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        接觸網(wǎng)腕臂與絕緣子之間的受力分析

        2020-08-26 07:36:46余香山
        機(jī)電工程技術(shù) 2020年7期
        關(guān)鍵詞:腕臂承力索分力

        余香山

        (杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司,杭州 310017)

        0 引言

        接觸網(wǎng)是鐵路上為車輛直接供電的設(shè)備,其中絕緣子作為接觸網(wǎng)中25 kV高壓帶電設(shè)備與接地設(shè)備間的絕緣設(shè)備,由于處在露天環(huán)境下,受外界環(huán)境如雷、雨、雪、霧、霾等影響,容易被擊穿或者發(fā)生閃絡(luò),是接觸網(wǎng)的薄弱設(shè)備,經(jīng)常需要更換,才能確保不發(fā)生跳閘,從而維持接觸網(wǎng)設(shè)備的穩(wěn)定。

        2018 年7月13日,某局某供電段接觸網(wǎng)工區(qū)在滬昆線利用軌道車進(jìn)行接觸網(wǎng)施工作業(yè),更換受損的斜腕臂絕緣子,施工造成延點(diǎn)1 h 26 min,影響4列貨車在不同站停車。經(jīng)原因分析,主要為作業(yè)人員在組織拆、裝接觸網(wǎng)非支斜腕臂絕緣子(俗稱“棒瓶”)過(guò)程中,沒(méi)有充分考慮并卸載非支接觸線轉(zhuǎn)角下錨的水平負(fù)載,在使用撐桿卸載承力索垂直負(fù)載后強(qiáng)行將斜腕臂從舊棒瓶鐵錨壓板內(nèi)抽出后再更換新棒瓶。新?lián)Q棒瓶一端與腕臂底座固定后,另一端無(wú)法與斜腕臂順利對(duì)接,原因是斜腕臂在接觸線水平力與腕臂支撐管支撐力共同作用下出現(xiàn)垂直方向偏移。

        行業(yè)內(nèi)針對(duì)立柱系統(tǒng)、絕緣子抗彎、鋼柱桿件等情況進(jìn)行了分析研究[1-6],缺乏對(duì)腕臂與絕緣子之間受力情況的數(shù)據(jù)計(jì)算,作業(yè)人員常常憑借自身工作經(jīng)驗(yàn)直接在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工。由于作業(yè)人員自身業(yè)務(wù)水平有高低之分,加上瓷棒式絕緣子重達(dá)幾十kg,因此作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常容易出現(xiàn)異常狀況。

        1 現(xiàn)場(chǎng)支柱選取

        接觸網(wǎng)腕臂與絕緣子之間的受力存在受拉、受壓以及臨界狀態(tài)3種情況。斜腕臂與絕緣子之間只存在受壓一種情況,因此只需要對(duì)線索進(jìn)行卸載就可以對(duì)絕緣子進(jìn)行更換,方法較為簡(jiǎn)單。然而平腕臂與絕緣子之間存在以上3 種情況,其中最難更換的當(dāng)屬受壓狀態(tài)。

        本次針對(duì)極限條件下平腕臂與絕緣子之間的受壓狀態(tài)進(jìn)行受力分析,經(jīng)對(duì)合福高速線(時(shí)速300 km/h)管轄范圍內(nèi)近1 萬(wàn)根支柱進(jìn)行粗略比對(duì)發(fā)現(xiàn),位于某區(qū)間下行線的1721#支柱較為符合極限條件,如圖1 ~2 所示。該支柱的支柱類型為GHT240B/9.5,位于五跨非絕緣錨段關(guān)節(jié),為曲內(nèi)、閉口側(cè)轉(zhuǎn)換柱,非支拉出值設(shè)計(jì)值為-800 mm,曲線半徑為8 000 m,外軌超高為100 mm,線路坡度為-11.516 8‰。

        圖1 1721#支柱現(xiàn)場(chǎng)情況

        圖2 1721#支柱非支在五跨錨段關(guān)節(jié)中所處位置

        2 受力分析

        通過(guò)對(duì)1721#支柱進(jìn)行受力分析[7-8],掌握平腕臂與絕緣子之間的受力情況以及大小。

        平腕臂與絕緣子之間的力主要來(lái)源于3 點(diǎn):(1)承力索座位置的水平負(fù)載P承;(2)承力索座位置的垂直負(fù)載Qg;(3)定位環(huán)位置的水平負(fù)載P接。

        2.1 承力索座位置水平負(fù)載P承

        忽略風(fēng)負(fù)載,承力索座位置的水平負(fù)載可分為以下兩點(diǎn)。

        (1)曲線形成的水平分力PR

        曲線形成的水平分力PR如圖3所示。曲線半徑R =8 000 m;跨距L1=45.5 m;跨距L2=48.7 m;承力索張力T =23 kN。其中T3為下錨側(cè)承力索張力在跨距方向的分力,由于T3與T 之間的夾角非常小,可近似認(rèn)為T3≈T,將左側(cè)T與右側(cè)T3在水平面內(nèi)(近似)沿著腕臂方向分解為T1、T2,與腕臂方向垂直的分解力幾乎相等,可以相互抵消。

        圖3 承力索座位置曲線形成的水平分力受力分析

        由圖3可知,T與T1構(gòu)成的三角形、R 與L1/2構(gòu)成的三角形為相似三角形,可得:

        同理:

        可得:

