兰新高铁大风区接触网正馈线悬挂结构适应性分析

王玉环

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

新疆大风特点表现为大风作用频繁、风力强劲、风力变化急剧且定向性极强，最大瞬时风速达64 m/s。8级以上大风天数平均超过100 d，12级及以上持续时间最长40 h，其中以百里、三十里风区的风力最为恶劣，曾发生吹翻列车、摧毁铁路设备重大事故。试验和运行经验表明，兰新高铁接触网附加导线受大风影响问题突出，附加导线因大风引起接地短路、断线、磨损等事故的风险很大。

1 大风区段挡风墙设置及对AF线的影响

挡风墙可以阻断砂积，确保列车运行安全，但“防车不防网”设置的挡风墙对接触网附加导线则是恶化作用[1-2]。

挡风墙根据空气动力学原理设置，来风在墙后方出现分离和附着上、下干扰气流，附着型气流的风速及湍流度大大减小，涡流消除。而分离气流则沿墙体上升，在墙后方形成气动升力及不稳定尾流，详见图1。

图1 挡风墙处气流分布示意

1.1 挡风墙主要类型及布置关系

路基挡风墙主要是柱板式结构，桥梁上为镂空钢板挡风屏结构，挡风墙高度一般为3.5、4.0 m，典型挡风墙见图2。

图2 路基柱板式挡风墙及相对关系(单位：mm)

从图2可以看出，AF线恰处于强气流体场内增速区，运动形式变化急剧。兰新高铁挡风墙区段接触网保护线设置于挡风墙内侧3 m高处，避开了气流增速区，目前运营状态良好。但AF线因其电气及机械空间限制仍维持柱顶悬挂，易发生大幅振动，在此针对AF线处风场特性及抗风措施进行分析。

1.2 挡风墙后方AF线风场增速影响的运动模式

风场内导线运动模式主要有3种：舞动、次档距振荡及振动。舞动一般是横向微风覆冰情况下发生(覆冰厚度2.5～48 mm)，风速不大于30 m/s，50%以上舞动风速集中在4～20 m/s；次档距振荡发生的风速一般为4～18 m/s，振动频率为0.7～2 Hz[3]。

振动则是导线受到不稳定的风致横向风作用时，在导线背后形成以一定频率上下交替变化的气流旋涡，从而使导线受到一个上下交变脉冲力作用[4-6]。

当交替变化频率与导线固有自振频率耦合，导线在垂直平面内产生共振即引起导线振动。导线的振动除和风速、风向及路径有关外，还与导线悬挂高度、跨距等有关。当有遮挡、屏蔽物时在其后方就会形成不稳定的紊流场，兰新高铁百里、三十里风区AF线多为大幅振动。图3、图4分别为兰新高铁大风区墙后方瞬时风风速矢量及等值云图，AF线悬挂区域恰处于密集增速区。

图3 瞬时风速度矢量图

图4 瞬时风速度等值线云图

2 风场内AF线悬挂结构及力学性能分析

2.1 AF线悬挂方式

大风区挡风墙引起的增速效应导致AF线频繁振动，其悬挂方式至关重要。既要考虑导线疲劳问题，又要考虑悬挂装置结构稳定性，还需考虑断线故障时结构卸载，避免应力集中导致的支柱倾覆。兰新高铁AF线设计采用柱顶田野侧V形悬挂，此方式根据其三角结构稳定确定，悬挂处铰接连接具有一定的卸载功能，有效避免AF线大幅振、摆动时应力集中，缓解导线“波节点”的疲劳[7]。

2.2 AF线悬挂装置的组成及结构参数

AF线悬挂装置由棒式绝缘子，槽形球头挂环、预绞式防疲劳悬垂线夹等组成，结构示意见图5。V形悬挂结构要充分考虑动态绝缘间隙δ、绝缘子安装结构高度h的影响。悬挂结构稳定性、绝缘子的承载力等均取决于两支绝缘子串间夹角α[8-9]，调整两支绝缘子在肩架上的间距L可改变α角，但随之其他参数相继也发生变化。如表1所示。

图5 V形悬挂结构(单位：mm)

序号L/mmL1/mmα/(°)h/mmδ/mm1100073565.414606202110068074.374405903120063483.79415550

由表1可知，L越大，α越大，但h越小，二者成反比。兰新高铁风区内最高海拔1 600 m，空气绝缘距离为340 mm，考虑各种误差取400 mm。

2.3 AF线V形悬挂结构力学及机械性能分析

运用Solidworks建立AF线处的风流场三维模型，导入FLUENT进行风流场仿真[10-13]，得到AF线V型悬挂结构在有、无挡风墙时的风流场中受力情况，见图6。

图6 V形悬挂风场内受力分布

最大瞬时风速60 m/s作用下，V形悬挂绝缘子串、单串绝缘子的受力计算见表2。

表2 绝缘子串受力情况

注：“-”为绝缘子承受压状态。

综上所述，有墙时AF线V形悬挂绝缘子串受增速效应影响的力值明显增大，相对于单串绝缘子受力总体下降45%左右，稳定性提升，可见V形悬挂结构较适用于风区、风口等区段。

3 AF线V形悬挂产生的次生缺陷分析

风区零部件破坏形式主要有两种，一种是冲击破坏，另一种为累积磨损疲劳破坏。零部件的累积磨损主要是取决于相互间的运动频率及交变力，不同风速产生了接触循环变应力作用，在表层形成裂纹并不断扩展其内部导致破坏。

