術(shù)的比較

5.1 防風(fēng)型腕臂結(jié)構(gòu)

綜合國內(nèi)、外接觸網(wǎng)上部支持結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)及新疆大風(fēng)區(qū)的特殊環(huán)境,針對我國的接觸網(wǎng)施工工藝、施工工法、工程周期及制造方法,我們提出新的適合于我國國情、安全可靠的防風(fēng)型旋轉(zhuǎn)腕臂安裝組合形式。

結(jié)構(gòu)形式:采用整體式三角旋轉(zhuǎn)腕臂,典型的安裝見圖8、圖9。

圖8 正定位安裝示意

圖9 反定位安裝示意

結(jié)構(gòu)組成:水平腕臂、斜腕臂、定位管、腕臂支撐、抱箍雙耳、承力索座、定位器及定位線夾等。

5.2 防風(fēng)型腕臂與日本大風(fēng)系統(tǒng)腕臂、普通型腕臂技術(shù)比較(表1)

表1 防風(fēng)型腕臂主要加強(qiáng)措施比較

5.3 防風(fēng)型腕臂主要特點(diǎn)

(1)腕臂裝置采用整體連接,腕臂與定位管連接為整體結(jié)構(gòu),彎型結(jié)構(gòu)提高了腕臂裝置整體的連接強(qiáng)度,穩(wěn)定性較好,剛性大,可將接觸網(wǎng)作用的荷載有效的傳遞給支柱及基礎(chǔ),也使腕臂裝置在大風(fēng)環(huán)境下具有高可靠性?？捎行П苊舛ㄎ还苊撀?、跳起,正定位采用垂直彎管型整體定位管,在強(qiáng)風(fēng)舞動狀態(tài)下定位器定位失效或定位器偏轉(zhuǎn)較大的情況下,可有效防止導(dǎo)線翻至定位管上端。

(2)定位管及腕臂的折彎角度≥90°,反定位處彎型連接可以調(diào)節(jié),便于施工調(diào)整。

(3)減少連接點(diǎn),降低了故障率。

(4)腕臂間設(shè)腕臂支撐既增加了腕臂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,又提高了絕緣子與腕臂連接點(diǎn)的強(qiáng)度。

(5)采用整體定位管和整體腕臂以減少連接點(diǎn),減小了風(fēng)積作用幾率。

(6)承力索座可旋轉(zhuǎn),與腕臂采用銷栓連接,無滑移現(xiàn)象。

(7)承力索座兩端設(shè)連續(xù)預(yù)絞絲或纏縛保護(hù)條。其次,承力索座處考慮冗余設(shè)計(jì):承力索座處承力索兩側(cè)敷設(shè)預(yù)絞絲,以減少該位置導(dǎo)線長期舞動引起的疲勞斷線影響或承力索座內(nèi)設(shè)預(yù)絞絲對導(dǎo)線起保護(hù)作用,削弱承力索懸掛點(diǎn)處的應(yīng)力集中(圖10)。

圖10 承力索座處保護(hù)及冗余結(jié)構(gòu)

5.4 防風(fēng)型腕臂力學(xué)技術(shù)要求

(1)腕臂支持結(jié)構(gòu)校驗(yàn)風(fēng)荷載條件(表2數(shù)據(jù)從新疆氣象局及風(fēng)場模擬試驗(yàn)所得)

表2 蘭新線和南疆線大風(fēng)區(qū)段接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)風(fēng)速取值

(2)腕臂管上承受風(fēng)壓計(jì)算

當(dāng)風(fēng)向垂直線路吹時(shí)(圖11),下錨處最遠(yuǎn)端的轉(zhuǎn)換腕臂柱偏角最大,見表3,承受風(fēng)荷載也最大。當(dāng)風(fēng)向?yàn)轫樉€路方向吹時(shí),中心錨結(jié)處腕臂管承受風(fēng)荷載最大。

圖11 風(fēng)作用與腕臂管

表3 腕臂最大偏角α

腕臂管上承受風(fēng)壓計(jì)算(表4、表5)。

表4 南疆線腕臂管上風(fēng)荷載

表5 蘭新線腕臂管上風(fēng)荷載

(3)防風(fēng)型腕臂正、反定位有限元分析

利用 ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件,將接觸網(wǎng)所受外部荷載、腕臂結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載及風(fēng)場中動荷載影響因素加載于腕臂支持結(jié)構(gòu)上,通過有限元法分析腕臂支持結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。ANSYS結(jié)構(gòu)分析截圖見圖12、圖13,從圖12、圖13可以讀取相關(guān)節(jié)點(diǎn)受力信息及腕臂變形趨勢。通過有限元法對此三角平面桁架結(jié)構(gòu)分析,定位器處受力最大為 2.997kN,平腕臂垂直撓度變形為1.5mm(側(cè)面限界 3.1m)。在強(qiáng)風(fēng)區(qū)定位器為關(guān)鍵性零件,其力學(xué)指標(biāo)均能滿足定位器的技術(shù)條件(最大工作荷重按 3.8kN設(shè)計(jì))。腕臂的撓度也滿足1.5L%的設(shè)計(jì)要求,腕臂支持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定檢算見表6。

圖12 正定位

圖13 反定位

表6 腕臂支持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定檢算

6 結(jié)論

綜上所述,新疆強(qiáng)風(fēng)地區(qū)接觸網(wǎng)腕臂支持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性非常重要。在多方考察并了解多風(fēng)災(zāi)國家的電氣化鐵路接觸網(wǎng)的腕臂結(jié)構(gòu)形式前提下,結(jié)合我國新疆強(qiáng)風(fēng)區(qū)的氣候特點(diǎn),提出防風(fēng)型腕臂結(jié)構(gòu)形式,通過ANSYS軟件分析獲取了各結(jié)點(diǎn)處的力學(xué)指標(biāo),腕臂變形也滿足規(guī)范要求。此種腕臂結(jié)構(gòu)均能滿足強(qiáng)風(fēng)區(qū)的相關(guān)技術(shù)條件,各零部件的連接結(jié)點(diǎn)的力學(xué)指標(biāo)也滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù) ANSYS結(jié)構(gòu)分析所提出腕臂支持結(jié)構(gòu)及各零部件的力學(xué)指標(biāo),可作為疲勞試驗(yàn)條件的參考值。

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