基于力学几何形态的高速铁路接触网附加弹性吊弦的接触压力研究

2020-01-08黄河

铁道机车车辆 2019年6期

黄河

(中国中铁八局电务公司，成都 610081)

在目前国内高速铁路接触网的设计和施工当中，普遍采用Π型弹性链型悬挂方式以满足列车运行速度的需求。如果列车时速继续提高，那么接触线在受电弓的抬升力作用下所发生的位移也随之提高，在列车速度200 km/h～350 km/h的过程中已经有不少研究和文献证明了这一点。在更高时速时，接触线的位移和接触压力的相互作用是问题的关键。下面，我们将通过分析弹性链型悬挂的各种特性的分析，对接触线位移展开讨论。

1 弹性链型悬挂的工作特性

1.1 在抬升力作用下的弹性节点的相互关系

传递到弹性吊索上的接触线重力的大小，以及弹性吊索的工作条件，无论温度变化，还是在受电弓抬升力作用下，很大程度上取决于ψ0和y0以及a和c之间的比值，如图1。

改变这些比值，可在很大范围内改变悬挂在支柱节点的弹性，同时也能改变整个跨距的弹性。当负载作用在O点时，受电弓的抬高力，B和C两点是会发生位移的。此时，B点和C点的垂直和水平位移对F和O点位移的影响程度是不同的，这种影响与弹性吊索弛度ψ0的大小相关。

图1 弹性节点示意图

a和c的大小，特别是在支柱节点的位置上对悬挂的弹性影响很大，O点和F点的抬高，不仅取决于B点和C点的抬高，而且还取决于它们在水平方向上的位移。但它们的影响大小是在不同程度上取决于a的尺寸，随着a的增大，y0以及B点和C点的抬高也增大，即增大Δy。另一个是B点和C点的水平位移的原理。当a=0和a=1/2时，B点和C点高度变化绝不会出现水平位移。a值在上述两个极限位置之间，位移是一个中间的数值。如此推论，可以得到这样的结论：当接触线上受到某一抬高压力时，随着a值的不同，B点和C点产生的水平位移Δa具有图2所示的特性。因而改变a值，就可以改变Δa，同时也就改变O点的抬高。

假定受电弓对接触线的抬高压力P是作用在支柱附近，该压力将和接触线在2c长度上的部分重力相平衡。因此c值增大将改变O点的抬高。另一方面，如果c接近于a，则B点和C点的抬高，将使D点相应抬高。反之，如果长度c增加到大于a，就会使D点抬高减小。D点抬高量的变化将引起O点和D点之间长度为c这一段接触线重力的重新分配。

图2 在力作用下弹性节点位置a-Δa的关系曲线

具有弹性节点的悬挂与具有简单支柱吊弦的悬挂的原则区别在于，不论P等于多大数值，也无论P在跨距内什么位置上，前一种悬挂的接触线在支柱附近均会发生抬高。这就使得相邻跨距的接触线抬高也会影响P作用点上的接触线抬高。因此研究这种悬挂工作的情况，应先从节点开始，然后再考虑相邻跨距的影响。

1.2 在抬升力作用下两根弹性吊弦节点的位移

在水平部分F1F2长度为2d的弹性吊索，如图3所示。改变这一长度，就可以使弹性节点的工作条件发生改变。

图3 在力作用下接触线位置变化

当O点的接触线上有抬高力P时，O1，O2，F1，F2各点均抬高Δh0，并转到O1′，O2′，F1′，F2′新的位置上。AB和AC两端吊索转动，B、C两点位置变化到B′点和C′点，抬高ΔhB。整个五边形ABF2F1C转到了一个新的位置，图3虚线位置。

先求出Δh0/ΔhB的比值，然后再根据A点支柱反力的减小值ΔA的不同求出O1点和O2点相应的接触线的抬高。由于几何图形关系对称，抬高压力P使F1和F2点在垂直方向上抬高，这时∠γ和距离BC将增大。在力P作用后，Iγ、Iρ的垂直投影将由y0和ψ0变化到y1和ψ1，即Δψ=ψ0-ψ1；Δy=y0-y1。此时，ΔhB=Δy，而Δh0=Δy+Δψ，这些线段的水平投影增加一个Δa值。第1次根据Iy的旋转情况求出这个数值，而第2次则根据Iρ的旋转情况求出这个数值，使求得的算式相等，便可找出所需的比值。承力索和弹性吊索在AB和BF2长度内扰度的变化，和它们弹性伸长的变化是可忽略的，因为把它们算进去，对精确度影响极小。

由计算承力索开始，根据图4可得：

Δa=Iy(cosα1-cosα0)

(1)

用sinα来表示cosα，同时考虑到α值很小，故式(1)可改写成：

把cosα代入式(1)，则

Δa=Iy(sin2α0-sin2α1)/2

将括号内三角函数分解为乘积形式，代以

sinα0=y0/Iγ，sinα1=y1/Iγ=(y0-Δy)/Iγ

求得：

Δa=(y0-Δy/2)Δy/Iγ

(2)

如果按弹性吊索位置的变化，则可表示为：