3.1 风区内零部件发生磨损的风速频段

铰接零部件发生磨损破坏与其在风作用下往复运动频次有很大关系。兰新高铁运营初期，AF线V形悬挂铰接连接零部件发生了局部磨损，特别是三联板及悬垂线夹处。

多个风季现场监测频谱图显示，极大风速值出现频率并不高，持续时间不长，反而一般风速出现的频率较高，持续时间较长，见图7、图8。据统计，每年35 m/s(8～9级)以上的风速出现率低于13%，而8级及以下的风速高于87%，15～30 m/s的风速出现概率较大，连续时间长，此频段的风速造成AF线铰接连接零部件做高频往复运动，也是造成部件磨损严重的重要频段。以百里风区十三间房区间AF线悬垂线夹为例，经过1个风季的风速对应的零部件运动频次模拟计算，结果见表3。根据模拟计算及现场观测可知，当风速超过35 m/s时其定向性极强，零部件在大风作用下也处于定向状态，往复运动频次少，磨损率低。

图7 极大风速分级(25.0～29.9 m/s)

图8 极大风速分级(≥35.0 m/s)

风速/(m/s)悬垂线夹摆角β/(°)连续天数/d连续时间/h时距2min零件运动次数/n≥1535.5722719118432≥204217013613320≥2549.41207996123055.9716247883561.5632—18724066.2314—7204570.024—1445073.082—725575.61—366077.51—361个风季发生累积磨损次数49032

3.2 AF线悬挂零部件磨损行程分析

检查并剖析磨损后零部件发现，两个铰接连接的零部件间表层材料的固定表面积、体积均发生了黏着磨损，主要是因磨料磨损演变后的结果[14]。摩擦学中关于磨料磨损的描述多以Schallmach公式表达

式中W0——单位滑动距离的体积磨损；

γ——单位能量的磨损；

s——滑差；

k1——刚度系数；

ρ——接触长度；

Q——回弹性。

从上式可知，黏着磨损滑动距离ρ(摩擦副相互接触的区域)对磨损量影响较大。因此缩小有效的磨损行程是减缓磨损的一种重要措施。

零部件往复运动行程或摆动角度β见图9，在风速≤30 m/s频段作用时的磨损面积重合部分才是最危险的，而风速≥35 m/s频段造成的扩大磨损部分因其几率小故障率也相对较低。所以应该高度重视8级左右的风速场作用，这种激励时效长，共振几率也大。

图9 AF线悬挂零部件往复运动示意

4 V形悬挂合理结构及其零部件抗磨损措施

4.1 绝缘子与肩架铰接连接方式

将球窝杵座连接改变为刚接，无间隙磨损，且棒瓷绝缘子能承受一定压力。但刚接连接三角形为固定体，AF线每个悬挂跨距都相当于硬锚。一旦断线弯矩直接传递于肩架及支柱，极限情况对临近悬挂支柱产生的附加弯矩约20 kN·m，不利于抗风卸载，因此建议绝缘子与肩架采用铰接，杵座与球头连接间隙可涂抹耐磨脂或零部件表面喷塑处理。

4.2 V形悬挂可采用的合理结构形式

根据上述分析及表1计算结果，V形悬挂两绝缘子固定间距宜为1 100 mm，伞体垂直距离不小于440 mm，双棒瓷绝缘子三联板间距不大于150 mm，内伞间距不小于100 mm。

4.3 AF线V形悬挂结构抗磨损措施

4.3.1 悬挂结构抗磨损措施

根据本文3.2节分析，不改变V形悬挂结构的悬挂功能及故障卸载能力前提下，减少或限制零部件间磨损行程，可大大降低零部件磨损几率，为此提出增设可调绝缘斜拉棒结构。

对于AF线带可调斜拉棒的V形悬挂结构，采用ANSYS有限元流体场仿真进行力学分析，见图10、图11，V形悬挂结构有无可调斜拉棒的主要受力指标见表4。

图10 带可调斜拉棒V形悬挂结构风场特性

图11 带可调斜拉棒V形悬挂结构应力分布

表4 带可调斜拉棒的绝缘子串受力

从表4可知，增设拉棒后左绝缘子处于受拉状态，球窝处间隙活动空间限制，悬垂线夹摆角减小至28°，磨损行程大大缩短。

4.3.2 局部机械抗磨损

改变零部件间对偶方式是零部件可靠的机械抗磨措施之一，在悬垂线夹及三联板耳孔内过盈配合自润滑轴承或一次性免注油的有油轴承。

选择大风区十三间房至大步区间及大步站作为观测点，观测时间120 d，记录磨损数据。将未增加与增加防磨损措施后的样本数据进行对比，见表5，铰接零部件螺栓磨损下降60%左右，大大提高了零部件间连接可靠性。

表5 大风区样本空间数据统计(铰接连接零部件连接螺栓)

5 结论

可靠性理论中究其重要性及事故等级重要性来讲，避免或最大限度地缓解导线疲劳，降低疲劳断股、断裂是首位[10]。因此AF线V形悬挂结构采用铰接连接是可取的。

V形悬挂的结构布置合理性与绝缘子的选用、绝缘等级、绝缘间隙等有关系，根据技术参数布局及三维立体场仿真计算给出了合理的结构形式。

对于铰接连接零部件的局部磨损严重，提出了带可调斜拉棒方式V形悬挂结构，在其结构故障时具有卸载功能，最大限度地减小磨损面积，提升其抗磨损能力。

经过近3年运行，兰新高铁AF线V形悬挂结构及零部件连接摩擦副所采取的抗风、抗磨损技术措施，使零部件的磨损量降低60%左右，大风区接触网每年节约维护成本300万元以上。本文阐述的挡风墙后方AF线悬挂结构的抗风、抗磨损技术措施是可行、有效的，对有关标准规范的修订具有参考价值，对风区内接触网建设有指导意义，在其他风区、风口地区可借鉴使用。

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