王玉環(huán),郭鳳平,周少喻,關(guān)金發(fā)

(1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043； 2.中國國家鐵路集團有限公司安全監(jiān)督管理局,北京 100844； 3.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 610031)

1 概述

隨著電氣化鐵路尤其高速鐵路的快速發(fā)展以及 “一帶一路”倡議的具體實施，我國內(nèi)陸、邊疆、沿海復(fù)雜生態(tài)環(huán)境下的電氣化鐵路加快了建設(shè)步伐。目前強風(fēng)地區(qū)高速鐵路的覆蓋率已達20%左右，以蘭新高鐵為例，現(xiàn)運營5年，歷時10個風(fēng)季，經(jīng)過諸多工程實踐，接觸網(wǎng)系統(tǒng)防風(fēng)技術(shù)有了更好的提升與突破，并形成了系列技術(shù)成果[1-2]，接觸網(wǎng)抗風(fēng)效果顯著，基本達到預(yù)期目標(biāo)。但因地形地貌、擋風(fēng)墻(屏)后方結(jié)構(gòu)氣動升力等因素引起接觸網(wǎng)設(shè)備及連接故障率頻發(fā)，其主要原因是基于接觸網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及層級的多樣性決定的[3-6]。目前接觸網(wǎng)風(fēng)致響應(yīng)的研究方法主要有基于風(fēng)速譜的模擬、數(shù)值仿真、氣動試驗和現(xiàn)場實測[7-12]。系統(tǒng)穩(wěn)定性一是取決于結(jié)構(gòu)能否抵抗外界的復(fù)雜環(huán)境的振蕩，保持能流穩(wěn)定；二是設(shè)備間的相互關(guān)聯(lián)的動態(tài)。從系統(tǒng)工程學(xué)可靠性角度，接觸網(wǎng)屬于“串連 ”關(guān)系，因此在滿足系統(tǒng)功能前提下組成系統(tǒng)的設(shè)備及元件越少越好，系統(tǒng)更易趨于穩(wěn)定。但是系統(tǒng)簡約化并不代表可靠性也隨之增高，二者相互關(guān)聯(lián)，因此研究適用于風(fēng)區(qū)特別是新疆特殊風(fēng)區(qū)的接觸網(wǎng)系統(tǒng)簡約化，保證系統(tǒng)能流穩(wěn)定是當(dāng)前鐵路牽引供電系統(tǒng)防風(fēng)研究的新課題，對進一步提升荒漠風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠性，減少運營維護工作量有著重要意義和社會價值。

2 接觸網(wǎng)系統(tǒng)簡約化原則

2.1 簡化結(jié)構(gòu)

運營實踐證明，在荒漠大風(fēng)等外部環(huán)境下，接觸網(wǎng)越簡潔，結(jié)構(gòu)及安裝、連接零部件越少，系統(tǒng)可靠性就越高。

2.2 可靠性

接觸網(wǎng)的可靠性設(shè)計是為了在設(shè)計過程中挖掘和確定隱患及薄弱環(huán)節(jié)，采取設(shè)計預(yù)防和設(shè)計改進措施[13-14]，提高接觸網(wǎng)的固有可靠性。

3 接觸網(wǎng)可簡約化的子系統(tǒng)

接觸網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)主要包括線索張力、錨段長度、跨距、結(jié)構(gòu)高度、拉出值、吊弦布置及錨固等[15]，其中錨固子系統(tǒng)作為接觸網(wǎng)的終端尤為重要，本節(jié)重點分析強風(fēng)地區(qū)接觸網(wǎng)補償錨固子系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)簡約化方案。

3.1 接觸網(wǎng)關(guān)節(jié)布置及全補償錨固子系統(tǒng)

在區(qū)間或站場上，根據(jù)供電和機械方面的要求，將接觸網(wǎng)分成眾多獨立的分段。錨段兩端的承力索和接觸線都直接或通過補償裝置固定到錨柱上[15-16]。接觸網(wǎng)錨固系統(tǒng)的組成：接觸網(wǎng)終端全補償錨固(含終端錨固線夾，補償裝置，墜砣限制架，墜砣串組件，補償裝置底座支架，拉線裝置等)，中心錨結(jié)無補償錨固(含中心錨結(jié)繩及其線夾，無補償下錨底座，拉線裝置等)[17-18]，詳見圖1。

圖1 接觸網(wǎng)錨固系統(tǒng)的組成

蘭新高鐵百里、三十里等風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)設(shè)計采用了FMECA故障模式影響及危害性的可靠性分析方法[13]，接觸網(wǎng)終端下錨布置采用分支延跨下錨方式，其優(yōu)點：一是降低支柱容量；二是故障導(dǎo)向集散薄弱環(huán)節(jié)；三是可提高系統(tǒng)可靠性，減少維修量，詳見圖2。

