王玉環(huán)

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

新疆大風(fēng)特點表現(xiàn)為大風(fēng)作用頻繁、風(fēng)力強勁、風(fēng)力變化急劇且定向性極強，最大瞬時風(fēng)速達(dá)64 m/s。8級以上大風(fēng)天數(shù)平均超過100 d，12級及以上持續(xù)時間最長40 h，其中以百里、三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)力最為惡劣，曾發(fā)生吹翻列車、摧毀鐵路設(shè)備重大事故。試驗和運行經(jīng)驗表明，蘭新高鐵接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線受大風(fēng)影響問題突出，附加導(dǎo)線因大風(fēng)引起接地短路、斷線、磨損等事故的風(fēng)險很大。

1 大風(fēng)區(qū)段擋風(fēng)墻設(shè)置及對AF線的影響

擋風(fēng)墻可以阻斷砂積，確保列車運行安全，但“防車不防網(wǎng)”設(shè)置的擋風(fēng)墻對接觸網(wǎng)附加導(dǎo)線則是惡化作用[1-2]。

擋風(fēng)墻根據(jù)空氣動力學(xué)原理設(shè)置，來風(fēng)在墻后方出現(xiàn)分離和附著上、下干擾氣流，附著型氣流的風(fēng)速及湍流度大大減小，渦流消除。而分離氣流則沿墻體上升，在墻后方形成氣動升力及不穩(wěn)定尾流，詳見圖1。

圖1 擋風(fēng)墻處氣流分布示意

1.1 擋風(fēng)墻主要類型及布置關(guān)系

路基擋風(fēng)墻主要是柱板式結(jié)構(gòu)，橋梁上為鏤空鋼板擋風(fēng)屏結(jié)構(gòu)，擋風(fēng)墻高度一般為3.5、4.0 m，典型擋風(fēng)墻見圖2。

圖2 路基柱板式擋風(fēng)墻及相對關(guān)系(單位：mm)

從圖2可以看出，AF線恰處于強氣流體場內(nèi)增速區(qū)，運動形式變化急劇。蘭新高鐵擋風(fēng)墻區(qū)段接觸網(wǎng)保護(hù)線設(shè)置于擋風(fēng)墻內(nèi)側(cè)3 m高處，避開了氣流增速區(qū)，目前運營狀態(tài)良好。但AF線因其電氣及機械空間限制仍維持柱頂懸掛，易發(fā)生大幅振動，在此針對AF線處風(fēng)場特性及抗風(fēng)措施進(jìn)行分析。

1.2 擋風(fēng)墻后方AF線風(fēng)場增速影響的運動模式

風(fēng)場內(nèi)導(dǎo)線運動模式主要有3種：舞動、次檔距振蕩及振動。舞動一般是橫向微風(fēng)覆冰情況下發(fā)生(覆冰厚度2.5～48 mm)，風(fēng)速不大于30 m/s，50%以上舞動風(fēng)速集中在4～20 m/s；次檔距振蕩發(fā)生的風(fēng)速一般為4～18 m/s，振動頻率為0.7～2 Hz[3]。

振動則是導(dǎo)線受到不穩(wěn)定的風(fēng)致橫向風(fēng)作用時，在導(dǎo)線背后形成以一定頻率上下交替變化的氣流旋渦，從而使導(dǎo)線受到一個上下交變脈沖力作用[4-6]。

當(dāng)交替變化頻率與導(dǎo)線固有自振頻率耦合，導(dǎo)線在垂直平面內(nèi)產(chǎn)生共振即引起導(dǎo)線振動。導(dǎo)線的振動除和風(fēng)速、風(fēng)向及路徑有關(guān)外，還與導(dǎo)線懸掛高度、跨距等有關(guān)。當(dāng)有遮擋、屏蔽物時在其后方就會形成不穩(wěn)定的紊流場，蘭新高鐵百里、三十里風(fēng)區(qū)AF線多為大幅振動。圖3、圖4分別為蘭新高鐵大風(fēng)區(qū)墻后方瞬時風(fēng)風(fēng)速矢量及等值云圖，AF線懸掛區(qū)域恰處于密集增速區(qū)。

