鐘永發(fā)

0 引言

我國幅員遼闊，地形復(fù)雜，部分特定區(qū)域大風(fēng)、臺(tái)風(fēng)天氣活動(dòng)頻繁，其中東南沿海和島嶼等地區(qū)鐵路受季節(jié)性臺(tái)風(fēng)影響嚴(yán)重，具有瞬時(shí)風(fēng)力較大的特點(diǎn)。近年來，隨著全球變暖等因素造成的大風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等極端天氣頻發(fā)，高速鐵路接觸網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行安全問題日益凸顯[1]。

臺(tái)風(fēng)“天兔”于2013 年9 月22 日在廣東省汕尾市南部沿海正面登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力14 級(jí)。受臺(tái)風(fēng)“天兔”的影響，廈深鐵路位于風(fēng)口上的長沙灣大橋上接觸網(wǎng)定位支座缺口處出現(xiàn)裂紋，定位器鉤變形開裂。超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”于2016 年9 月15 日在東南沿海福建廈門登陸，登陸時(shí)最大風(fēng)速63.1 m/s，臺(tái)風(fēng)造成沿海鐵路杭深線杏林—廈門區(qū)間接觸網(wǎng)嚴(yán)重?fù)p壞。臺(tái)風(fēng)對(duì)電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備具有較強(qiáng)的破壞性，嚴(yán)重影響鐵路的安全可靠運(yùn)行[2]。

簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備具有簡約化、零件集成化、連接可靠等優(yōu)點(diǎn)，已在京沈、京張、鹽通等高鐵線路應(yīng)用。為進(jìn)一步論證簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備在我國沿海等強(qiáng)臺(tái)風(fēng)環(huán)境下的運(yùn)行可靠性，有必要對(duì)其抗風(fēng)性能進(jìn)行研究。本文利用腕臂裝置幾何結(jié)構(gòu)校核計(jì)算、仿真分析、風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場試掛等方法，分析不同大風(fēng)參數(shù)下簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備的氣動(dòng)響應(yīng)，以驗(yàn)證簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備在沿海強(qiáng)風(fēng)區(qū)高鐵的適用性，對(duì)提高我國沿海高速鐵路接觸網(wǎng)的安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

1 腕臂力學(xué)性能分析

高速鐵路簡統(tǒng)化鋁合金腕臂定位裝置的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算在施加67 m/s 的風(fēng)速、無冰荷載的情況下進(jìn)行[3]，其簡化結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。

圖1 腕臂定位裝置簡化結(jié)構(gòu)尺寸（單位：mm）

1.1 接觸網(wǎng)設(shè)備所受的荷載與作用力系數(shù)

已知接觸網(wǎng)裝置的基本參數(shù)：接觸線與承力索的單位長度質(zhì)量分別為1.342 kg/m、1.059 kg/m，直徑為14.4 mm、14 mm，張力30 kN、21 kN，單位長度上的風(fēng)荷載44.4 N/m、43.2 N/m；拉出值為0.20 m；最大線路曲線半徑為10 000 m；跨距為50 m；接觸線+承力索單位長度重量為24 N/m。

接觸網(wǎng)設(shè)備所受水平荷載：承力索所受風(fēng)載荷FCAW= 2 160 N；接觸線所受風(fēng)載荷FCWW= 2 220 N；承力索的水平分力FCAH(導(dǎo)線的水平張力+曲線徑向荷載) = 336 N + 105 N = 441 N；接觸線的水平分力FCWH= (導(dǎo)線的水平張力 + 曲線徑向荷載) =496 N + 155 N = 651 N。

標(biāo)準(zhǔn)ENV 1993-1-1 中7.12 規(guī)定，作用力的局部系數(shù)和組合系數(shù)：固定作用力，增加應(yīng)力時(shí)γG為1.35，減少應(yīng)力時(shí)γG為1.00；變化作用力γQ為1.50；組合系數(shù)ψ0為0.60。

