余綱

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

1 概述

國(guó)內(nèi)電氣化鐵路接觸網(wǎng)多采用鏈型懸掛，時(shí)速200km鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度一般不小于1400mm，隧道內(nèi)為減小接觸網(wǎng)對(duì)隧道的影響，降低隧道凈空高度，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度常采用950mm～1100mm[1-2]。降低接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度可降低隧道凈空高度，減少隧道開(kāi)挖，減少棄渣。近年來(lái)我國(guó)西部地區(qū)鐵路發(fā)展迅速，部分地區(qū)受地震、高海拔、惡劣氣候條件等因素的影響，隧道施工難度及環(huán)境保護(hù)問(wèn)題較為突出。近期開(kāi)工的某高原山區(qū)鐵路，隧道比例大于90%，最長(zhǎng)的易貢隧道達(dá)到42.6km[3]。以單線鉆爆法隧道為例，接觸網(wǎng)每減少100mm結(jié)構(gòu)高度，可減少約0.52m2斷面開(kāi)挖，每正線公里減少約0.31 萬(wàn)m3棄渣，可大幅減小施工安全風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)環(huán)境的影響。接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度受跨距、導(dǎo)線張力、最短吊弦、定位器長(zhǎng)度及拉出值等技術(shù)參數(shù)影響，進(jìn)而影響弓網(wǎng)關(guān)系和接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文通過(guò)計(jì)算和仿真，對(duì)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)及腕臂系統(tǒng)的力學(xué)性能進(jìn)行研究，從結(jié)構(gòu)適應(yīng)性角度提出時(shí)速200km 鐵路接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度選擇建議，可對(duì)山區(qū)復(fù)雜環(huán)境地區(qū)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)提供參考。

2 接觸網(wǎng)技術(shù)參數(shù)選取

國(guó)內(nèi)已開(kāi)通200km/h 及以上線路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)系統(tǒng)，均采用柔性架空接觸網(wǎng)；腕臂裝置主要采用三角支撐結(jié)構(gòu)，部分有采用整體腕臂、弓形腕臂形式；結(jié)構(gòu)高度一般不小于1000mm；海南環(huán)島等鐵路采用整體腕臂，其結(jié)構(gòu)高度950mm；隧道內(nèi)定位器采用限位定位器，定位器長(zhǎng)度一般為1050～1200mm；隧道內(nèi)最短吊弦長(zhǎng)度一般不小于450mm。

接觸網(wǎng)技術(shù)參數(shù)及設(shè)備選型參考西部高原某鐵路，承力索選用120mm2銅合金絞線，接觸線采用150mm2銅合金接觸線，導(dǎo)線張力組合選用15kN+20kN。

為減小結(jié)構(gòu)高度，選用結(jié)構(gòu)高度為950mm、750mm、550mm3種不同結(jié)構(gòu)高度的腕臂支持裝置進(jìn)行研究。分別確定相應(yīng)的腕臂支持裝置裝置的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)高度950mm時(shí)，采用目前有較多成熟應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的整體腕臂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)高度750mm 時(shí)采用目前時(shí)速160km 及以下鐵路有應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的加強(qiáng)型復(fù)合截面弓形腕臂，結(jié)構(gòu)高度550mm 采用弓形腕臂結(jié)構(gòu)[4-5]，見(jiàn)圖1。

圖1 不同結(jié)構(gòu)高度腕臂支撐裝置形式

3 小結(jié)構(gòu)高度對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的影響

接觸網(wǎng)采用小結(jié)構(gòu)高度，對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)主要影響是承力索及接觸線距離縮小引起吊弦長(zhǎng)度的縮短，進(jìn)而影響跨距長(zhǎng)度、拉出值及定位器長(zhǎng)度、接觸網(wǎng)弓網(wǎng)關(guān)系等。