圖3 瞬時風(fēng)速度矢量圖

圖4 瞬時風(fēng)速度等值線云圖

2 風(fēng)場內(nèi)AF線懸掛結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能分析

2.1 AF線懸掛方式

大風(fēng)區(qū)擋風(fēng)墻引起的增速效應(yīng)導(dǎo)致AF線頻繁振動，其懸掛方式至關(guān)重要。既要考慮導(dǎo)線疲勞問題，又要考慮懸掛裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還需考慮斷線故障時結(jié)構(gòu)卸載，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致的支柱傾覆。蘭新高鐵AF線設(shè)計采用柱頂田野側(cè)V形懸掛，此方式根據(jù)其三角結(jié)構(gòu)穩(wěn)定確定，懸掛處鉸接連接具有一定的卸載功能，有效避免AF線大幅振、擺動時應(yīng)力集中，緩解導(dǎo)線“波節(jié)點”的疲勞[7]。

2.2 AF線懸掛裝置的組成及結(jié)構(gòu)參數(shù)

AF線懸掛裝置由棒式絕緣子，槽形球頭掛環(huán)、預(yù)絞式防疲勞懸垂線夾等組成，結(jié)構(gòu)示意見圖5。V形懸掛結(jié)構(gòu)要充分考慮動態(tài)絕緣間隙δ、絕緣子安裝結(jié)構(gòu)高度h的影響。懸掛結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、絕緣子的承載力等均取決于兩支絕緣子串間夾角α[8-9]，調(diào)整兩支絕緣子在肩架上的間距L可改變α角，但隨之其他參數(shù)相繼也發(fā)生變化。如表1所示。

圖5 V形懸掛結(jié)構(gòu)(單位：mm)

序號L/mmL1/mmα/(°)h/mmδ/mm1100073565.414606202110068074.374405903120063483.79415550

由表1可知，L越大，α越大，但h越小，二者成反比。蘭新高鐵風(fēng)區(qū)內(nèi)最高海拔1 600 m，空氣絕緣距離為340 mm，考慮各種誤差取400 mm。

2.3 AF線V形懸掛結(jié)構(gòu)力學(xué)及機械性能分析

運用Solidworks建立AF線處的風(fēng)流場三維模型，導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行風(fēng)流場仿真[10-13]，得到AF線V型懸掛結(jié)構(gòu)在有、無擋風(fēng)墻時的風(fēng)流場中受力情況，見圖6。

圖6 V形懸掛風(fēng)場內(nèi)受力分布

最大瞬時風(fēng)速60 m/s作用下，V形懸掛絕緣子串、單串絕緣子的受力計算見表2。

表2 絕緣子串受力情況

注：“-”為絕緣子承受壓狀態(tài)。

綜上所述，有墻時AF線V形懸掛絕緣子串受增速效應(yīng)影響的力值明顯增大，相對于單串絕緣子受力總體下降45%左右，穩(wěn)定性提升，可見V形懸掛結(jié)構(gòu)較適用于風(fēng)區(qū)、風(fēng)口等區(qū)段。

3 AF線V形懸掛產(chǎn)生的次生缺陷分析

風(fēng)區(qū)零部件破壞形式主要有兩種，一種是沖擊破壞，另一種為累積磨損疲勞破壞。零部件的累積磨損主要是取決于相互間的運動頻率及交變力，不同風(fēng)速產(chǎn)生了接觸循環(huán)變應(yīng)力作用，在表層形成裂紋并不斷擴展其內(nèi)部導(dǎo)致破壞。