1.2 接觸網(wǎng)裝置的計(jì)算校核

1.2.1 平腕臂70×6，6082 高強(qiáng)管的校核

平腕臂所受內(nèi)力：

式中：VCW為腕臂裝置垂直荷載×局部系數(shù)；lA為平腕臂長度；FCW為水平荷載×局部系數(shù)；hA為結(jié)構(gòu)高度。

斜支撐所受內(nèi)力：

式中：l2-3與l1-2為圖1 中點(diǎn)2 至點(diǎn)3、點(diǎn)1 至點(diǎn)2的距離。

平腕臂屈服強(qiáng)度σf取310 N/mm2，局部系數(shù)γMO取1.1，腕臂材料本身塑性強(qiáng)度：

Npl,Rd=A·σf/γMO= 340 kN

腕臂材料本身抗彎（力）矩：

Mpl,Rd=Wpl·σf/γMO=6.95 kN·m

式中：A為平腕臂橫截面；Wpl為塑形截面模量。

平腕臂受拉或受壓時(shí)可應(yīng)用相互作用的關(guān)系式來校核：

Ftop/Npl,Rd+MB/Mpl,Rd= 0.163≤1.0

即平腕臂所承受的實(shí)際作用力Ftop和腕臂材料本身所具有的抗拉或抗壓性能Npl,Rd之間的比值，平腕臂所承受的實(shí)際彎（力）矩MB和腕臂自身所具有的抗彎（力）矩性能Mpl,Rd之間的比值，兩比值之和小于1，說明平腕臂符合使用要求。

1.2.2 斜腕臂70×6，6082 高強(qiáng)管的校核

斜腕臂的內(nèi)力：

無彎矩時(shí)，已知斜腕臂長度Sk= 3 611 mm，

1.2.3 斜腕臂定位管55×6，6082 高強(qiáng)管的校核

定位管所受內(nèi)力：

已知斜腕臂定位管Sk= 3 127 mm，i= 17.45 mm，參照1.2.2 節(jié)計(jì)算得X= 0.066＜1.0。已知鋁合金管抗彎/抗壓截面系數(shù)Ky= 1.50，可得

即定位管所承受的實(shí)際作用力和定位管材料本身所具有的抗拉或抗壓性能之間的比值，定位管所承受的實(shí)際彎（力）矩和定位管自身所具有的抗彎（力）矩性能之間的比值，兩比值之和小于1，符合使用要求。

1.2.4 斜支撐42×18，6082 T6 的校核

由1.2.1 節(jié)可知，斜支撐的內(nèi)力NSd=FD=-1 913 N；已知斜支撐Sk= 1 082 mm，i= 12.14 mm，結(jié)合1.2.2 節(jié)計(jì)算可得X= 0.28，NSd/NRd= 0.03＜1.0，即斜支撐所承受的實(shí)際作用力NSd和支撐材料本身所具有的抗拉或抗壓性能NRd之間的比值小于1，符合使用要求。

1.2.5 定位器38×4，6082 T6 的校核

定位器結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 所示。

圖2 定位器結(jié)構(gòu)簡圖（單位：mm）

已知Ky= 1.50，可得

即定位器所承受的實(shí)際作用力和定位器型材本身所具有的抗拉或抗壓性能之間的比值，定位器所承受的實(shí)際彎（力）矩和定位器自身所具有的抗彎（力）矩性能之間的比值，兩比值之和小于1，符合使用要求。

1.2.6 定位線夾，CuNi2Si R490 的校核

定位線夾的校核為根據(jù)結(jié)構(gòu)、尺寸驗(yàn)證定位銷釘連接薄弱處矩形截面（矩形截面疊加）的作用力性能，結(jié)構(gòu)尺寸見圖3。

圖3 定位線夾結(jié)構(gòu)簡圖（單位：mm）

由1.2.3 節(jié)可知，定位線夾內(nèi)力FSt= -4 209 N。定位線夾內(nèi)力矩：

已知定位線夾屈服強(qiáng)度σf= 370 N/mm2，計(jì)算可得Npl,Rd= 34.3 kN，Mpl,Rd= 114 N·m，則

即定位線夾所承受的實(shí)際作用力FSt和定位線夾材料本身所具有的抗拉或抗壓性能Npl,Rd之間的比值，定位線夾所承受的實(shí)際彎（力）矩MB6和定位線夾自身所具有的抗彎（力）矩性能Mpl,Rd之間的比值，兩比值之和小于1，符合使用要求。