        (2)之字值形成的水平分力P之

        將定位點(diǎn)兩側(cè)的張力沿著腕臂方向合成為P之,此為之字值形成的水平分力,兩側(cè)之字值的計(jì)算方法類似于計(jì)算下錨轉(zhuǎn)角,其中H型鋼柱寬度為400 mm。由此可得出:

        推算出承力索座位置水平負(fù)載為:

        2.2 承力索座位置垂直負(fù)載Qg

        忽略覆冰負(fù)載,承力索座位置垂直負(fù)載包括定位點(diǎn)兩側(cè)各近半跨的承力索、接觸線力以及彈性吊索、吊弦、電連接以及相關(guān)線夾的自重,已知CTMH150 接觸線單位長(zhǎng)度自重為1.35 kg/m,長(zhǎng)度為47.1 m,共計(jì)63.59 kg;JTMH120 承力索單位長(zhǎng)度自重為1.065 kg/m,長(zhǎng)度為47.1 m,共計(jì)為50.16 kg;TJR10吊弦單位長(zhǎng)度自重為0.089 kg/m,長(zhǎng)度為7.993 m,共計(jì)為0.711 kg;TJR95 電連接單位長(zhǎng)度自重為0.845 5 kg/m,長(zhǎng)度為5.964 m,共計(jì)為5.04 kg;相關(guān)線夾自重粗略估算共計(jì)為8 kg。推算出承力索座位置垂直負(fù)載為:

        2.3 定位環(huán)位置水平負(fù)載P接

        忽略風(fēng)負(fù)載,把定位管支撐和兩端套管單耳以及定位環(huán)看成一個(gè)整體,假設(shè)這個(gè)整體上受的力都集中在定位環(huán)這一個(gè)點(diǎn)上,定位環(huán)位置的水平負(fù)載可分為以下兩點(diǎn)。

        (1)曲線形成的水平分力PR

        定位環(huán)位置的垂直負(fù)載可忽略,只考慮水平負(fù)載,接觸線張力為28.5 kN,計(jì)算方法同上:

        (2)之字值形成的水平分力P之

        將定位點(diǎn)兩側(cè)的張力沿著腕臂方向合成為P之,此為之字值形成的水平分力,兩側(cè)之字值的計(jì)算方法類似于計(jì)算下錨轉(zhuǎn)角。由此可得出:

        推算出定位環(huán)位置水平負(fù)載為:

        3 力的合成

        將上述3項(xiàng)負(fù)載進(jìn)行合成,如圖4 所示,最終算出套筒座位置沿平腕臂方向的力,即為平腕臂與絕緣子之間的壓力。

        3.1 計(jì)算P接傳遞到套筒座的力P3

        將P接分解為P1、P2,P2作用于腕臂底座,沿著支柱傳到大地被抵消,剩下P1,求P1之前先計(jì)算sinα的值(支柱與斜腕臂之間的夾角為角度α)。

        圖4 受力分析1

        已知上下底座間距為1 800 mm,平腕臂長(zhǎng)度為1 855 mm,斜腕臂長(zhǎng)度為1 788 mm,瓷棒式絕緣子長(zhǎng)度為800 mm,平腕臂端部距套筒座為500 mm,可以得出:

        定位環(huán)與鐵錨壓板之間的距離為600 mm,根據(jù)力矩平衡原理:

        3.2 求P3、P承、Qg 在套筒座位置上的合力P

        將P承、Qg的力合成為P4,P4與Qg之間的夾角為角度φ,如圖4所示;P4與平腕臂之間的夾角為角度γ,如圖5所示,求得P4大小以及sinφ、sinγ為:

        圖5 受力分析2

        將P4分解為沿著平腕臂方向的P5、垂直平腕臂方向的P6,如圖5所示,算出其大小為:

        通過(guò)力矩平衡原理,將P5、P6轉(zhuǎn)移到套筒座上,P5大小不變,計(jì)算P6轉(zhuǎn)移后的P7,如圖6所示,則:

        圖6 受力分析3

        將P3分解為沿著平腕臂方向的P8、垂直平腕臂方向的P9,如圖6所示,算出其大小為:

        可以求出合力P,以及合力P與平腕臂之間的夾角θ,如圖6所示,則:

        3.3 計(jì)算壓力大小P10

        將合力P沿著平腕臂和斜腕臂分別分解為P10和P11,如圖7所示,則:

        圖7 受力分析4

        4 結(jié)果及對(duì)策

        (1)經(jīng)計(jì)算得出平腕臂與絕緣子之間的壓力P10為3 540 N,因此想要更換該非支平腕臂絕緣子,只能借助外力將平腕臂從絕緣子中抽出,可借助另外一行接觸設(shè)備,如在上行支柱頂部與下行承力索座位置使用鏈條葫蘆對(duì)壓力進(jìn)行卸載。

        (2)可以通過(guò)研制和使用新產(chǎn)品,如絕緣子更換器等設(shè)備,熟練掌握新產(chǎn)品使用方法,進(jìn)而提高作業(yè)效率。

        (3)在有條件的情況下,積極開(kāi)展具有針對(duì)性的崗位練兵工作,逐步提高作業(yè)人員的技能水平。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際情況進(jìn)行粗略測(cè)算,對(duì)幾乎最為惡劣的作業(yè)環(huán)境進(jìn)行受力分析,提出相應(yīng)對(duì)策,以便作業(yè)人員制定絕緣子更換方案時(shí)可以充分考慮,并攜帶相對(duì)應(yīng)的更換工器具,對(duì)鐵路及城市軌道交通接觸網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理均具有一定的借鑒意義。

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