3.1 風(fēng)區(qū)內(nèi)零部件發(fā)生磨損的風(fēng)速頻段

鉸接零部件發(fā)生磨損破壞與其在風(fēng)作用下往復(fù)運動頻次有很大關(guān)系。蘭新高鐵運營初期，AF線V形懸掛鉸接連接零部件發(fā)生了局部磨損，特別是三聯(lián)板及懸垂線夾處。

多個風(fēng)季現(xiàn)場監(jiān)測頻譜圖顯示，極大風(fēng)速值出現(xiàn)頻率并不高，持續(xù)時間不長，反而一般風(fēng)速出現(xiàn)的頻率較高，持續(xù)時間較長，見圖7、圖8。據(jù)統(tǒng)計，每年35 m/s(8～9級)以上的風(fēng)速出現(xiàn)率低于13%，而8級及以下的風(fēng)速高于87%，15～30 m/s的風(fēng)速出現(xiàn)概率較大，連續(xù)時間長，此頻段的風(fēng)速造成AF線鉸接連接零部件做高頻往復(fù)運動，也是造成部件磨損嚴(yán)重的重要頻段。以百里風(fēng)區(qū)十三間房區(qū)間AF線懸垂線夾為例，經(jīng)過1個風(fēng)季的風(fēng)速對應(yīng)的零部件運動頻次模擬計算，結(jié)果見表3。根據(jù)模擬計算及現(xiàn)場觀測可知，當(dāng)風(fēng)速超過35 m/s時其定向性極強，零部件在大風(fēng)作用下也處于定向狀態(tài)，往復(fù)運動頻次少，磨損率低。

圖7 極大風(fēng)速分級(25.0～29.9 m/s)

圖8 極大風(fēng)速分級(≥35.0 m/s)

風(fēng)速/(m/s)懸垂線夾擺角β/(°)連續(xù)天數(shù)/d連續(xù)時間/h時距2min零件運動次數(shù)/n≥1535.5722719118432≥204217013613320≥2549.41207996123055.9716247883561.5632—18724066.2314—7204570.024—1445073.082—725575.61—366077.51—361個風(fēng)季發(fā)生累積磨損次數(shù)49032

3.2 AF線懸掛零部件磨損行程分析

檢查并剖析磨損后零部件發(fā)現(xiàn)，兩個鉸接連接的零部件間表層材料的固定表面積、體積均發(fā)生了黏著磨損，主要是因磨料磨損演變后的結(jié)果[14]。摩擦學(xué)中關(guān)于磨料磨損的描述多以Schallmach公式表達(dá)

式中W0——單位滑動距離的體積磨損；

γ——單位能量的磨損；

s——滑差；

k1——剛度系數(shù)；

ρ——接觸長度；

Q——回彈性。

從上式可知，黏著磨損滑動距離ρ(摩擦副相互接觸的區(qū)域)對磨損量影響較大。因此縮小有效的磨損行程是減緩磨損的一種重要措施。

零部件往復(fù)運動行程或擺動角度β見圖9，在風(fēng)速≤30 m/s頻段作用時的磨損面積重合部分才是最危險的，而風(fēng)速≥35 m/s頻段造成的擴大磨損部分因其幾率小故障率也相對較低。所以應(yīng)該高度重視8級左右的風(fēng)速場作用，這種激勵時效長，共振幾率也大。

圖9 AF線懸掛零部件往復(fù)運動示意

4 V形懸掛合理結(jié)構(gòu)及其零部件抗磨損措施

4.1 絕緣子與肩架鉸接連接方式

將球窩杵座連接改變?yōu)閯偨樱瑹o間隙磨損，且棒瓷絕緣子能承受一定壓力。但剛接連接三角形為固定體，AF線每個懸掛跨距都相當(dāng)于硬錨。一旦斷線彎矩直接傳遞于肩架及支柱，極限情況對臨近懸掛支柱產(chǎn)生的附加彎矩約20 kN·m，不利于抗風(fēng)卸載，因此建議絕緣子與肩架采用鉸接，杵座與球頭連接間隙可涂抹耐磨脂或零部件表面噴塑處理。