圖2 風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)延跨下錨關(guān)節(jié)布置(單位：mm)

3.2 錨固系統(tǒng)中的接觸網(wǎng)終端錨固

3.2.1 風(fēng)區(qū)補償裝置的應(yīng)用

錨固設(shè)計最重要的是補償裝置的選用，補償裝置即張力自動補償設(shè)備，根據(jù)線路技術(shù)條件、補償效率、運維便利性及經(jīng)濟性能確定。目前采用較多的為重力式補償如滑輪、棘輪補償，特殊區(qū)段可采用彈簧補償。近幾年開通的廣深港，海東環(huán)，蘭新鐵路及蘭新高鐵等風(fēng)區(qū)電氣化鐵路，接觸網(wǎng)終端錨固均采用帶制動功能的棘輪補償裝置。重力式補償其補償效率可達97%，比較適用于大張力系統(tǒng)，詳見圖3。

蘭新高鐵在設(shè)計前期針對接觸網(wǎng)抗風(fēng)研究建立多個科研項目，對補償裝置的選擇與抗風(fēng)及災(zāi)后修復(fù)能力等進行了系統(tǒng)性綜合研究，最終采用傳動比為1:3的棘輪補償裝置，目前運營狀態(tài)良好。為了減少摩擦耗能，新研制了防風(fēng)型導(dǎo)向式墜砣限制架，對提高棘輪補償裝置的抗風(fēng)及整體機械性能有一定的輔助作用。

圖3 風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)棘輪補償裝置

3.2.2 基于可靠性再分配原理的簡約化方法

接觸網(wǎng)為典型的串聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其錨固子系統(tǒng)中的補償裝置的復(fù)雜性直接決定了接觸網(wǎng)的可靠度。本次研究對風(fēng)區(qū)棘輪補償采用可靠性預(yù)計與可靠性分配的方法對系統(tǒng)分配及設(shè)備關(guān)系進行估計。根據(jù)歷史產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)、系統(tǒng)構(gòu)成和結(jié)構(gòu)特點及系統(tǒng)的工作環(huán)境來評價已運營系統(tǒng)可簡約化的程度。風(fēng)區(qū)棘輪補償裝置的故障模式統(tǒng)計詳見表1。

表1 風(fēng)區(qū)棘輪補償裝置組成及故障模式統(tǒng)計

3.2.3 終端錨固結(jié)構(gòu)的可靠性及簡約化設(shè)計

接觸網(wǎng)終端錨固系統(tǒng)按其結(jié)構(gòu)組成及功能實現(xiàn)流程來講，接觸網(wǎng)終端錨固系統(tǒng)由最小元器件構(gòu)成基本單元后串聯(lián)組成，所以每個基本單元的可靠度都會直接影響系統(tǒng)的可靠度。錨固系統(tǒng)可靠度計算如下所述。

(1)接觸網(wǎng)功能FMECA評估

FMECA故障模式分析方法，是比較適合于工程及機械組裝設(shè)備，按照其故障模式分析框架，通過建立樣本空間，統(tǒng)計、試驗、分析、預(yù)測等方式來獲取裝置應(yīng)用故障數(shù)據(jù)。

(2)棘輪補償可靠性模擬計算

接觸網(wǎng)的終端錨固系統(tǒng)可以分解為9個單元，給每個單元進行編碼，詳見式(1)。

(1)

在《接觸網(wǎng)防風(fēng)動態(tài)仿真技術(shù)研究及可靠性分析研究》研究報告及《高速接觸網(wǎng)可靠性綜合研究報告》鐵道部科技開發(fā)計劃(2011J023-A)中部分的可靠性研究數(shù)據(jù)參數(shù)可以采信[15]，詳見表2。

表2 接觸網(wǎng)設(shè)備的可靠性分配

根據(jù)零部件應(yīng)力分布，利用聯(lián)接方程計算，再利用正太分布，可計算承受徑向力或軸向力的零部件如桿件連接功能零部件的可靠度，聯(lián)接系數(shù)為

(2)

式中μδ——強度分布均值；

μs——應(yīng)力分布均值；

σδ——強度分布標(biāo)準差；

σs——應(yīng)力分布標(biāo)準差。

Rn=Φ(ZR)，符合標(biāo)準正態(tài)分布表的分布函數(shù)，可查表求得，并可模擬可靠性的變化趨勢。接觸網(wǎng)終端錨固主要零部件的可靠度詳見表3。

表3 接觸網(wǎng)終端錨固的可靠度(棘輪)

表3中，棘輪本體的可靠度為0.985 5，在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中比較核心的重要裝置，則錨固系統(tǒng)的可靠度為