通過以上結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算可得，在67 m/s 的風(fēng)速、無冰荷載作用下，簡統(tǒng)化腕臂定位裝置滿足使用要求。

2 氣動(dòng)仿真研究

建立簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備的氣動(dòng)力學(xué)仿真模型，進(jìn)行氣動(dòng)力學(xué)仿真，分析不同風(fēng)速及風(fēng)速角對(duì)簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備的影響[4]。

在不影響腕臂定位裝置空氣動(dòng)力學(xué)性能的前提下，采用三維軟件UG 對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)修正，計(jì)算域選擇長20 m，寬15 m，高15 m 的矩形區(qū)域。為便于靜力學(xué)分析，對(duì)模型中的螺栓進(jìn)行適當(dāng)處理。采用GAMBIT 軟件分別對(duì)各結(jié)構(gòu)流體域模型計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)構(gòu)附近采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，其余部分采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分[5]。簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備應(yīng)包含腕臂正定位裝置和腕臂反定位裝置兩種模型，由于腕臂反定位裝置的結(jié)構(gòu)尺寸較大，與腕臂正定位裝置相比受力狀況較差，因此本文以腕臂反定位裝置舉例說明。修正后用于空氣動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算的腕臂反定位裝置模型如圖4 所示。

圖4 簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)腕繴臂反定位裝置仿真模型

利用ANSYS 軟件流體單元對(duì)簡統(tǒng)化腕臂定位裝置，分別以0°、45°、90° 3 種迎風(fēng)角施加40、50、60、70 m/s 的風(fēng)速。風(fēng)速為70 m/s 時(shí)腕臂速度矢量及跡線如圖5 所示。

圖5 風(fēng)速70 m/s 時(shí)腕臂定位裝置速度矢量及跡線

通過分析得出，平均風(fēng)壓對(duì)腕臂定位裝置作用時(shí)，迎風(fēng)角0°時(shí)整體最大應(yīng)力相對(duì)90°和45°時(shí)大。風(fēng)速為70 m/s 時(shí)平均風(fēng)壓作用下腕臂定位裝置的位移云圖如圖6 所示。

圖6 平均風(fēng)壓作用下腕臂定位裝置的位移云圖

簡統(tǒng)化腕臂定位裝置在70 m/s 風(fēng)速時(shí)整體結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力（見表1），說明平均風(fēng)壓作用在腕臂上時(shí)簡統(tǒng)化腕臂定位裝置的結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度較高，其中最大應(yīng)力出現(xiàn)在定位器的定位線夾上。

表1 70 m/s 風(fēng)速對(duì)腕臂反定位裝置的應(yīng)力 MPa

3 風(fēng)洞試驗(yàn)研究

在氣動(dòng)仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用風(fēng)洞分析在人造風(fēng)場下的裝備抗風(fēng)性能。

風(fēng)洞試驗(yàn)室為可更換開/閉口試驗(yàn)段單回流式風(fēng)洞，閉口試驗(yàn)段的截面尺寸為8 m×6 m，最大風(fēng)速需滿足67 m/s 的要求。試驗(yàn)風(fēng)速采用階梯遞增，序列為50、56、62、65、67 m/s。按各風(fēng)速吹風(fēng)時(shí)，均測量應(yīng)變的穩(wěn)態(tài)值，采集頻率667 Hz，采集時(shí)間3 s；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到67 m/s 時(shí)，不僅需測量穩(wěn)態(tài)值，還需在該風(fēng)速下測量應(yīng)變隨時(shí)間變化的瞬時(shí)值，采集頻率200 Hz，采集時(shí)間10 s。

采用線路實(shí)際應(yīng)用的零件作為試驗(yàn)樣件，分別組合成典型結(jié)構(gòu)高度、拉出值的正反定位裝置，定位器通過定位線夾與定位器立柱連接固定，在承力索座處采用兩根斜拉線連接固定，拉線對(duì)承力索座的作用力應(yīng)與實(shí)際所受載荷相同。分別對(duì)0°、45°、90°迎風(fēng)角情況進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D7。

