吳亞飛

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

250 km/h及以上速度等級的高速鐵路接觸網(wǎng)一般采用彈性鏈形懸掛，在中間柱懸掛處，彈性吊索與腕臂裝置無干擾，但在錨段關(guān)節(jié)處，彈性吊索易發(fā)生與相鄰支定位管吊弦等零部件相磨，現(xiàn)場調(diào)整困難時，經(jīng)常發(fā)生取消彈性吊索現(xiàn)象，但取消彈性吊索會影響接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)處弓網(wǎng)動態(tài)受流。因此，開展彈性吊索對接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)弓網(wǎng)動態(tài)性能的影響分析具有重要的現(xiàn)實需求。

利用弓網(wǎng)動態(tài)仿真，可計算不同彈性吊索工況下接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)的弓網(wǎng)動態(tài)性能。目前，國內(nèi)外有關(guān)弓網(wǎng)動態(tài)仿真研究有：關(guān)金發(fā)[1]研究了四跨錨段關(guān)節(jié)平面布置對弓網(wǎng)動態(tài)性能的影響；BRUNI S.[2]等介紹了現(xiàn)有國際上所使用的弓網(wǎng)動態(tài)仿真技術(shù)；汪吉健[3]、張衛(wèi)華[4]、HARELL P.[5]、李文豪[6]等分別研究了承力索張力、接觸線弛度、電分相和彈性吊索參數(shù)對弓網(wǎng)動態(tài)性能的影響；POMBO J.[7]、趙飛等[8]研究了受電弓、接觸網(wǎng)空氣動力對弓網(wǎng)動態(tài)性能的影響；周寧[9]、吳燕[10]、李勇[11]等分析了滿足弓網(wǎng)動態(tài)性能的雙弓運行下弓間距選取值。還有部分學(xué)者從模型參數(shù)變化對弓網(wǎng)動態(tài)研究的影響方面進行了分析[12-21]。通過以上得知，通過弓網(wǎng)動態(tài)仿真對比與分析不同接觸網(wǎng)技術(shù)參數(shù)對弓網(wǎng)動態(tài)性能從而優(yōu)化技術(shù)參數(shù)的方法是普遍使用且有效的。

鑒于國內(nèi)外尚未見有關(guān)彈性吊索對接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)弓網(wǎng)動態(tài)性能的影響研究，本文利用弓網(wǎng)動態(tài)仿真，建立接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)仿真模型，分析雙弓作用下彈性吊索對接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)弓網(wǎng)動態(tài)性能影響，確定不同速度等級的接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)彈性吊索設(shè)置和參數(shù)選擇，為高速鐵路接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)設(shè)計與施工提供參考依據(jù)。

1 接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)仿真模型

1.1 計算參數(shù)及工況

根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范條文說明》提出不同速度等級的彈性吊索推薦方案，其中，250 km/h等級接觸網(wǎng)選用2.8～3.5 kN的彈性吊索張力；350 km/h等級接觸網(wǎng)選用3.5 kN的彈性吊索張力。彈性吊索長度根據(jù)跨距和系統(tǒng)動態(tài)性能進行確定，一般為14～22 m。

結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，250 km/h和350 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)的設(shè)計參數(shù)如表1所示。彈性吊索長度和張力可選取在一定范圍內(nèi)。

表1 接觸網(wǎng)設(shè)計參數(shù)

兩種速度等級高速鐵路接觸網(wǎng)的錨段關(guān)節(jié)立面和平面布置如圖1、圖2所示。

圖1 五跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)立面布置

圖2 五跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)平面布置

與250 km/h鐵路接觸網(wǎng)匹配使用DSA 250型受電弓。與350 km/h鐵路接觸網(wǎng)匹配使用DSA 380型受電弓。弓間距為200 m。受電弓氣動力按0.000 97v2(v為運行速度)計算。

結(jié)合彈性吊索參數(shù)可在一定范圍內(nèi)選取，計算工況如表2所示。

表2 計算工況

1.2 接觸網(wǎng)動態(tài)仿真模型

根據(jù)計算參數(shù)，建立彈性鏈型懸掛接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換柱安裝彈性吊索和取消彈性吊索的接觸網(wǎng)動態(tài)仿真模型的立面和平面，如圖3～圖6所示。

圖3 錨段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換柱安裝彈性吊索時接觸網(wǎng)仿真模型立面

圖4 錨段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換柱安裝彈性吊索時接觸網(wǎng)仿真模型平面

圖5 錨段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換柱取消彈性吊索時接觸網(wǎng)仿真模型立面

圖6 錨段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換柱取消彈性吊索時接觸網(wǎng)仿真模型平面

