臺風區(qū)段接觸網(wǎng)車場懸掛設計方案

陳凱

(中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司,天津 300250)

臺風區(qū)段接觸網(wǎng)車場懸掛設計方案

陳凱

(中鐵電氣化勘測設計研究院有限公司,天津 300250)

接觸網(wǎng)是一種露天設置,沒有備用的戶外供電裝置,經(jīng)常受冰、霜、風等惡劣氣象條件的影響,一旦損壞將中斷行車,給地鐵運營帶來巨大損失。本文從臺風區(qū)段接觸網(wǎng)車場懸掛類型穩(wěn)定性角度出發(fā),通過對國內(nèi)通常采用的兩種懸掛形式的特點進行分析,從而提出了懸掛類型的優(yōu)化建議,對臺風區(qū)段柔性懸掛平面布置選型及認識有一定的指導作用。

柔性懸掛 臺風區(qū)段 接觸網(wǎng)車場 懸掛類型 優(yōu)化建議

1 概述

廈門地處臺風區(qū)域，易受臺風影響。最大風力達12級以上，年平均風速3.6m/s，車場結(jié)構(gòu)計算風速達到45m/s，該氣象條件對架空柔性懸掛是嚴峻考驗，本文基于廈門氣象條件，結(jié)合架空接觸網(wǎng)懸掛形式，認真分析架空柔性懸掛類型組成特點，選取適合廈門地鐵接觸網(wǎng)車場懸掛設計方案。為滿足接觸網(wǎng)的供電和機械方面的要求，對于架空式接觸網(wǎng)而言，根據(jù)接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點將其分為全補償簡單鏈型懸掛(簡稱鏈形懸掛)和補償彈性簡單懸掛(簡稱簡單懸掛)兩大類。根據(jù)供電計算，車場內(nèi)由于車速較慢且客車為W0空載，整個車場咽喉區(qū)瞬時僅有一列客車通過，饋線有效電流小于450A。車輛段及停車場的車場線行車速度低、列車數(shù)量少，采用帶吊索的補償簡單懸掛完全可以滿足運營要求。因此國內(nèi)應用架空接觸網(wǎng)懸掛類型的城市車場大都采用補償彈性簡單懸掛。然而任何一種懸掛方式的確定，必定有其優(yōu)勢，亦有相對薄弱的環(huán)節(jié)。下面對兩種懸掛方案進行分析。

2 簡單懸掛方案特點

2.1 簡單懸掛的安裝組成形式

簡單接觸懸掛系由一根接觸線直接固定在支柱支持裝置上的懸掛形式。國內(nèi)外對簡單懸掛做了不少研究和改進。我國現(xiàn)采用的帶補償裝置的彈性簡單懸掛系在接觸線下錨處裝設了張力補償裝置，以調(diào)節(jié)張力和弛度的變化，稱為補償彈性簡單懸掛(以下簡稱簡單懸掛)。在懸掛點上加裝4～6m長的彈性吊索，通過彈性吊索懸掛接觸線，這就相對減少了懸掛點處產(chǎn)生的硬點，改善了取流條件。

2.2 簡單懸掛特點

(1)簡單懸掛的彈性特點。簡單懸掛的懸掛方式比較簡單，支持裝置和支柱所承受的負荷較輕，支柱高度要求較低，因而建造費用比較經(jīng)濟，接觸網(wǎng)條公里指標在135萬左右。施工方便和維修簡單。其缺點是弛度大，彈性不均勻，不利于電動車組高速運行時對取流的要求。簡單接觸懸掛一般用于車速較低的線路上。彈性不均勻會造成由于受電弓上下追隨速度和電動車組運行速度不協(xié)調(diào)而發(fā)生離線和沖擊現(xiàn)象，可能因為車速大而弓線脫離，發(fā)生電弧，并且，由于對懸掛點的局部沖擊而增加接觸線局部的機械磨耗和損傷。因此，簡單懸掛最大車速不宜超過 40km／h。

