强风区接触网腕臂支持结构方案探讨

王玉环,田志军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

目前南疆线前百公里风区,兰新线安西、烟墩、百里、三十里风区及达坂城、阿拉山口风口,风区总长度约 508.2km。特别是百里风区内大风频繁、风力强劲、风力变化剧烈,最大瞬时风速超过 60m/s,大风破坏铁路设施、吹翻列车等事故时有发生,严重影响旅客出行,给铁路运输造成了重大损失。强风沙环境下,不同类型挡风墙对接触网的气动性能及弓网耦合的影响很大,大风对接触网的稳定性和弓网受流性能产生的影响的系统性研究是非常有必要的,特别是腕臂支持结构,接触网系统中腕臂支持结构是保证接触网稳定运行的最基本的单元,用于悬挂、支撑接触网,无备用。从可靠性角度讲接触网系统是串联结构,腕臂作为接触网系统的子系统是非常重要的。它的可靠度直接影响整个接触网系统的可靠性。

新疆铁路大风主要有以下特点,一是风速高,百里风区最大风速达 60m/s(17级),十三间房附近风力最大,东西两端递减;前百公里风区最大风速达 64m/s(超过 17级),铁泉附近风力最大,自东向西递减。二是风期长,主要风口年均大风天数相当高,大于 8级风的大风天数百里风区为 96d、前百公里风区为 156d。三是季节性强,每年冬春交替季节大风最为集中,占全年大风天数的 30%以上,风速也最大,秋冬交替季节大风天气也较多。四是风向稳定,风区大风主要受寒潮天气影响,因素单一,加之区域辽阔平坦,每次大风所经路线较为固定,主风向为西北风。五是起风速度快,在 15～40min内风速可由 0～5m/s迅速增加到19～20m/s以上。

2 国内外典型腕臂支持结构形式

国外电气化铁路中,德国、法国、日本 3个国家的接触网系统各自不同。在我国的电气化铁路建设项目中,接触网系统技术指标及性能与国外有所不同,同等速度级别的铁路对于接触网系统而言国内的技术指标及性能的要求往往高于国外。鉴于现状,如何在国外电气化铁路接触网零件的基础上,结合我国实际情况,根据各地区不同的自然环境,研究出机械性能高、又符合我国大风沙自然环境的电气化铁路接触网零件就十分重要。

对于国外情况,日本是多灾(海风、地震)地区,接触网抗风系统的研究比较全面,大风情况与我国有相似之处,但其处于沿海地区,空气潮湿、盐害严重,所以其主要在防风、抗振及抗腐蚀性能进行研究并付诸于工程实施。而对于我国新疆地区,强风中夹杂沙石,温差大,温度骤变等环境条件更为恶劣。目前电气化铁路接触网典型的腕臂安装主要方式有 4种,中国系旋转平腕臂,德国系旋转平腕臂,法国锐角三角形腕臂,日本旋转整体腕臂。

2.1 中国式平腕臂安装

图1中旋转平腕臂方式为在原德国制式上改进的方式,目前应用比较广泛。但是这种方式仅在普通气候条件下使用,国内外尚无用于大风灾害地区的实例,大风区段接触网上部支持结构要有足够的强度及刚性以抵抗强风荷载作用,这种普通的腕臂组合方式铰接连接点多,整体的刚性较差。在瞬时大风作用下,接触线及承力索处水平荷载大,所以要求旋转腕臂结构要具备足够的强度及刚度,以承受由大风引起的动荷及冲击作用。

2.2 德国式平腕臂

德国系列腕臂安装多采用管径 70mm的铝合金腕臂管及铝合金件,与腕臂连接的零部件均采用不锈钢 U栓连接,承力索座设在腕臂端头。从力学角度分析承力索悬挂在此处结构变形较小(无悬臂端),平腕臂无附加弯矩。这种方式设计较严谨,承力索悬挂无调节余量,要求施工精度高,不利系统累计误差消除。

图1 中国式平腕臂安装

图2 德国式平腕臂安装

2.3 法国式锐角三角形腕臂结构

图3中旋转腕臂结构为锐角三角形结构,若将压管改成平腕臂结构,此种锐角结构方式要比平腕臂结构稳定。但是该结构中承力索采用套管绞环及鞍子固定(图4),由于强风作用,承力索强烈舞动使鞍子与套管绞环铰接处的疲劳会迅速增加,旋起的细沙在铰接处堆积,在长期的累积作用下细沙会对零部件镀锌表面产生摩擦磨损,加剧零件锈蚀,短时间内会大大削弱零件的强度。沙粒磨损机理见图4。另外,在施工过程中承力索位置调节及误差消除困难,预配后支持结构对侧面限界的适应性差,结构高度较难保持一致,增加了腕臂预配、调节等施工难度。

