250 km/h 低净空隧道弓形腕臂系统优化方案设计

邓相龙

0 引言

随着我国铁路建设步伐的加快，长三角、粤港澳、京津冀地区规划的城际铁路达3 000 多公里，设计时速为200～250 km，并且隧道基本为低净空隧道。目前国内还没有可满足城际铁路技术要求的低净空隧道接触网悬挂方式，弓形腕臂结构为一种较好的解决低净空安装难题的悬挂类型，既可避免传统三角腕臂结构安装净空的限制，又可解决刚性悬挂结构的速度限制问题，还可替代单腕臂支撑悬挂结构，提升接触网整体性能，提高线路通过速度。

1 盾构隧道内主要技术条件

（1）盾构隧道内径7.7 m；衬砌施工误差150 mm；最小曲线半径550 m，最大外轨超高150 mm，连续曲线区段长度不大于4 km。

（2）接触网正线导线组合：CTS120+JTMH95；工作张力为(15+15) kN；接触线悬挂高度5 300 mm。

（3）受电弓动态包络线：受电弓上下振动范围为120 mm，左右振动范围为250 mm。

（4）带电体对地绝缘间隙及受电弓振动至极限位置间隙值按照《铁路电力牵引供电设计规范》[2]取值分别为300、160 mm[1]。

2 既有低净空隧道接触网悬挂方案

根据盾构隧道主要技术条件和铁路隧道安全要求的接触网技术原则，对既有低净空隧道接触网悬挂方案（刚性悬挂、水平悬挂、单支撑腕臂悬挂及日本隧道内整体腕臂悬挂结构）进行分析。

刚性悬挂通过刚性梁夹持接触线安装，安全可靠，特点突出，在较低速度下完全满足电气化铁路应用技术要求，在国内时速160 km 以下的电气化铁路成功应用，在时速120 km 以下的城市轨道交通线路也有广泛应用。

水平悬挂为我国很多单线隧道接触网所采用的悬挂方式，结构简单、稳定、可靠，在时速120 km 以下的电气化铁路得到广泛应用。但该悬挂方式在接触线定位点集中了定位装置的全部重量，局部形成硬点，影响接触网弹性均匀度。

单支撑腕臂悬挂方式减少了隧道内的支持点及绝缘子装配数量，可提升工程的施工质量、安全水平及施工进度等。但该悬挂方式只有1 个绝缘子，局部荷载集中，安全裕量较小，其机械性能无法满足《200～250 km/h 电气化铁路接触网装备暂行技术条件》[3]的相关要求，且国内尚无时速160 km 及以上线路运营经验。

隧道内整体腕臂悬挂方式已在日本新干线成熟应用，腕臂结构比较稳定。但该方案对土建和接触网的施工精度要求极高，对施工误差适应性较差，可调范围极小，且内径7.7 m 盾构隧道内不能设绝缘关节。

综上分析，上述几种低净空悬挂方式在结构、性能、安装及适应性等方面均存在一定的缺陷，需设计一种可较好解决低净空安装难题的悬挂结构，弓形腕臂是较好的技术解决方案。

3 250 km/h 低净空弓形腕臂系统

3.1 性能描述

接触线定位点处的最大水平工作荷重2.5 kN（非支4.5 kN）；承力索最大水平工作荷重2.0 kN（非支4.0 kN）；接触悬挂最大垂直荷重4.0 kN；在腕臂支持结构典型安装、最大工作荷重组合受力条件下，腕臂的挠度不大于0.7%L（L为腕臂的长度）；在腕臂支持结构典型安装、最大工作荷重的1.5 倍组合受力条件下，腕臂不产生塑性变形；腕臂支持装置应具有在最大工作荷重组合受力条件下结构稳定、摆动灵活的性能[3]。

3.2 产品结构

在结合目前国内外电气化铁路隧道内接触网产品特点和充分考虑国内施工现状的基础上进行腕臂结构研究设计，确保产品性能优异、安装方便、满足线路使用要求。基本结构设计如图1 所示。

