李業(yè)強(qiáng)

0 引言

良好的弓網(wǎng)關(guān)系是保證高速鐵路安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵之一，受流質(zhì)量是評(píng)判接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要依據(jù)[1]。接觸導(dǎo)線通過(guò)定位裝置固定并與受電弓相互作用，與鋁合金腕臂相匹配的定位裝置由定位管、旋轉(zhuǎn)雙耳、定位支座、定位器、定位線夾、定位管吊線（或定位管支撐）等組成。高速鐵路腕臂定位裝置的定位管與斜腕臂之間一般優(yōu)先采用吊線安裝，目的是將定位管所受的動(dòng)荷載由吊線承擔(dān)，減小對(duì)剛性連接零件的疲勞損傷[2]。

目前對(duì)定位器坡度方面的研究較多[3]，對(duì)改善定位器坡度提出了很多優(yōu)化措施，但對(duì)定位裝置整體的受力狀態(tài)研究較少，導(dǎo)致在部分曲線區(qū)段按常規(guī)設(shè)計(jì)參數(shù)安裝時(shí)存在定位管吊線不受力的情況，給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)不便[4]。對(duì)于直線區(qū)段，定位器坡度及定位管吊線受力狀態(tài)良好，故本文重點(diǎn)對(duì)曲線區(qū)段定位器、定位管及吊線受力狀態(tài)進(jìn)行分析，研究影響其受力的關(guān)鍵參數(shù)，并提出優(yōu)化安裝建議。

1 接觸線張力的垂直分力和水平分力

1.1 接觸線張力的垂直分力

作用在接觸線上的張力在高度方向發(fā)生變化時(shí)將對(duì)定位點(diǎn)產(chǎn)生垂直分力[5]。如圖1所示，選取定位點(diǎn)及其兩側(cè)第一吊弦點(diǎn)為研究對(duì)象進(jìn)行分析計(jì)算。

圖1 定位點(diǎn)與吊弦點(diǎn)間高差對(duì)垂直力的影響

圖中：H、H1、H2分別為定位點(diǎn)和左、右第一吊弦點(diǎn)處的接觸線高度；d1、d2分別為左、右第一吊弦點(diǎn)與定位點(diǎn)之間距離；Tc、Tc1、Tc2分別為定位點(diǎn)及左、右第一吊弦點(diǎn)處的垂直力；Ts為施加在接觸線上的張力，即水平作用力。設(shè)定G＇為接觸線單位長(zhǎng)度重量，則有

在曲線區(qū)段，當(dāng)拉出值分別在曲線兩側(cè)設(shè)置時(shí)，受外軌超高的影響，接觸線上的張力在高度方向發(fā)生變化，將產(chǎn)生垂直分力。以曲線工況曲外正定位、曲內(nèi)正定位拉出值正、反交替的情況為例進(jìn)行分析，如圖2所示，選取定位點(diǎn)B及其兩側(cè)定位點(diǎn)A（C）為研究對(duì)象進(jìn)行分析計(jì)算。

圖2中：a、b、c分別表示定位點(diǎn)處的拉出值；l1、l2表示跨距；Ts為接觸線張力；h為外軌超高；S為軌距；R為曲線半徑。根據(jù)上文的分析可知定位點(diǎn)B處的接觸線對(duì)其產(chǎn)生的垂直力FfCB為

圖2 曲線工況垂直分力

由式（2）可知，接觸線因高度變化產(chǎn)生的垂直分力與外軌超高、拉出值、跨距、接觸線張力有關(guān)。相同工況下，對(duì)于曲外正定位，接觸線張力的附加垂直分力方向向下，而對(duì)于曲內(nèi)正定位，接觸線張力的附加垂直分力方向向上，二者大小相等。

1.2 接觸線張力的水平分力

作用在接觸線上的張力在水平方向位置改變時(shí)將產(chǎn)生水平分力Fis。如圖3所示，對(duì)曲線區(qū)段兩種工況下的接觸線轉(zhuǎn)角進(jìn)行分析。

圖3 曲線工況水平分力

曲外正定位：

曲內(nèi)正定位：

式中：γ11、γ21及γ12、γ22分別為曲外或曲內(nèi)正定位接觸線的水平偏移角度；li、li+1分別表示定位點(diǎn)i相鄰兩側(cè)跨距。

由式（3）、式（4）可知，相比曲線拉出值同側(cè)設(shè)置，當(dāng)拉出值在曲線兩側(cè)設(shè)置時(shí)，曲外正定位水平力有所增大，而曲內(nèi)正定位水平力有所減小。