(3)終端錨固系統(tǒng)簡約化設(shè)計

在強風(fēng)環(huán)境中，設(shè)備空間侵占越大其迎風(fēng)面越大，因此在錨固系統(tǒng)中零件及裝置結(jié)構(gòu)宜簡約，接觸網(wǎng)每個單元的可靠性都決定系統(tǒng)的可靠性。在滿足其功能且不降低可靠性的基礎(chǔ)上，改變?nèi)哂嗖季郑瑢崿F(xiàn)集成化，并可趨向簡約。

棘輪補償裝置組件、附件較多(限制架和墜砣等附件)，擬采用集成性較強、組件較少的彈簧補償裝置進行可靠技術(shù)對比，詳見圖4，采用彈簧補償器的單元可靠度詳見表4。

圖4 彈簧補償裝置

表4 接觸網(wǎng)終端錨固的可靠度(彈補)

如果采用彈簧補償器，終端錨固零部件的組成數(shù)量減少44.4%(基本連接單元)，可維護時間會大大縮減，可靠度計算如下

由上式計算可知，接觸網(wǎng)終端錨固系統(tǒng)采用彈補則可靠度為0.930 6，采用棘輪補償時可靠度為0.942 426，R彈補

(4)可靠性再分配與簡約化的可靠度保證

可靠性再分配是將工程設(shè)計規(guī)定的系統(tǒng)可靠度指標(biāo)合理分配各個子系統(tǒng)(或基本單元)，可靠性重新分配本質(zhì)是一個工程決策問題，應(yīng)從人力、技術(shù)、資源、時間等各個方面進行優(yōu)化。下面介紹系統(tǒng)可靠度再分配的過程及結(jié)果，接觸網(wǎng)終端錨固可靠性再分配引導(dǎo)流程，詳見圖5。

圖5 接觸網(wǎng)終端錨固可靠性再分配引導(dǎo)因素

(3)

1次可靠性再分配計算示例如下：

0.947 1

經(jīng)過系統(tǒng)可靠性再分配計算，原系統(tǒng)可靠度與再分配后的可靠度變化如表5所示。

表5 彈簧補償裝置可靠度再分配

進行2次資源再分配后，系統(tǒng)的可靠度分別為0.947 1及0.972 9，視為R0=R1，彈補錨固系統(tǒng)可靠度大于分配前棘輪錨固系統(tǒng)的可靠度，因此可視為分配成功，實現(xiàn)了接觸網(wǎng)錨固系統(tǒng)簡約化，工程設(shè)計時可按此可靠度進行選型。

4 補償裝置與中心錨接

強風(fēng)地區(qū)接觸網(wǎng)錨固主要是采用棘輪補償裝置及中心錨結(jié)，組成全補償錨固系統(tǒng)。若采用非恒張力彈簧補償裝置，可取消中心錨結(jié)，溫度變化后，彈簧補償系統(tǒng)的線索張力重新分配保證錨段兩端絕對平衡。但要驗證采用彈簧及棘輪補償有、無中心錨接的情況下的弓網(wǎng)動態(tài)性能是否發(fā)生巨大變化。利用弓網(wǎng)仿真手段[19-20]，建立彈簧補償系統(tǒng)與棘輪補償系統(tǒng)的弓網(wǎng)仿真模型，生成接觸力曲線對比，詳見圖6。

圖6 彈簧和棘輪補償系統(tǒng)的雙弓接觸力曲線

經(jīng)弓網(wǎng)動態(tài)仿真，得到兩種不同補償裝置的接觸網(wǎng)系統(tǒng)的接觸力及振動結(jié)果，觀察雙弓的接觸力曲線，基本重合，說明無中心錨結(jié)的彈簧補償系統(tǒng)與棘輪補償系統(tǒng)弓網(wǎng)動態(tài)性能差異很小。

5 結(jié)論

本文采用機械可靠性的可靠度再分配數(shù)理分析方法，將優(yōu)化后的各組成部分可靠度重新分配，利于補償裝置的選型、設(shè)計，更利于強風(fēng)區(qū)段接觸網(wǎng)的補償錨固系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡約化。同時采用成熟可靠的弓網(wǎng)動態(tài)仿真手段，論證不同補償裝置下的中心錨結(jié)取舍的可行性。采用彈簧補償器，終端錨固零部件的組成數(shù)量減少44.4%(基本連接單元)，相同的技術(shù)參數(shù)下，經(jīng)接觸網(wǎng)靜動態(tài)計算結(jié)果及分析，并與棘輪補償系統(tǒng)作對比，使用非恒張力彈簧補償裝置，減少中心錨結(jié)的接觸網(wǎng)，在考慮溫差變化時，可滿足弓網(wǎng)靜動態(tài)性能要求。因此建議將采用非恒張力彈簧補償裝置、減少中心錨結(jié)結(jié)構(gòu)作為一項接觸網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)簡約化措施，可進行工程對比實驗驗證。