3.1 對(duì)最短吊弦的影響

僅考慮柔性吊弦，為縮短吊弦長(zhǎng)度，可采用無(wú)螺栓吊弦，其主要結(jié)構(gòu)為線夾（模鍛）、載流環(huán)（雙）、U 型掛環(huán)。見(jiàn)圖2，導(dǎo)線中心至吊弦線夾高度約15mm，載流環(huán)最低折彎高度約45mm，壓接長(zhǎng)度約30mm。按不同運(yùn)行時(shí)速，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中吊弦處承力索與接觸線抬升最大差值20mm～50mm，僅考慮零部件本體結(jié)構(gòu)，柔性吊弦理論上最短長(zhǎng)度可縮短為約200mm～250mm。

圖2 典型無(wú)螺栓吊弦示意圖

按《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10009-2016）規(guī)定，時(shí)速200km 最短吊弦不應(yīng)小于400mm，隧道內(nèi)及跨線建筑物處最短吊弦可根據(jù)凈空情況酌情減小[6]。

柔性吊弦長(zhǎng)度縮短，通過(guò)減小柔性吊弦線長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)，易導(dǎo)致吊弦剛度變大。受風(fēng)、覆冰等環(huán)境因素及機(jī)車通過(guò)時(shí)受電弓抬升影響，接觸網(wǎng)振動(dòng)頻繁，吊弦剛性過(guò)大會(huì)對(duì)吊弦壽命及弓網(wǎng)關(guān)系有較大的影響。國(guó)內(nèi)時(shí)速200km 運(yùn)營(yíng)鐵路，隧道內(nèi)實(shí)際最短吊弦長(zhǎng)度一般不小于450mm[7]。

3.2 對(duì)跨距長(zhǎng)度影響

因結(jié)構(gòu)高度的減小，為保證跨中最短吊弦長(zhǎng)度，接觸網(wǎng)跨距也應(yīng)縮小。國(guó)內(nèi)鐵路隧道內(nèi)二襯一般通過(guò)臺(tái)車進(jìn)行混凝土澆筑，為施工和臺(tái)車開(kāi)孔方便，接觸網(wǎng)定位安裝點(diǎn)多位于臺(tái)車模板的固定位置，跨距長(zhǎng)度宜為臺(tái)車尺寸的倍數(shù)。按目前國(guó)內(nèi)最常用的12m 臺(tái)車尺寸，隧道內(nèi)承、導(dǎo)線采用15kN+20kN 張力組合，不同結(jié)構(gòu)高度接觸網(wǎng)最短吊弦及跨距組合計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1[8]。

表1 不同跨距和結(jié)構(gòu)高度最短吊弦

從表中數(shù)據(jù)可知，結(jié)構(gòu)高度減小后導(dǎo)致跨距縮短，單位長(zhǎng)度接觸網(wǎng)零部件及設(shè)備數(shù)量變大，增加了施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)的工作量。

3.3 對(duì)拉出值的影響

接觸網(wǎng)導(dǎo)線應(yīng)按定位器最佳受力狀態(tài)，根據(jù)跨距、接觸線線型和張力、定位點(diǎn)最大抬升量等因素計(jì)算確定拉出值。

以接觸線張力20kN、定位器長(zhǎng)度950mm 為例，計(jì)算不同跨距下的定位點(diǎn)最大拉出值，見(jiàn)表2。

結(jié)構(gòu)高度減小后，接觸網(wǎng)跨距縮小，會(huì)導(dǎo)致拉出值縮小。

我國(guó)目前國(guó)鐵上運(yùn)行的機(jī)車受電弓弓頭幾何外形符合UIC608 附4a 規(guī)定，弓頭的長(zhǎng)度一般為1950mm，受電弓單側(cè)有效工作范圍大于450mm。從表2 數(shù)據(jù)可知，采用小跨距時(shí)導(dǎo)線拉出值遠(yuǎn)小于受電弓有效工作范圍值，導(dǎo)線與機(jī)車受電弓摩擦范圍變小，縮短受電弓壽命。