2 錨段關(guān)節(jié)彈性吊索的設(shè)置與參數(shù)分析

應(yīng)用第1節(jié)的接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)仿真模型，對比分析雙弓通過安裝彈性吊索的錨段關(guān)節(jié)和未安裝彈性吊索的錨段關(guān)節(jié)時的弓網(wǎng)動態(tài)性能。

通過圖7～圖10，對比部分工況不同速度等級錨段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換柱是否設(shè)置彈性吊索的弓網(wǎng)接觸力曲線，可發(fā)現(xiàn)，是否安裝彈性吊索對雙弓接觸力有較大影響。

圖7 工況1錨段關(guān)節(jié)接觸力曲線

圖8 工況2錨段關(guān)節(jié)接觸力曲線

圖9 工況5錨段關(guān)節(jié)接觸力曲線

圖10 工況6錨段關(guān)節(jié)接觸力曲線

統(tǒng)計各工況前、后弓接觸力特征值，如表3和表4所示。

表3 各工況前弓錨段關(guān)節(jié)接觸力統(tǒng)計結(jié)果 N

表4 各工況后弓錨段關(guān)節(jié)接觸力統(tǒng)計結(jié)果 N

無論彈性吊索參數(shù)如何變化，安裝彈性吊索的錨段關(guān)節(jié)在250 km/h速度等級接觸網(wǎng)的雙弓接觸力標(biāo)準(zhǔn)差較小，弓網(wǎng)接觸質(zhì)量較好。250 km/h速度等級，前弓在彈性吊索長度為14 m、張力為2.8 kN的工況比彈性吊索為18 m、張力為3.5 kN的工況下接觸力標(biāo)準(zhǔn)差減小10%，后弓減小2%，弓網(wǎng)接觸質(zhì)量較好。

當(dāng)350 km/h速度等級接觸網(wǎng)的彈性吊索長度為14 m時，前弓在錨段關(guān)節(jié)取消彈性吊索時比安裝彈性吊索時接觸力標(biāo)準(zhǔn)差減小7%，后弓減小12%，弓網(wǎng)接觸質(zhì)量較好。

當(dāng)350 km/h速度等級接觸網(wǎng)的彈性吊索長度為18 m時，后弓在錨段關(guān)節(jié)安裝彈性吊索時比取消彈性吊索時接觸力標(biāo)準(zhǔn)差減小21%，弓網(wǎng)接觸質(zhì)量較好。350 km/h速度等級時，安裝14 m長彈性吊索和取消彈性吊索、安裝18 m長彈性吊索3種情況下錨段關(guān)節(jié)處雙弓接觸力標(biāo)準(zhǔn)差接近。

為驗證彈性吊索參數(shù)選取的合理性，統(tǒng)計整理計算結(jié)果中錨段中部的接觸力，見表5和表6。

表5 各工況前弓錨段中部接觸力統(tǒng)計結(jié)果 N

表6 各工況后弓錨段中部接觸力統(tǒng)計結(jié)果 N

250 km/h速度等級彈性吊索長度為14 m、張力為2.8 kN，錨段關(guān)節(jié)安裝彈性吊索的接觸網(wǎng)錨段中部接觸力標(biāo)準(zhǔn)差最小，與錨段關(guān)節(jié)接觸力分析結(jié)論一致。

350 km/h速度等級彈性吊索長度為18 m，錨段關(guān)節(jié)安裝彈性吊索的接觸網(wǎng)錨段中部接觸力標(biāo)準(zhǔn)差最小，相對350 km/h速度等級彈性吊索長度為14 m，錨段關(guān)節(jié)未安裝彈性吊索的接觸網(wǎng)錨段中部前弓接觸力標(biāo)準(zhǔn)差減小約7%，后弓減小約11%。結(jié)合錨段關(guān)節(jié)接觸力分析結(jié)論，350 km/h速度等級彈性吊索長度為18 m，錨段關(guān)節(jié)安裝彈性吊索的接觸網(wǎng)全錨段弓網(wǎng)動態(tài)性能較好。

3 結(jié)論

從弓網(wǎng)受流可靠性角度，利用弓網(wǎng)動態(tài)仿真手段，建立彈性鏈型懸掛接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)仿真模型，分析彈性吊索對接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)弓網(wǎng)動態(tài)性能的影響，得到如下結(jié)論。

(1)250 km/h速度等級高速鐵路接觸網(wǎng)彈性吊索長度宜取14 m，張力宜取2.8 kN，錨段關(guān)節(jié)宜安裝彈性吊索。

(2)350 km/h速度等級高速鐵路接觸網(wǎng)彈性吊索長度宜取18 m，張力宜取3.5 kN，錨段關(guān)節(jié)宜安裝彈性吊索。