齿轨铁路接触轨带拉线中心锚结方案及其可行性研究

李庆军,关金发,陈 展

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043； 2.西南交通大学电气工程学院,成都 611756；3.杭州市地铁集团有限责任公司运营分公司,杭州 310018)

引言

齿轨铁路是一种专用于地势起伏较大的交通形式，其主要特点是在列车转向架中部装有驱动齿轮，在坡道区段驱动齿轮与地面上的齿轨啮合提升爬坡能力[1]。齿轨铁路早已在国外得到成功应用，最早应用的是1869年美国华盛顿山齿轨铁路[2]，在国内的九寨沟、张家界、四姑娘山以及七星山等地也已有规划建设齿轨铁路[3]。接触轨是安装于齿轨铁路旁的供电设备，是齿轨铁路牵引供电系统的重要组成部分[4]。齿轨铁路线路最大坡度为250‰，是干线铁路和城市轨道交通8倍多。由于接触轨沿铁路平行布置，在大坡道区段重力荷载作用下，接触轨有沿下坡方向滑动形变的问题。为满足靴轨可靠受流要求，接触轨的静态空间位置应保持不变，需要设置中心锚结，抵消接触轨的重力惯性，因此，对大坡道区段接触轨中心锚结方案的研究十分必要。

国内外学者对接触轨系统做了大量的研究，尹洪权等[5-6]利用ANSYS软件建立集电靴与接触轨直接耦合的动力仿真模型；张桂林等[7]基于Ansys Workbench 对钢铝复合接触轨温度应力进行了有限元分析，得到不同工况下接触轨温度应力分布模型图；王鹏[8]推导了第三轨系统动力学耦合方程，基于 Newmark 算法，研究了接触轨结构的相关参数对受流质量的影响；张鹏飞[9]以SolidWorks Simulation有限元分析软件为基础，进行了接触轨膨胀接头在实际载荷下的受力分析及疲劳分析；周韬[10]基于接触轨跨距情况、列车时速、靴轨作用力等不同条件，分别对接触轨动、静挠度进行分析研究，得到系统本身最大的挠度情况；刘艳丰[11]利用有限元分析软件ANSYS，分析了接触轨的预载变形与受流器模态，建立了受流器与第三轨耦合动力学模型，分析得出受流器惯性力对接触压力检测影响较大。目前对小坡度(线路坡度小于20‰)的接触轨系统的研究较为丰富[12-14]，但针对齿轨铁路大坡道区段接触轨的研究尚欠缺。

针对大坡道区段由重力荷载引起的接触轨滑移形变问题，首先比较接触网、接触轨常用的几种中心锚结方案，提出一种可抵消接触轨重力载荷分量的带拉线中心锚结方案，并通过分析250‰坡度下接触轨带拉线中心锚结各零部件的结构强度，研究带拉线中心锚结方案的可行性。

1 带拉线中心锚结方案

1.1 现有柔性架空接触网中心锚结方案分析

现有柔性架空接触网中心锚结方案为：接触线通过中心锚结绳将沿线路方向的合力差传递给承力索，承力索通过中心锚结下锚拉线将承力索和接触线沿线路方向的合力差传递给支柱，如图1所示。带拉线的中心锚结是柔性架空接触网常用的中心锚结方案，具有防止接触悬挂沿线路中心方向窜动和防止接触悬挂一侧断线影响另一侧的功能[15-16]。

图1 柔性架空接触网带拉线中心锚结方案

1.2 现有刚性架空接触网中心锚结方案分析

现有刚性架空接触网中心锚结方案为：汇流排通过中心锚结绳将沿线路方向的合力差传递给支柱，如图2所示。带拉线的中心锚结也是刚性架空接触网常用的中心锚结方案[17-18]。

图2 刚性架空接触网带拉线中心锚结方案

1.3 现有接触轨中心锚结方案分析

目前，在线路坡度小于20‰时，接触轨采用两个防爬器安装在绝缘支架两侧的中心锚结方案，实现防窜功能，如图3所示；在线路坡度≥20‰，<40‰时，接触轨采用两个相邻绝缘支架安装两组防爬器的中心锚结方案，绝缘支架间距一般为600～700 mm，如图4所示；在线路坡度≥40‰时，接触轨采用3个相邻绝缘支架安装3组防爬器的中心锚结方案，如图5所示。按照现有接触轨的中心锚结方案，坡度为250‰的齿轨铁路，接触轨的中心锚结选择3组防爬器中心锚结的方案[19]。现有接触轨中心锚结方案均利用防爬器直接固定安装在接触轨两侧，通过与绝缘支架接触，防止接触轨沿线路中心窜动，其结构简单、便于安装[20]。但由于防爬器与绝缘支架存在一定的安装间隙，且每个防爬器与绝缘支架的安装间隙不等，当接触轨窜动时，无论绝缘支架有几个，实际上仅会有一个防爬器与绝缘支架紧密接触，此时，假设防爬器上受到的接触轨重力分力Fg直接作用于绝缘支架上，绝缘支架受到的力为Fp=Fg，如图6所示。当某个防爬器与绝缘支架长期受到重力分力作用挤压变形后，有可能相邻的防爬器会分担部分重力分力，因此，多个绝缘支架组成的中心锚结方案的安全性比单个绝缘支架的高，但仍然避免不了其中一个绝缘支架承担绝大部分重力分力的问题。

