電氣化鐵路接觸網(wǎng)防風(fēng)技術(shù)分析

王逸哲

（鄭州鐵路局鄭州供電段）

0 引言

大風(fēng)給列車運(yùn)行與鐵路設(shè)施都帶來(lái)了安全隱患。其中，接觸網(wǎng)是設(shè)置于鐵路沿線且露天的牽引供電設(shè)施，并沒(méi)有備用設(shè)施，所以，其防風(fēng)安全的問(wèn)題也備受關(guān)注。為此，本文將電氣化鐵路作為重點(diǎn)，研究分析了接觸網(wǎng)的防風(fēng)技術(shù)。

1 電氣化鐵路接觸網(wǎng)風(fēng)速數(shù)值選取

接觸網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，需要承受自然環(huán)境中大風(fēng)條件所附加的可變性荷載，而選擇使用的風(fēng)速則與受電弓的安全運(yùn)行存在緊密的聯(lián)系，甚至?xí)绊懙浇佑|網(wǎng)的投資效果。

通常來(lái)講，接觸網(wǎng)的風(fēng)速設(shè)計(jì)可以細(xì)化成兩種：風(fēng)偏設(shè)計(jì)風(fēng)速，一般適用在風(fēng)偏與結(jié)構(gòu)撓度計(jì)算方面，能夠?qū)κ茈姽\(yùn)行的安全程度進(jìn)行嚴(yán)格地檢驗(yàn)，而重現(xiàn)期確定為 15年[1]；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)速，在計(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面具有一定的適用性，能夠?qū)χС纸Y(jié)構(gòu)受力件以及支柱容量的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等進(jìn)行有效的檢驗(yàn)，而重現(xiàn)期則確定為50年。

1.1 電氣化鐵路沿線環(huán)境對(duì)于接觸網(wǎng)風(fēng)速設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響

變通法與基本風(fēng)壓換算都是最常使用的接觸網(wǎng)風(fēng)速計(jì)算方法，要想將鐵路沿線的地形地貌對(duì)接觸網(wǎng)產(chǎn)生的影響真實(shí)地反映出來(lái)，那么接觸網(wǎng)風(fēng)速設(shè)計(jì)的最大數(shù)值應(yīng)當(dāng)基于基本風(fēng)速，完成風(fēng)壓高度變化系數(shù)以及風(fēng)口地形修正系數(shù)的有效換算并獲取。需要注意的是，風(fēng)會(huì)跟隨地形以及高度等諸多因素而發(fā)生改變。如果是在地表附近，在高度升高的情況下，風(fēng)的速度也明顯增大。除此之外，根據(jù)實(shí)際經(jīng)過(guò)地形，不管風(fēng)在垂直亦或是水平方向被約束，實(shí)際的風(fēng)速都會(huì)提高并且形成強(qiáng)風(fēng)。

在垂直約束方面，一般發(fā)生在山丘與鐵路高路堤的位置[2]。在開展風(fēng)洞試驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在路堤位置的接觸網(wǎng)，高度附近的風(fēng)速與平地區(qū)同等高度相比要高出0.2～0.5倍，而且上吹角也明顯擴(kuò)大，從10°增加至15°。

在水平約束方面，特別是風(fēng)口與峽谷區(qū)域，這些地方都是風(fēng)集中經(jīng)過(guò)的通道，所以實(shí)際的風(fēng)速也明顯提高。

如果是路基亦或是橋梁設(shè)置了擋風(fēng)墻，因墻體的高度在3m，而接觸網(wǎng)與受電弓始終位于風(fēng)速繞流區(qū)域，所以上吹角與風(fēng)壓的增加都會(huì)直接影響到接觸網(wǎng)的工作狀態(tài)。針對(duì)蘭新線開展防風(fēng)研究的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了擋風(fēng)墻后期流場(chǎng)的有效仿真并展開了相關(guān)性的分析[3]。對(duì)于擋風(fēng)墻前方來(lái)流的風(fēng)速，可以將其當(dāng)做瞬時(shí)風(fēng)速，每秒46m，而在擋風(fēng)墻后方的氣流場(chǎng)提取接觸線位置以及承力索位置的風(fēng)速，分別達(dá)到了每秒49m與每秒58m，且上吹角都已經(jīng)達(dá)到了30°。

當(dāng)接觸網(wǎng)的具體位置在高架橋或者是擋風(fēng)墻以及風(fēng)口的位置，由于以上環(huán)境較為復(fù)雜，所以面對(duì)的風(fēng)力特性也有所不同。由此可見(jiàn)，接觸網(wǎng)無(wú)法籠統(tǒng)選擇設(shè)計(jì)的風(fēng)速數(shù)值。

1.2 脈動(dòng)風(fēng)對(duì)于接觸網(wǎng)風(fēng)速設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響

脈動(dòng)風(fēng)速與 10min平均風(fēng)速都是組成風(fēng)速的重要部分。對(duì)于風(fēng)速時(shí)程的記錄，通常情況下是以平均數(shù)值為核心上下波動(dòng)的曲線。借助靜力形式，平均風(fēng)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而脈動(dòng)風(fēng)則主要會(huì)引發(fā)不同類型結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)化反應(yīng)[4]。

合理設(shè)計(jì)接觸網(wǎng)的過(guò)程中，在接觸懸掛與支撐結(jié)構(gòu)方面都應(yīng)當(dāng)對(duì)脈動(dòng)風(fēng)產(chǎn)生的影響展開綜合考慮。其中，接觸懸掛風(fēng)振的響應(yīng)會(huì)通過(guò)受電弓運(yùn)行的安全校驗(yàn)以及風(fēng)偏校驗(yàn)這兩個(gè)方面表現(xiàn)出來(lái)，對(duì)于接觸網(wǎng)的支撐結(jié)構(gòu)而言，其風(fēng)振響應(yīng)則是借助結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞檢算來(lái)體現(xiàn)。