图1 弓形腕臂结构

弓形平腕臂采用折弯型腕臂管与定位管焊接成平行结构，通过加强板焊接成为一体，大大提高其抗弯性能；将斜腕臂进行分拆，通过调整支撑长度实现斜腕臂绝缘子与平腕臂绝缘子对齐，保证绝缘距离，消除行车安全隐患；定位支座采用折弯型结构，最大限度节约安装空间，保证施工调整裕量，并设计了可调限位块，可满足定位器的抬升限位要求。弓形腕臂系统零件少、性能稳定，采用标准化设计制造，施工效率高。

3.3 有限元仿真分析

通过对各零部件的结构分析，弓形腕臂装置中弓形平腕臂与绝缘子连接处和斜腕臂与弓形平腕臂连接处为受力薄弱点，采用SAP2000 软件建模进行有限元受力分析验证[4]。

分析采用数值分析方法，建立低净空隧道内弓形腕臂安装平面有限元模型，采用静态加载分析其静力特性，并对其在静力荷载作用下的受力状态做出分析评价。重点分析隧道内整体腕臂在静力作用下的受力特点，其荷载作用如图2 所示。

图2 弓形腕臂装置安装荷载分布示意图（单位：mm）

低净空隧道内弓形腕臂安装模型中，平腕臂、斜腕臂、陶瓷绝缘子和定位管均采用梁单元进行模拟。实际工作中因腕臂需承受较大的剪力及弯矩，采用Timoshenko 梁进行模拟。材料参数见表1。

表1 腕臂系统几何物理参数

采用有限元对低净空隧道内腕臂安装开展静力荷载作用下的受力变形分析，得出腕臂关键截面的应力和关键点的位移，选取部位如图3 所示。

图3 应力变形关键部位示意图

根据有限元分析得出低净空隧道内安装正、反定位装置的腕臂在静力作用下的应力分布，见表2。正定位最大应力出现在截面2，即斜腕臂与定位管连接部位，为154.02 MPa；反定位最大应力出现在截面1，即弓形平腕臂斜端与定位管焊接部位，为134.47 MPa。

根据有限元分析得出低净空隧道内安装正、反定位装置的腕臂在静力作用下的变形，各关键截面静力荷载作用下的位移见表3。

表3 静力荷载作用下腕臂关键部位位移 mm

3.4 试验验证

产品送往国家铁路产品质量监督检验中心，按TJ/GD 011—2009《200～250 km/h 电气化铁路接触网装备暂行技术条件》[3]、TB/T 2073—2010《电气化铁路接触网零部件技术条件》[5]、TB/T 2074—2010《电气化铁路接触网零部件试验方法》[6]等行业标准进行性能试验检测（图4），取得了合格的型式试验报告。

图4 试验受力加载示意图（单位：mm）

3.5 验证分析

在静力集中荷载作用下，正定位最大应力出现在斜腕臂与定位管的连接部位，为154.02 MPa，反定位最大应力出现在弓形平腕臂斜端与定位管焊接部位，为134.47 MPa，均小于其材料许用应力（164.15 MPa）；安装有正定位装置的腕臂挠度为0.25%L，反定位挠度为0.26%L，均小于0.7%L（L为腕臂的长度）的要求。

综上所述，弓形腕臂安装在静力荷载下，最大应力小于其材料许用应力，并且具有一定的应力安全裕度，满足材料强度要求，腕臂关键部位最大位移亦满足变形要求。

4 结论

从设计制造到产品的性能测试、试验及现场使用情况，该弓形腕臂系统设计合理、安装方便，降低了劳动强度，提高了工效。该腕臂系统将定位管与平腕臂焊接组合为一体，斜腕臂连接在平腕臂与定位管接近根部位置，保证了腕臂结构的机械性能，满足了最低净空（内径7.7 m 盾构）隧道内的安装要求。斜腕臂和平腕臂的根部采用铰链结构连接，定位支座采用限位可调结构，提高了弓形腕臂装置的适应性。该腕臂系统在长株潭、穗莞深、东海岛等城际铁路中得到成功应用。