(2)簡單懸掛的結(jié)構(gòu)高度。簡單懸掛的結(jié)構(gòu)高度小，一般約為0.5m，對于檢修是很方便的，只站在車睇上進行檢修作業(yè)， 因此，降低了檢修人員的勞動強度。這一點對于提高工作效率和增加檢修人員的安全程度具有實際意義。

(3)簡單懸掛的載流。簡單懸掛由于沒有承力索，載流量沒有鏈型懸掛高，不能滿足同一股道雙列位車輛同時取流加熱的要求，部分地區(qū)運營在設計回訪中曾交流過此問題。

(4)簡單懸掛的設備安裝。簡單懸掛分段絕緣器安裝一般采用“人字形”吊索方式，施工及運營調(diào)整較困難，分段絕緣器自由竄動沒有鏈型懸掛安裝方式好，有些地區(qū)車場在設計時把需要設置分段絕緣器的位置，都設計成鏈型懸掛，方便設備調(diào)整。

(5)氣象條件對簡單懸掛的影響。簡單懸掛導線的機械性能，如張力、弛度、線長受氣象條件的影響較大，在設計和施工中應特別注意這一點，若線索弛度過大，在最高溫度和風的作用下，導線對地或?qū)Ь€間的絕緣安全要求就難于得到保障，從而引起導線對地短路或線間短路。因此在簡單懸掛的設計施工中更需考慮外部氣象條件。彈性是衡量接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)受流性能好壞的一個重要因素，而衡量彈性的好壞由彈性的大小和彈性的均勻度決定。簡單懸掛由于調(diào)整困難，在吊索處、分段處、定位處存在的硬點多且難于克服，因此，在其彈性分布不均勻的情況下，極易造成受電弓與接觸線之間的沖擊，導致瞬時離線，硬點下的離線將使受電弓受流惡化。根據(jù)鐵科院在環(huán)形試驗場試運行的數(shù)據(jù)表明，簡單懸掛區(qū)段在運行中的離線率與鏈型懸掛相比高出4倍。在臺風區(qū)段的強風作用下，簡單懸掛的離線率會更高。在強風的作用下，由于結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，使受電弓與接觸線之間的瞬時離線增加，引起電弧，導致電磨耗的加劇。同時使簡單懸掛導線偏心較多導致接觸線易偏磨，嚴重縮短了導線使用壽命。

圖1 典型的腕臂結(jié)構(gòu)受力分析建模

3 鏈形懸掛方案特點

3.1 鏈型懸掛的安裝組成形式

接觸線通過吊弦(或輔助索)而懸掛到承力索上的懸掛稱為鏈形懸掛。鏈形懸掛可以在某一溫度下，使接觸線處于無弛度狀態(tài)。鏈形懸掛承力索懸掛于支柱的支持裝置上，接觸線通過吊弦懸掛在承力索上，使接觸線在不增加支柱情況下，增加了懸掛點，吊弦可以使跨距內(nèi)各吊弦處接觸線盡量與支柱懸掛點處接觸線對鋼軌面高度保持一致。這樣，在整個跨距內(nèi)，可使接觸線至軌面保持相等的高度。

3.2 鏈型懸掛特點

(1)鏈型懸掛的彈性特點。這種懸掛由于接觸線是懸掛到承力索上的，因而基本上消除了懸掛點處的硬點，使接觸懸掛的彈性在整個跨距內(nèi)都比較均勻。鏈型懸掛相對簡單懸掛改善了接觸網(wǎng)彈性。通過結(jié)構(gòu)高度的增加改善接觸網(wǎng)的動態(tài)特性，接觸壓力的波動相對較小。對于帶張力補償裝置的鏈形懸掛，導線的張力增量與導線機械安全和弓網(wǎng)受流質(zhì)量密切相關，必須加以嚴格控制。這是因為，張力差一方面會增大導線和零部件的機械應力，對導線和零部件的機械安全構(gòu)成威脅，另一方面會對接觸懸掛的波動速度和彈性產(chǎn)生不利影響，有損弓網(wǎng)受流質(zhì)量。這方面鏈形懸掛相對簡單懸掛受電弓受流質(zhì)量更好。