图3 线路坡度<20‰接触轨防爬器中心锚结方案

图4 线路坡度在20‰～40‰之间接触轨中心锚结方案

图5 线路坡度≥40‰接触轨中心锚结方案

图6 现有接触轨中心锚结受力示意

1.4 接触轨带拉线中心锚结分析

目前柔性架空接触网、刚性架空接触网的中心锚结都是带拉线的，即中心锚结绳。在锚段跨距中间设置中心锚结后，当接触线一侧发生断线后，另一侧由于受到中心锚结绳的作用，不会松动，有效控制了事故范围的延伸[15]。大坡度齿轨铁路接触轨中，在接触轨自身重力的作用下，中心锚结容易发生偏移，接触轨的可靠性下降，影响供电安全。因此，可参考接触网中的中心锚结绳的原理，设计带拉线的中心锚结。

图7 接触轨带拉线中心锚结方案

图8 带拉线中心锚结受力示意

考虑接触轨锚段长度最大为90 m，坡度最大为250‰情况，对带拉线中心锚结进行静力学仿真，校验带拉线中心锚结的结构强度。

2 大坡道区段中心锚结静力学仿真模型

2.1 三维模型

考虑带拉线中心锚结结构、线路坡度，建立了250‰接触轨中心锚结的三维模型，模型涵盖了接触轨、中心锚结、绝缘支架等零部件，如图9所示。带拉线中心锚结在普通型中心锚结基础上加装了一根拉线，用以抵消大坡度下接触轨沿线路方向的重力载荷分量。

图9 带拉线中心锚结接触轨三维模型

2.2 有限元仿真模型

基于带拉线中心锚结接触轨三维模型，各零部件加载荷载，并利用有限元法，建立有限元仿真模型，分析在自重荷载作用下齿轨铁路接触轨各零部件的内部应力。绝缘支架上的螺栓结构，采用“工”形圆柱体代替螺栓结构，在“工”形圆柱体两端施加压力来代替拧紧力，如图10所示。

图10 螺栓拧紧力

图10中螺栓施加的载荷计算如下

(1)

式中，F为轴向力；d为螺栓直径。

根据相关规定，螺栓力矩大小与公称直径的计算关系见表1。绝缘支架卡爪处采用M12螺栓，轴向力选用23 333 N，绝缘支架支座处采用M10螺栓，轴向力选用12 500 N。

表1 螺栓力矩与轴向力

中心锚结加载的荷载有：自重和螺栓预紧力，如图11所示。其中，上下两端汇流排的附加力通过建立相应的45 m接触轨模型并计算其在端点的反力获得。

图11 有限元仿真模型计算工况

齿轨铁路接触轨模型中主要材料参数见表2。

2.3 评价标准

通过有限元仿真，得到齿轨铁路接触轨系统中各类零部件在不同工况下的应力状态，分别与最大容许应力进行对比，评价齿轨铁路接触轨系统的静力学结构是否具有较大的承载能力，是否满足安全可靠使用的要求。

采用容许应力法，对齿轨铁路接触轨系统中所有的零部件进行应力状态的分析，根据零部件采用的材料不同，其容许应力也有差异，具体零部件的容许应力见表2，其中，安全系数(材料屈服强度与容许应力的比值)取1.5。

表2 齿轨铁路接触轨模型中主要材料参数

3 静力学仿真结果与分析

对带拉线中心锚结的接触轨进行静力学仿真，最大应力出现在绝缘支架本体上，为94.705 MPa，防爬器最大应力为29.041 MPa，应力分布如图12所示。

图12 带拉线中心锚结应力状态

带拉线中心锚结的绝缘支架应力较小，这说明接触轨的重力荷载分量被拉杆分担，中心锚结处及绝缘支架所承受的接触轨重力载荷相对较小，产生的应力也相应减小。

根据带拉线中心锚结的接触轨静力学仿真可知，带拉线绝缘支架带斜拉杆式中心锚结的应力满足容许应力要求(安全系数>1.5)。中心锚结主要零部件应力情况见表3。

表3 两种中心锚结的零部件应力情况

由表3可知，带拉线中心锚结各零部件的安全系数都大于1.5，满足容许应力要求。

4 结论

通过比较接触网、接触轨的中心锚结方案，提出了一种适用于大坡道区段接触轨带拉线中心锚结方案。对锚段长度为90 m、坡度为250‰的接触轨带拉线中心锚结进行了静力学分析，其最大应力为94.71 MPa，防爬器最大应力为29.04 MPa，中心锚结零部件安全系数最小为2.323，满足容许应力要求，可用于大坡道区段接触轨中。