强风地区高速铁路接触网锚固系统简约化研究
2021-02-25王玉环郭凤平周少喻关金发
王玉环,郭凤平,周少喻,关金发
(1.轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043； 2.中国国家铁路集团有限公司安全监督管理局,北京 100844； 3.西南交通大学电气工程学院,成都 610031)
1 概述
随着电气化铁路尤其高速铁路的快速发展以及 “一带一路”倡议的具体实施，我国内陆、边疆、沿海复杂生态环境下的电气化铁路加快了建设步伐。目前强风地区高速铁路的覆盖率已达20%左右，以兰新高铁为例，现运营5年，历时10个风季，经过诸多工程实践，接触网系统防风技术有了更好的提升与突破，并形成了系列技术成果[1-2]，接触网抗风效果显著，基本达到预期目标。但因地形地貌、挡风墙(屏)后方结构气动升力等因素引起接触网设备及连接故障率频发，其主要原因是基于接触网系统结构的复杂性及层级的多样性决定的[3-6]。目前接触网风致响应的研究方法主要有基于风速谱的模拟、数值仿真、气动试验和现场实测[7-12]。系统稳定性一是取决于结构能否抵抗外界的复杂环境的振荡，保持能流稳定；二是设备间的相互关联的动态。从系统工程学可靠性角度，接触网属于“串连 ”关系，因此在满足系统功能前提下组成系统的设备及元件越少越好，系统更易趋于稳定。但是系统简约化并不代表可靠性也随之增高，二者相互关联，因此研究适用于风区特别是新疆特殊风区的接触网系统简约化，保证系统能流稳定是当前铁路牵引供电系统防风研究的新课题，对进一步提升荒漠风区接触网系统安全可靠性，减少运营维护工作量有着重要意义和社会价值。
2 接触网系统简约化原则
2.1 简化结构
运营实践证明，在荒漠大风等外部环境下，接触网越简洁，结构及安装、连接零部件越少，系统可靠性就越高。
2.2 可靠性
接触网的可靠性设计是为了在设计过程中挖掘和确定隐患及薄弱环节，采取设计预防和设计改进措施[13-14]，提高接触网的固有可靠性。
3 接触网可简约化的子系统
接触网系统技术参数主要包括线索张力、锚段长度、跨距、结构高度、拉出值、吊弦布置及锚固等[15]，其中锚固子系统作为接触网的终端尤为重要，本节重点分析强风地区接触网补偿锚固子系统的技术参数简约化方案。
3.1 接触网关节布置及全补偿锚固子系统
在区间或站场上，根据供电和机械方面的要求，将接触网分成众多独立的分段。锚段两端的承力索和接触线都直接或通过补偿装置固定到锚柱上[15-16]。接触网锚固系统的组成：接触网终端全补偿锚固(含终端锚固线夹，补偿装置，坠砣限制架，坠砣串组件，补偿装置底座支架，拉线装置等)，中心锚结无补偿锚固(含中心锚结绳及其线夹，无补偿下锚底座，拉线装置等)[17-18]，详见图1。
图1 接触网锚固系统的组成
兰新高铁百里、三十里等风区接触网设计采用了FMECA故障模式影响及危害性的可靠性分析方法[13]，接触网终端下锚布置采用分支延跨下锚方式，其优点：一是降低支柱容量；二是故障导向集散薄弱环节；三是可提高系统可靠性，减少维修量，详见图2。
图2 风区接触网延跨下锚关节布置(单位：mm)
3.2 锚固系统中的接触网终端锚固
3.2.1 风区补偿装置的应用
锚固设计最重要的是补偿装置的选用，补偿装置即张力自动补偿设备，根据线路技术条件、补偿效率、运维便利性及经济性能确定。目前采用较多的为重力式补偿如滑轮、棘轮补偿，特殊区段可采用弹簧补偿。近几年开通的广深港，海东环，兰新铁路及兰新高铁等风区电气化铁路，接触网终端锚固均采用带制动功能的棘轮补偿装置。重力式补偿其补偿效率可达97%，比较适用于大张力系统，详见图3。
兰新高铁在设计前期针对接触网抗风研究建立多个科研项目，对补偿装置的选择与抗风及灾后修复能力等进行了系统性综合研究，最终采用传动比为1:3的棘轮补偿装置，目前运营状态良好。为了减少摩擦耗能，新研制了防风型导向式坠砣限制架，对提高棘轮补偿装置的抗风及整体机械性能有一定的辅助作用。
图3 风区接触网棘轮补偿装置
3.2.2 基于可靠性再分配原理的简约化方法
接触网为典型的串联结构系统，其锚固子系统中的补偿装置的复杂性直接决定了接触网的可靠度。本次研究对风区棘轮补偿采用可靠性预计与可靠性分配的方法对系统分配及设备关系进行估计。根据历史产品可靠性数据、系统构成和结构特点及系统的工作环境来评价已运营系统可简约化的程度。风区棘轮补偿装置的故障模式统计详见表1。
表1 风区棘轮补偿装置组成及故障模式统计