(2)鏈型懸掛的結(jié)構(gòu)高度。鏈形懸掛比簡單懸掛的彈性性能好，但也帶來了結(jié)構(gòu)復雜、工程投資等問題。鏈型懸掛的結(jié)構(gòu)高度本線設置為1100mm，因此其日常的維護工作量較簡單懸掛稍多。結(jié)構(gòu)高度的增加(相對簡單懸掛)，鏈型懸掛接觸網(wǎng)的支柱容量也相對增加，投資較簡單懸掛增加約15萬/條公里。鏈型懸掛的結(jié)構(gòu)高度較高，對土建專業(yè)的凈空要求也自然較高，為了使接觸線和承力索的補償量一致，不會出現(xiàn)吊弦往一側(cè)偏移的情況，同時為了確保線岔的正常工作，承力索也需直線通過庫門，那么庫房凈空高度必須7米左右。

(3)鏈型懸掛的載流。鏈型懸掛接觸網(wǎng)的速度適應性好，干線鐵路以及高速鐵路均是采用這種懸掛方式，架空柔性懸掛接觸網(wǎng)完全可以滿足廈門市軌道交通1號線一期工程最高行車速度為80km/h的授流要求。

(4)鏈型懸掛的設備安裝。若沒有承力索，線岔及分段的調(diào)整較困難。線岔的調(diào)平與抬高，鏈型懸掛可以輕易的用吊弦來調(diào)整。

(5)氣象條件對鏈型懸掛的影響。接觸網(wǎng)懸掛線材所受風載直接傳遞到腕臂支持結(jié)構(gòu)上，并且腕臂支持結(jié)構(gòu)本身還承受風載影響。為確保腕臂、定位裝置在大風作用下的穩(wěn)定性，避免弓網(wǎng)事故，應結(jié)合支持結(jié)構(gòu)的具體安裝位置、安裝形式以及受力狀況進行詳細的力學計算，以分析出整個腕臂結(jié)構(gòu)的受力薄弱環(huán)節(jié)，再給出加強措施。利用有限元分析手段可以很好地實現(xiàn)這一目標。典型的腕臂結(jié)構(gòu)受力分析建模及計算參見如下模型(圖1)：

通過利用有限元分析可以看出合理地設置腕臂支撐以及定位管支撐位置，能夠明顯提高整個結(jié)構(gòu)的撓度控制，進而有效提高腕臂的穩(wěn)定性，增加抗風性能。

對于全補償鏈形懸掛，由于承力索和接觸線均為張力補償裝置下錨，它們的張力為一常數(shù)(不考慮吊弦和定位器偏斜所引起的張力差)，其弛度也與溫度無關。實際上，由于全補償鏈形懸掛線索的長度會隨大氣溫度的變化而發(fā)生變化，這個變化量一方面消耗于補償墜砣的上下移動，另一方面也消耗于接觸線和承力索的弛度變化，因此，嚴格講來，接觸線和承力索的弛度會相對簡單懸掛來說溫度對弛度的影響很小，穩(wěn)定性更好。

4 結(jié)語

架空接觸網(wǎng)在車場可采用全補償簡單鏈型懸掛及補償彈性簡單懸掛兩種方式，通過上述對兩種懸掛方案的特點描述，鏈型懸掛從授流質(zhì)量、運行可靠性、工程實施的可行性、臺風區(qū)段的適應性等方面具有明顯優(yōu)勢。綜上所述，車場的景觀要求相對較低，車場采用鏈型懸掛改善接觸網(wǎng)動態(tài)彈性，與簡單懸掛相比增加架空接觸網(wǎng)的抗風性能，便于設備安裝及正常運營，施工投資增加不多，因此臺風區(qū)段車場接觸懸掛設計推薦采用鏈型懸掛方案。