表2 跨距及接觸網(wǎng)拉出值對(duì)照表

4 腕臂結(jié)構(gòu)力學(xué)性能

采用基于有限元原理MIDAS 結(jié)構(gòu)仿真軟件按結(jié)構(gòu)高度為950mm、750mm、550mm 的3 種腕臂支持裝置分別建立實(shí)體數(shù)學(xué)模型，對(duì)腕臂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形、腕臂支持裝置局部變形、腕臂支持裝置剛度進(jìn)行仿真計(jì)算和分析。腕臂結(jié)構(gòu)仿真接觸網(wǎng)輸入技術(shù)參數(shù)選取見(jiàn)表3。

表3 腕臂結(jié)構(gòu)仿真接觸網(wǎng)技術(shù)參數(shù)

4.1 腕臂應(yīng)力及變形

按《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件》TB/T 2075.1-2020 對(duì)腕臂支持裝置總體性能要求，計(jì)算確認(rèn)不同結(jié)構(gòu)腕臂支持裝置的靜態(tài)受力情況[9-10]。采用荷載分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算方法，恒荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.3，活荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.5，靜態(tài)荷載趨于動(dòng)態(tài)計(jì)算[7]。按《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》TB/T 2073-20210 規(guī)定，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值拉應(yīng)力不得小于67%的屈服強(qiáng)度，剪切應(yīng)力不得小于42%的屈服強(qiáng)度[11]。

腕臂管徑60mm 壁厚5.0mm，材質(zhì)Q355 低合金鋼，定位器的材料按照采用鋁合金5 系列，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值180MPa。

腕臂支持裝置關(guān)鍵單元為承力索座、定位支座及定位器本體，經(jīng)仿真計(jì)算后可知，三種結(jié)構(gòu)高度腕臂系統(tǒng)，其最大應(yīng)力均發(fā)生在定位器本體處。結(jié)構(gòu)高度550mm 的腕臂支撐裝置，最大應(yīng)力146MPa；結(jié)構(gòu)高度750mm 的腕臂支撐裝置，最大應(yīng)力131MPa；結(jié)構(gòu)高度950mm 的腕臂支持裝置，最大應(yīng)力132MPa。按相關(guān)零部件均采用規(guī)定材料的最大設(shè)計(jì)強(qiáng)度，3 種腕臂支撐裝置結(jié)構(gòu)關(guān)鍵單元局部受力及安全冗余度見(jiàn)表4，結(jié)構(gòu)高度越高腕臂支撐裝置，其關(guān)鍵單元所受的局部應(yīng)力越小，結(jié)構(gòu)的安全冗余度也越大。

表4 腕臂支持裝置局部應(yīng)力及安全冗余

4.2 腕臂支持裝置局部變形分析

采用與上述應(yīng)力研究相同技術(shù)參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)仿真計(jì)算輸出局部變形結(jié)果可知，腕臂支持裝置局部變形的關(guān)鍵單元位于承力索、定位支座及定位器本體，雖最大應(yīng)力均發(fā)生在定位器本體處，但腕臂支持裝置最大局部變形發(fā)生在不同的位置。

結(jié)構(gòu)高度550mm 腕臂支撐裝置，最大變形發(fā)生在承力索座處，變形量為1.9mm；結(jié)構(gòu)高度750mm 腕臂支撐裝置，最大的變形發(fā)生在定位管端部，變形量為5.9mm，承力索座處變形量為0.2mm；結(jié)構(gòu)高度950mm 腕臂支撐裝置，最大的變形發(fā)生在定位管與斜腕臂連接處，變形量為-1.09mm，承力索座處變形量為-0.85mm。3 種腕臂支撐結(jié)構(gòu)關(guān)鍵單元承力索座處最大變形量及安全冗余度見(jiàn)表5。

表5 腕臂支持裝置最大變形量及冗余度

從設(shè)備桿件局部變形允許量分析，腕臂支持裝置結(jié)構(gòu)高度越大，承力索座處的變形（撓度）呈下降趨勢(shì)，但因950mm結(jié)構(gòu)高度腕臂結(jié)構(gòu)為局部簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，另兩種為懸臂結(jié)構(gòu)，局部最大的變形點(diǎn)不在同一位置。