图3 法国式锐角三角形腕臂

图4 套管绞环及鞍子

3 日本旋转整体腕臂

日本防风系统中腕臂多采用整体结构,正反定位均采用整体弯制定位管、腕臂结构(图5)。连接零件多采用型材加工,承力索座采用不可旋转的型材弯制结构形式。定位器采用弧形带弹簧限位定位器,定位器端部采用平销轴与垂直销轴连接,端部连接可靠,不会引起脱钩或烧蚀现象。腕臂管一般采用无缝钢管制造。为了防止定位管在大风时过度上抬,定位管与斜腕臂、平腕臂之间刚性连接,腕臂稳定性较强,而且在强风舞动状态下定位器定位图失效或定位器偏转较大的情况下,可有效防止导线翻至定位管上。

图5 日本防风系统中中间柱腕臂正、反定位安装

日本原系统整体腕臂结构中弯制腕臂制造及安装精度较高,无调整余量,在线路条件不稳定、土建施工误差及接触网施工误差累积后,若调整量不足会引起构件间内力作用产生变形,在一定程度上影响设计及施工周期。日本原系统承力索座(图6)不能旋转,导线温胀引起的切向力产生的扭转由其底部的焊接筋板承受。其他零部件大多采用型材加工的抱箍式结构(图7),抱箍式零部件由于与腕臂连接的接触面积较大,抗滑性能较好。

图6 承力索座

图7 抱箍类零件

4 风沙作用机理及对接触网支持结构的影响

4.1 接触网在风场中的振动形式

接触网在风场中的振动形式主要有微风振动、舞动、次档距振荡(尾流振荡)。微风振动主要是由风引起导线的周期性振动。对导线及零部件的破坏形式可以分成两大类:疲劳损坏和磨损损坏。两种损坏都是渐进的和长期的,并且同时发生。

舞动一般来说是指导线在不对称覆冰及风力的共同作用下引起的一种低频率、大振幅的振动现象。引起导线舞动的因素主要有两个大方面。在新疆地区气候干燥,雨水较少,风期内导线覆冰的可能性很小,所以在百里风区内导线的舞动主要是由于后者引起的,但也不排除覆冰的影响。舞动的能量很大,持续时间也较长,一旦发生舞动,可能会造成零部件短时间内破坏,导线断裂,甚至支柱折断等重大事故。

次档距振荡是指风的尾流效应引起的导线在相邻跨距内的水平振动,通过改变相邻跨距(不等跨布置)可降低次档距振荡的影响。

4.2 风沙作用于上部支持结构及零部件的机理

由于新疆地区风沙频繁,零部件除承受接触网作用外载荷、风荷载、螺栓预紧力、自身重量等还必须考虑沙粒冲击作用。

新疆地区风沙作用:主要是风蚀与风积作用。风蚀作用是风和风沙流对地表物质的吹蚀和磨蚀作用。风积作用为风沙流运行过程中,由于风力减缓或地面障碍等原因,使风沙流中沙粒发生沉降堆积时称风积作用。经风力搬运、堆积的物质称为风积物。由于上部支持结构中主要零部件的悬挂高度均在 5～8m(距轨面),所以主要零部件,如接触网旋转腕臂底座、定位器本体与支座铰接处、承力索座等都要考虑风积作用。

4.3 悬挂点处“波节点”及“波腹点”的影响

研究发现,导线振动时有一个规律,导线上有些点做上下运动,这些点称为“波腹点”,而另外一些点,却不发生位移,维持在原来平衡点上,这些点称为“波节点”。“波节点”在振动中被反复弯折,使“波节点”处导线产生疲劳,易导致断股、断线。而悬挂点两侧导线,不论在什么频率下振动,始终为“波节点”。所以在承力索悬挂点处要采取措施以减少“波节点”及“波腹点”的影响。

5 防风型支持结构及与日本腕臂技术的比较

5.1 防风型腕臂结构

综合国内、外接触网上部支持结构的优缺点及新疆大风区的特殊环境,针对我国的接触网施工工艺、施工工法、工程周期及制造方法,我们提出新的适合于我国国情、安全可靠的防风型旋转腕臂安装组合形式。