4.2 V形懸掛可采用的合理結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)上述分析及表1計算結(jié)果，V形懸掛兩絕緣子固定間距宜為1 100 mm，傘體垂直距離不小于440 mm，雙棒瓷絕緣子三聯(lián)板間距不大于150 mm，內(nèi)傘間距不小于100 mm。

4.3 AF線V形懸掛結(jié)構(gòu)抗磨損措施

4.3.1 懸掛結(jié)構(gòu)抗磨損措施

根據(jù)本文3.2節(jié)分析，不改變V形懸掛結(jié)構(gòu)的懸掛功能及故障卸載能力前提下，減少或限制零部件間磨損行程，可大大降低零部件磨損幾率，為此提出增設(shè)可調(diào)絕緣斜拉棒結(jié)構(gòu)。

對于AF線帶可調(diào)斜拉棒的V形懸掛結(jié)構(gòu)，采用ANSYS有限元流體場仿真進(jìn)行力學(xué)分析，見圖10、圖11，V形懸掛結(jié)構(gòu)有無可調(diào)斜拉棒的主要受力指標(biāo)見表4。

圖10 帶可調(diào)斜拉棒V形懸掛結(jié)構(gòu)風(fēng)場特性

圖11 帶可調(diào)斜拉棒V形懸掛結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

表4 帶可調(diào)斜拉棒的絕緣子串受力

從表4可知，增設(shè)拉棒后左絕緣子處于受拉狀態(tài)，球窩處間隙活動空間限制，懸垂線夾擺角減小至28°，磨損行程大大縮短。

4.3.2 局部機械抗磨損

改變零部件間對偶方式是零部件可靠的機械抗磨措施之一，在懸垂線夾及三聯(lián)板耳孔內(nèi)過盈配合自潤滑軸承或一次性免注油的有油軸承。

選擇大風(fēng)區(qū)十三間房至大步區(qū)間及大步站作為觀測點，觀測時間120 d，記錄磨損數(shù)據(jù)。將未增加與增加防磨損措施后的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，見表5，鉸接零部件螺栓磨損下降60%左右，大大提高了零部件間連接可靠性。

表5 大風(fēng)區(qū)樣本空間數(shù)據(jù)統(tǒng)計(鉸接連接零部件連接螺栓)

5 結(jié)論

可靠性理論中究其重要性及事故等級重要性來講，避免或最大限度地緩解導(dǎo)線疲勞，降低疲勞斷股、斷裂是首位[10]。因此AF線V形懸掛結(jié)構(gòu)采用鉸接連接是可取的。

V形懸掛的結(jié)構(gòu)布置合理性與絕緣子的選用、絕緣等級、絕緣間隙等有關(guān)系，根據(jù)技術(shù)參數(shù)布局及三維立體場仿真計算給出了合理的結(jié)構(gòu)形式。

對于鉸接連接零部件的局部磨損嚴(yán)重，提出了帶可調(diào)斜拉棒方式V形懸掛結(jié)構(gòu)，在其結(jié)構(gòu)故障時具有卸載功能，最大限度地減小磨損面積，提升其抗磨損能力。

經(jīng)過近3年運行，蘭新高鐵AF線V形懸掛結(jié)構(gòu)及零部件連接摩擦副所采取的抗風(fēng)、抗磨損技術(shù)措施，使零部件的磨損量降低60%左右，大風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)每年節(jié)約維護(hù)成本300萬元以上。本文闡述的擋風(fēng)墻后方AF線懸掛結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)、抗磨損技術(shù)措施是可行、有效的，對有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的修訂具有參考價值，對風(fēng)區(qū)內(nèi)接觸網(wǎng)建設(shè)有指導(dǎo)意義，在其他風(fēng)區(qū)、風(fēng)口地區(qū)可借鑒使用。

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