4.3 腕臂支持裝置剛度分析

為保障設(shè)備在運(yùn)輸、安裝中結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性，還需對(duì)腕臂支持裝置主桿件的剛度進(jìn)行分析和比較[12]。按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）中關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)桿件的長(zhǎng)細(xì)比規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，腕臂管長(zhǎng)細(xì)比不得大于150，越接近桿件剛度越差，見(jiàn)表6。

表6 受壓構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比容許值

對(duì)3 種腕臂支撐裝置鋼結(jié)構(gòu)桿件的長(zhǎng)細(xì)比進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表7。

表7 腕臂支持裝置主桿件剛度

從表7 可知，腕臂支持裝置結(jié)構(gòu)高度越大剛度越大。結(jié)構(gòu)高度550mm 時(shí)的弓型腕臂結(jié)構(gòu)剛度較差，若采用外徑60mm 的標(biāo)準(zhǔn)腕臂管，長(zhǎng)細(xì)比為108，采用外徑76mm 加強(qiáng)型腕臂管，調(diào)整腕臂結(jié)構(gòu)減小有效計(jì)算懸臂長(zhǎng)度可改善剛度，但效果仍較差；較結(jié)構(gòu)高度950mm 的整體腕臂結(jié)構(gòu)，其整體剛度下降64.7%。

5 結(jié)論

5.1 通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)高度對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)影響的分析可知，減小隧道內(nèi)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高度，會(huì)縮短跨中最短吊弦長(zhǎng)度，減小柔性吊弦剛度，影響設(shè)備使用壽命；最短吊弦縮短后需減小隧道內(nèi)跨距長(zhǎng)度，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備數(shù)量增加，增加投資和施工運(yùn)營(yíng)壓力；跨距減小導(dǎo)致導(dǎo)線拉出值減小，會(huì)縮短機(jī)車受電弓使用壽命。結(jié)構(gòu)高度的調(diào)整引起的定位點(diǎn)及增多、導(dǎo)線馳度變化等因素對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系的影響趨于惡化，其具體影響仍需進(jìn)一步研究。

5.2 通過(guò)3 種不同結(jié)構(gòu)高度腕臂支持裝置的應(yīng)力與變形、局部強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能的仿真計(jì)算和分析可知：結(jié)構(gòu)高度大的支持裝置在應(yīng)力指標(biāo)方面，體現(xiàn)出更高的安全可靠性，最大應(yīng)力定位器本體處，950mm 結(jié)構(gòu)高度安全性較750mm 及550mm 高19.4%和48.3%；支持裝置結(jié)構(gòu)高度增大，腕臂結(jié)構(gòu)相同部位的撓度和變形會(huì)隨之減小，但因結(jié)構(gòu)差異，局部最大變形位置可能不同，須根據(jù)變形量及關(guān)鍵單元位置等因素綜合判斷結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性；結(jié)構(gòu)高度大的腕臂結(jié)構(gòu)剛度更大，結(jié)構(gòu)高度550mm 弓型腕臂結(jié)構(gòu)剛度較差，較結(jié)構(gòu)高度750mm 的整體腕臂結(jié)構(gòu)，其整體剛度下降48.7%，較結(jié)構(gòu)高度950mm 的整體腕臂結(jié)構(gòu)，其整體剛度下降64.7%。

5.3 實(shí)際工程中如采用結(jié)構(gòu)高度550mm 腕臂系統(tǒng)，需采用設(shè)置支撐等措施改變腕臂支撐方式增大剛度，結(jié)構(gòu)的調(diào)整也需對(duì)承力索座、定位器支座等部分現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)零部件進(jìn)一步優(yōu)化和加強(qiáng)。

5.4 從接觸網(wǎng)支持結(jié)構(gòu)力學(xué)性能角度分析，在復(fù)雜山區(qū)時(shí)速200km 鐵路，可適當(dāng)減小接觸網(wǎng)低結(jié)構(gòu)高度，降低隧道施工難度和減輕環(huán)保壓力。