2 定位管吊線受力分析

研究定位管吊線的受力情況，主要是判斷定位管在受靜態(tài)水平力和垂直力作用下是否有向上的旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，用定位管彎矩來(lái)表征吊線受力狀態(tài)。圖4所示為最容易出現(xiàn)上述情況的兩種工況的定位裝置等效受力模型。其中，定位器所受水平力為Fs，由接觸線重力引起的垂直分力為Fgc，由接觸線高度變化引起的垂直分力為Ffc，定位管吊線受力Fd，定位管（含旋轉(zhuǎn)雙耳）重力為Gg，定位裝置（含定位支座）重力為Gd，m為定位鉤與定位支座接觸點(diǎn)至定位管鉸接點(diǎn)O的水平距離，n為定位鉤與定位支座接觸點(diǎn)至定位管鉸接點(diǎn)O的垂直距離，Lg為定位管（含旋轉(zhuǎn)雙耳）重心至定位管鉸接點(diǎn)O的水平距離，r為定位管吊線固定點(diǎn)對(duì)定位管鉸接點(diǎn)O的力臂。

圖4 定位管受力分析

從受力分析可知，由于曲外正定位水平力較大，而曲內(nèi)正定位存在與重力方向相反的附加垂直分力，此兩種工況會(huì)造成定位管向上旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，可能出現(xiàn)定位管吊線不受力的情況。對(duì)于曲線反定位的工況，由于水平力對(duì)定位管產(chǎn)生的彎矩與重力方向相同，理論上不會(huì)出現(xiàn)定位管吊線不受力的情況（工程實(shí)際情況與理論分析也是一致的）。

以曲外正定位為例，對(duì)定位管的鉸接點(diǎn)取矩，定位管所受彎矩Mo為

若[(Ffc+Fgc+Gd)m+GgLg]≤Fsn，定位管將產(chǎn)生逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)，則定位管吊線不受力；反之定位管吊線受力為Fd= [(Ffc+Fgc+Gd)m+GgLg?Fsn]/r。

3 實(shí)例分析

由上文分析可知，定位管吊線的受力狀態(tài)是由定位管、定位器的水平力和垂直力決定的，而水平力和垂直力又與曲線半徑、外軌超高、第一吊弦點(diǎn)位置、定位裝置的安裝結(jié)構(gòu)尺寸等密切相關(guān)。下文以某高速鐵路（導(dǎo)線類(lèi)型及張力配置：JTMH120（21 kN）+CTMH150（30 kN））為例進(jìn)行計(jì)算，研究上述參數(shù)對(duì)定位管吊線受力的影響，其主要工況及腕臂預(yù)配參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 曲線半徑與外軌超高情況

表2 腕臂安裝參數(shù) m

3.1 定位管彎矩與曲線半徑及外軌超高的關(guān)系

根據(jù)表1、表2中的數(shù)據(jù)計(jì)算定位管彎矩與4種曲線半徑對(duì)于不同外軌超高等工況之間的關(guān)系，用定位管彎矩來(lái)表征吊線受力狀態(tài)，如圖5所示，其中第一吊弦點(diǎn)距離d= 5 m。圖中：橫坐標(biāo)表示外軌超高，m；縱坐標(biāo)表示定位管彎矩，N·m。

由圖5可以看出：曲外正定位定位管彎矩與外軌超高成正比，曲內(nèi)正定位定位管彎矩與外軌超高成反比；對(duì)于曲外正定位，在曲線半徑R≤5 500 m的工況下定位管彎矩出現(xiàn)負(fù)值，即定位管吊線處于不受力狀態(tài)；對(duì)于曲內(nèi)正定位，在各種曲線半徑、外軌超高工況下，定位管彎矩均為正值，定位管吊線均能夠處于受力狀態(tài)。

圖5 定位管彎矩與曲線半徑及外軌超高的關(guān)系

3.2 定位管彎矩與第一吊弦點(diǎn)位置的關(guān)系

以3.1節(jié)中吊線受力狀態(tài)欠佳的工況為研究對(duì)象，分析第一吊弦點(diǎn)的位置對(duì)其的影響，如圖6所示，其中第一吊弦點(diǎn)距離d范圍為4～7 m。圖中：橫坐標(biāo)表示第一吊弦點(diǎn)距離，m；縱坐標(biāo)表示定位管彎矩，N·m；h為外軌超高。