3.2.3 终端锚固结构的可靠性及简约化设计
接触网终端锚固系统按其结构组成及功能实现流程来讲，接触网终端锚固系统由最小元器件构成基本单元后串联组成，所以每个基本单元的可靠度都会直接影响系统的可靠度。锚固系统可靠度计算如下所述。
(1)接触网功能FMECA评估
FMECA故障模式分析方法，是比较适合于工程及机械组装设备，按照其故障模式分析框架，通过建立样本空间，统计、试验、分析、预测等方式来获取装置应用故障数据。
(2)棘轮补偿可靠性模拟计算
接触网的终端锚固系统可以分解为9个单元，给每个单元进行编码，详见式(1)。
(1)
在《接触网防风动态仿真技术研究及可靠性分析研究》研究报告及《高速接触网可靠性综合研究报告》铁道部科技开发计划(2011J023-A)中部分的可靠性研究数据参数可以采信[15]，详见表2。
表2 接触网设备的可靠性分配
根据零部件应力分布，利用联接方程计算，再利用正太分布，可计算承受径向力或轴向力的零部件如杆件连接功能零部件的可靠度，联接系数为
(2)
式中μδ——强度分布均值；
μs——应力分布均值；
σδ——强度分布标准差；
σs——应力分布标准差。
Rn=Φ(ZR)，符合标准正态分布表的分布函数，可查表求得，并可模拟可靠性的变化趋势。接触网终端锚固主要零部件的可靠度详见表3。
表3 接触网终端锚固的可靠度(棘轮)
表3中，棘轮本体的可靠度为0.985 5，在接触网系统中比较核心的重要装置，则锚固系统的可靠度为
(3)终端锚固系统简约化设计
在强风环境中，设备空间侵占越大其迎风面越大，因此在锚固系统中零件及装置结构宜简约，接触网每个单元的可靠性都决定系统的可靠性。在满足其功能且不降低可靠性的基础上，改变冗余布局，实现集成化，并可趋向简约。
棘轮补偿装置组件、附件较多(限制架和坠砣等附件)，拟采用集成性较强、组件较少的弹簧补偿装置进行可靠技术对比，详见图4，采用弹簧补偿器的单元可靠度详见表4。
图4 弹簧补偿装置
表4 接触网终端锚固的可靠度(弹补)
如果采用弹簧补偿器，终端锚固零部件的组成数量减少44.4%(基本连接单元)，可维护时间会大大缩减，可靠度计算如下
由上式计算可知，接触网终端锚固系统采用弹补则可靠度为0.930 6，采用棘轮补偿时可靠度为0.942 426，R弹补 (4)可靠性再分配与简约化的可靠度保证 可靠性再分配是将工程设计规定的系统可靠度指标合理分配各个子系统(或基本单元)，可靠性重新分配本质是一个工程决策问题，应从人力、技术、资源、时间等各个方面进行优化。下面介绍系统可靠度再分配的过程及结果，接触网终端锚固可靠性再分配引导流程，详见图5。 图5 接触网终端锚固可靠性再分配引导因素 (3) 1次可靠性再分配计算示例如下： 0.947 1 经过系统可靠性再分配计算，原系统可靠度与再分配后的可靠度变化如表5所示。 表5 弹簧补偿装置可靠度再分配 进行2次资源再分配后，系统的可靠度分别为0.947 1及0.972 9，视为R0=R1，弹补锚固系统可靠度大于分配前棘轮锚固系统的可靠度，因此可视为分配成功，实现了接触网锚固系统简约化，工程设计时可按此可靠度进行选型。 强风地区接触网锚固主要是采用棘轮补偿装置及中心锚结，组成全补偿锚固系统。若采用非恒张力弹簧补偿装置，可取消中心锚结，温度变化后，弹簧补偿系统的线索张力重新分配保证锚段两端绝对平衡。但要验证采用弹簧及棘轮补偿有、无中心锚接的情况下的弓网动态性能是否发生巨大变化。利用弓网仿真手段[19-20]，建立弹簧补偿系统与棘轮补偿系统的弓网仿真模型，生成接触力曲线对比，详见图6。 图6 弹簧和棘轮补偿系统的双弓接触力曲线 经弓网动态仿真，得到两种不同补偿装置的接触网系统的接触力及振动结果，观察双弓的接触力曲线，基本重合，说明无中心锚结的弹簧补偿系统与棘轮补偿系统弓网动态性能差异很小。 本文采用机械可靠性的可靠度再分配数理分析方法，将优化后的各组成部分可靠度重新分配，利于补偿装置的选型、设计，更利于强风区段接触网的补偿锚固系统结构简约化。同时采用成熟可靠的弓网动态仿真手段，论证不同补偿装置下的中心锚结取舍的可行性。采用弹簧补偿器，终端锚固零部件的组成数量减少44.4%(基本连接单元)，相同的技术参数下，经接触网静动态计算结果及分析，并与棘轮补偿系统作对比，使用非恒张力弹簧补偿装置，减少中心锚结的接触网，在考虑温差变化时，可满足弓网静动态性能要求。因此建议将采用非恒张力弹簧补偿装置、减少中心锚结结构作为一项接触网系统技术参数简约化措施，可进行工程对比实验验证。
4 补偿装置与中心锚接
5 结论