结构形式:采用整体式三角旋转腕臂,典型的安装见图8、图9。

图8 正定位安装示意

图9 反定位安装示意

结构组成:水平腕臂、斜腕臂、定位管、腕臂支撑、抱箍双耳、承力索座、定位器及定位线夹等。

5.2 防风型腕臂与日本大风系统腕臂、普通型腕臂技术比较(表1)

表1 防风型腕臂主要加强措施比较

5.3 防风型腕臂主要特点

(1)腕臂装置采用整体连接,腕臂与定位管连接为整体结构,弯型结构提高了腕臂装置整体的连接强度,稳定性较好,刚性大,可将接触网作用的荷载有效的传递给支柱及基础,也使腕臂装置在大风环境下具有高可靠性。可有效避免定位管脱落、跳起,正定位采用垂直弯管型整体定位管,在强风舞动状态下定位器定位失效或定位器偏转较大的情况下,可有效防止导线翻至定位管上端。

(2)定位管及腕臂的折弯角度≥90°,反定位处弯型连接可以调节,便于施工调整。

(3)减少连接点,降低了故障率。

(4)腕臂间设腕臂支撑既增加了腕臂结构稳定性,又提高了绝缘子与腕臂连接点的强度。

(5)采用整体定位管和整体腕臂以减少连接点,减小了风积作用几率。

(6)承力索座可旋转,与腕臂采用销栓连接,无滑移现象。

(7)承力索座两端设连续预绞丝或缠缚保护条。其次,承力索座处考虑冗余设计:承力索座处承力索两侧敷设预绞丝,以减少该位置导线长期舞动引起的疲劳断线影响或承力索座内设预绞丝对导线起保护作用,削弱承力索悬挂点处的应力集中(图10)。

图10 承力索座处保护及冗余结构

5.4 防风型腕臂力学技术要求

(1)腕臂支持结构校验风荷载条件(表2数据从新疆气象局及风场模拟试验所得)

表2 兰新线和南疆线大风区段接触网设计风速取值

(2)腕臂管上承受风压计算

当风向垂直线路吹时(图11),下锚处最远端的转换腕臂柱偏角最大,见表3,承受风荷载也最大。当风向为顺线路方向吹时,中心锚结处腕臂管承受风荷载最大。

图11 风作用与腕臂管

表3 腕臂最大偏角α

腕臂管上承受风压计算(表4、表5)。

表4 南疆线腕臂管上风荷载

表5 兰新线腕臂管上风荷载

(3)防风型腕臂正、反定位有限元分析

利用 ANSYS结构分析软件,将接触网所受外部荷载、腕臂结构的风荷载及风场中动荷载影响因素加载于腕臂支持结构上,通过有限元法分析腕臂支持结构整体稳定性。ANSYS结构分析截图见图12、图13,从图12、图13可以读取相关节点受力信息及腕臂变形趋势。通过有限元法对此三角平面桁架结构分析,定位器处受力最大为 2.997kN,平腕臂垂直挠度变形为1.5mm(侧面限界 3.1m)。在强风区定位器为关键性零件,其力学指标均能满足定位器的技术条件(最大工作荷重按 3.8kN设计)。腕臂的挠度也满足1.5L%的设计要求,腕臂支持结构稳定检算见表6。

图12 正定位

图13 反定位

表6 腕臂支持结构稳定检算

6 结论

综上所述,新疆强风地区接触网腕臂支持结构的稳定性非常重要。在多方考察并了解多风灾国家的电气化铁路接触网的腕臂结构形式前提下,结合我国新疆强风区的气候特点,提出防风型腕臂结构形式,通过ANSYS软件分析获取了各结点处的力学指标,腕臂变形也满足规范要求。此种腕臂结构均能满足强风区的相关技术条件,各零部件的连接结点的力学指标也满足设计要求。根据 ANSYS结构分析所提出腕臂支持结构及各零部件的力学指标,可作为疲劳试验条件的参考值。

[1]中铁电化局译.电气化铁道接触网[M].北京:中国电力出版社,2004.

[2]李国强,黄宏伟,等.工程结构荷载与可靠度设计原理[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[3]郭应龙,李国兴,等.输电线路舞动[M].北京:中国电力出版社,2003.