由圖6可以看出，定位管彎矩與第一吊弦點(diǎn)的位置成正比。增大第一吊弦點(diǎn)與定位點(diǎn)的距離可改善定位管吊線受力狀態(tài)，但對(duì)于曲線半徑R≤5 500 m的曲外正定位工況，結(jié)合上一節(jié)中定位管彎矩與外軌超高的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)調(diào)整第一吊弦點(diǎn)的位置不能完全改變定位管吊線的受力狀態(tài)。

圖6 定位管彎矩與曲線半徑及第一吊弦點(diǎn)位置的關(guān)系

3.3 定位管彎矩與腕臂安裝參數(shù)的關(guān)系

3.3.1 拉出值

由上文分析可知，定位管彎矩與拉出值大小有關(guān)，根據(jù)表1、表2的數(shù)據(jù)計(jì)算定位管彎矩與拉出值的關(guān)系，所分析的懸掛點(diǎn)兩側(cè)拉出值a=c= 0.2 m，懸掛點(diǎn)處拉出值b在0.17～0.23 m變化，如圖7所示。圖中：橫坐標(biāo)表示拉出值b，m；縱坐標(biāo)表示定位管彎矩，N·m。

由圖7可以看出，定位管彎矩與定位點(diǎn)處的拉出值b成反比。在滿(mǎn)足定位器坡度及誤差允許條件下，可適當(dāng)減小拉出值b值來(lái)改善定位管吊線的受力狀態(tài)。

圖7 定位管彎矩與拉出值的關(guān)系（d = 5 m）

3.3.2 定位管長(zhǎng)度

由式（5）可知，定位管彎矩與定位管長(zhǎng)度有關(guān)，根據(jù)表1、表2的數(shù)據(jù)計(jì)算定位管彎矩與其的關(guān)系，如圖8所示。圖中：橫坐標(biāo)表示定位管長(zhǎng)度，m；縱坐標(biāo)表示定位管彎矩，N·m。

由圖8可以看出，定位管彎矩與定位管的長(zhǎng)度成正比。適當(dāng)加長(zhǎng)定位管長(zhǎng)度可改善定位管吊線受力情況，但定位管長(zhǎng)度受限于上、下行帶電體間距離、安裝結(jié)構(gòu)尺寸統(tǒng)一等影響，不宜過(guò)長(zhǎng)。

圖8 定位管彎矩與定位管長(zhǎng)度的關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

基于對(duì)接觸網(wǎng)定位裝置模型的受力分析可知，定位管吊線的靜態(tài)受力狀態(tài)與曲線半徑、外軌超高、定位器所受的水平力和垂直力、第一吊弦點(diǎn)位置、定位裝置的安裝結(jié)構(gòu)尺寸等密切相關(guān)。本文研究了高速鐵路曲線區(qū)段定位管吊線的實(shí)際受力狀態(tài)并給出相關(guān)參數(shù)優(yōu)化調(diào)整建議，為接觸網(wǎng)腕臂和定位裝置精確預(yù)配及吊弦計(jì)算提供理論支撐，可以進(jìn)一步統(tǒng)一接觸網(wǎng)安裝形式以便于施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于曲線半徑為5 000～5 500 m的曲線區(qū)段，曲外正定位安裝形式下定位管吊線更容易出現(xiàn)不受力情況；對(duì)于曲線半徑為7 000～10 000 m的曲線區(qū)段，曲內(nèi)正定位安裝形式定位管吊線受力較小，更容易出現(xiàn)不受力情況。根據(jù)研究結(jié)果，對(duì)后續(xù)高鐵項(xiàng)目的定位管固定方式提出以下建議：

（1）對(duì)于曲線半徑R≤5 500 m的區(qū)段，調(diào)整第一吊弦點(diǎn)位置、拉出值等對(duì)定位管吊線受力狀態(tài)改善不明顯；為降低施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整難度及工作量，建議將曲線半徑R≤5 500 m區(qū)段的曲外正定位定位管吊線改為定位管支撐固定，其他情況均采用定位管吊線形式。

（2）現(xiàn)場(chǎng)施工中若出現(xiàn)定位管吊線受力較小或處于臨界狀態(tài)的情況，可以采取適當(dāng)減小該定位點(diǎn)處拉出值或減小相鄰定位點(diǎn)拉出值的措施，亦可采取增加第一吊弦點(diǎn)間距或適當(dāng)增加定位管長(zhǎng)度的調(diào)整方案。