圖7 腕臂定位裝置在風(fēng)洞試驗(yàn)中的模型

試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）0°迎風(fēng)角時(shí)，腕臂定位裝置的應(yīng)力最大，隨著風(fēng)速增加，應(yīng)力增大，同等風(fēng)速條件下反定位腕臂裝置的應(yīng)力大于正定位腕臂裝置，且最大應(yīng)力均發(fā)生在定位器上。對(duì)于反定位腕臂定位裝置，0°迎風(fēng)角度，風(fēng)速67 m/s 時(shí)，最大應(yīng)力發(fā)生在定位器上表面，約為57.4 MPa（見表2），應(yīng)力性質(zhì)為剪切應(yīng)力。按3 倍安全系數(shù)的要求及零部件材料的屈服強(qiáng)度指標(biāo)考核，該值遠(yuǎn)小于310/3 = 103.3 MPa，零部件強(qiáng)度滿足要求。

表2 風(fēng)洞試驗(yàn)67 m/s 風(fēng)速時(shí)腕臂反定位裝置的應(yīng)力MPa

（2）在試驗(yàn)過程中，腕臂定位裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，未發(fā)生明顯振動(dòng)，即67 m/s 的瞬時(shí)風(fēng)速小于結(jié)構(gòu)破壞性最大瞬時(shí)風(fēng)速，腕臂定位裝置具有較大的安全裕量。

4 現(xiàn)場試掛驗(yàn)證

通過仿真與試驗(yàn)研究，論證了簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備在理論上具有較強(qiáng)的抗風(fēng)性能，但在強(qiáng)風(fēng)地區(qū)實(shí)際應(yīng)用前，仍需結(jié)合現(xiàn)場具體環(huán)境驗(yàn)證其實(shí)際效果。在既有沿海杭深鐵路選取4 個(gè)錨段進(jìn)行簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備的現(xiàn)場試掛。

對(duì)試掛錨段抗風(fēng)性能實(shí)施在線監(jiān)測，監(jiān)測定位點(diǎn)的垂向位移（圖8）。隨著風(fēng)速的增大，定位點(diǎn)產(chǎn)生一定垂向位移，經(jīng)實(shí)際檢測，當(dāng)瞬時(shí)風(fēng)速為30 m/s 時(shí)，引起的定位點(diǎn)最大垂向位移約為30 mm。

圖8 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)

試掛錨段接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測參數(shù)（含部分導(dǎo)高和拉出值）見表3，檢測周期為6 個(gè)月。可見簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)導(dǎo)高和拉出值的數(shù)值變化均在允許偏差范圍內(nèi)，運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)。

表3 簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)部分動(dòng)態(tài)檢測數(shù)據(jù) mm

通過6C 檢測數(shù)據(jù)比較試掛前后12 個(gè)月的接觸網(wǎng)錨段受電弓燃弧和接觸力指標(biāo)情況，試掛前傳統(tǒng)接觸網(wǎng)裝置受電弓燃弧超標(biāo)10 件、接觸力超標(biāo)29 件，試掛后簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝置受電弓燃弧超標(biāo)1件、接觸力超標(biāo)15 件。同時(shí)經(jīng)現(xiàn)場檢查，試掛錨段簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)零部件未出現(xiàn)裂紋、變形、松脫等情況，運(yùn)行狀況良好。

簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝置自2020 年12 月試掛運(yùn)行以來，通過在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)檢測分析、現(xiàn)場巡檢可以看出，簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備在福建沿海區(qū)域運(yùn)行數(shù)據(jù)穩(wěn)定、狀態(tài)良好，驗(yàn)證了簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備在沿海強(qiáng)風(fēng)區(qū)運(yùn)行的可靠性。

5 結(jié)語

通過開展高速鐵路簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備的抗風(fēng)性能研究，驗(yàn)證了高速鐵路簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備具有良好的抗風(fēng)能力，適用于我國沿海鐵路強(qiáng)風(fēng)環(huán)境，這對(duì)于完善高速鐵路簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備的適用范圍，保障高速鐵路接觸網(wǎng)在沿海地區(qū)的安全可靠運(yùn)行具有重要意義。