第一，風(fēng)偏風(fēng)速的設(shè)計(jì)。大風(fēng)最明顯的特征就是風(fēng)力較強(qiáng)且起風(fēng)的速度相對(duì)較快，局地性很強(qiáng)，而風(fēng)脈動(dòng)部分會(huì)直接影響到接觸網(wǎng)線索的狀態(tài)。在這種情況下，要想將瞬態(tài)影響和受電弓動(dòng)態(tài)運(yùn)行的安全性檢驗(yàn)準(zhǔn)確地反映出來(lái)，對(duì)風(fēng)速進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，就應(yīng)當(dāng)對(duì)脈動(dòng)風(fēng)的因素予以綜合衡量。與此同時(shí)，要將風(fēng)速的時(shí)距進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，從10min轉(zhuǎn)變成 3s，也就是說(shuō)，在強(qiáng)風(fēng)區(qū)域?qū)︼L(fēng)偏風(fēng)速的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)選擇瞬時(shí)風(fēng)速的方式。但需要注意的是，風(fēng)偏風(fēng)速設(shè)計(jì)的換算必須要全面衡量測(cè)風(fēng)系統(tǒng)以及鐵路行車管理機(jī)制的實(shí)際情況來(lái)選擇[5]。

第二，結(jié)構(gòu)風(fēng)速的設(shè)計(jì)。眾所周知，接觸網(wǎng)的支撐結(jié)構(gòu)，其風(fēng)振響應(yīng)取決于結(jié)構(gòu)動(dòng)力的特性。一旦結(jié)構(gòu)的整體剛度偏大，那么風(fēng)荷載動(dòng)力的影響程度就相對(duì)較小，無(wú)需對(duì)風(fēng)振產(chǎn)生的影響進(jìn)行考慮。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》內(nèi)容要求，普通結(jié)構(gòu)基本自振的周期經(jīng)驗(yàn)公式中，鋼結(jié)構(gòu)可以選擇使用高數(shù)值，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)則應(yīng)當(dāng)選擇使用低數(shù)值，這樣即可對(duì)接觸網(wǎng)的軟橫跨鋼柱以及腕臂柱自振的周期進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。所以，在強(qiáng)風(fēng)區(qū)域，對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)速設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以不考慮脈動(dòng)風(fēng)的因素，始終沿用10min平均風(fēng)速的方式即可。

2 基于大風(fēng)的接觸網(wǎng)變形與應(yīng)力闡釋

2.1 氣動(dòng)特性的仿真

因大風(fēng)因素所引發(fā)的接觸網(wǎng)變形以及應(yīng)力問(wèn)題，在對(duì)其進(jìn)一步研究的過(guò)程中，借助相關(guān)分析軟件，有效地模擬并仿真出蘭新線大風(fēng)區(qū)段的接觸網(wǎng)氣動(dòng)特性。

1）接觸網(wǎng)的氣動(dòng)仿真模型構(gòu)建。在實(shí)際仿真的過(guò)程中，選取蘭新鐵路的大風(fēng)區(qū)段，四種不同懸掛組合的方案，實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)氣動(dòng)特性的有效仿真[6]。對(duì)于仿真模型的構(gòu)建，一般選擇使用的是全補(bǔ)償簡(jiǎn)單直鏈形的懸掛方式，對(duì)于所構(gòu)建的模型而言，其首端模擬中心的錨結(jié)是規(guī)定的，而在末端則對(duì)下錨補(bǔ)償進(jìn)行了有效地模擬。其中，跨距包括了40m、45m、50m、55m及60m。另外，支柱的類型主要是φ400× 9 9.5的鋼管柱，結(jié)構(gòu)的實(shí)際高度暫時(shí)確定為140cm。下表是接觸網(wǎng)匹配張力和風(fēng)偏同步性的檢驗(yàn)結(jié)果。

表 電氣化鐵路接觸網(wǎng)匹配張力與風(fēng)偏同步性的校驗(yàn)結(jié)果

2）承力索和接觸線張力的匹配仿真。對(duì)于CTS120接觸線來(lái)講，通常會(huì)選擇使用20kN的張力，而CTS150接觸線所選擇的張力則是25kN。在實(shí)踐過(guò)程中，要想有效地規(guī)避吊弦線夾偏斜打弓或者是致使導(dǎo)線偏磨問(wèn)題的發(fā)生，必須針對(duì)接觸線風(fēng)偏的同步性展開全面校驗(yàn)[7]。

3）路基有無(wú)擋風(fēng)墻的仿真。通過(guò)對(duì)分析軟件的合理運(yùn)用，仿真并準(zhǔn)確地計(jì)算出路基在無(wú)擋風(fēng)墻狀態(tài)和有擋風(fēng)墻狀態(tài)的風(fēng)速。

2.2 評(píng)價(jià)受電弓運(yùn)行安全程度的標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)受電弓設(shè)計(jì)運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)的過(guò)程中，最基本的要求包括兩點(diǎn)：第一，受大風(fēng)以及受電弓運(yùn)行動(dòng)態(tài)的影響，一旦定位點(diǎn)的接觸線實(shí)現(xiàn)最大的抬升量，應(yīng)保證定位器不限位地制動(dòng)，且能夠確保定位裝置與受電弓不接觸。第二，受大風(fēng)因素的影響與作用，跨中接觸線水平方向的偏移數(shù)值不應(yīng)當(dāng)高出400mm。

現(xiàn)階段，我國(guó)最常使用的限位定位器，對(duì)抬升量以及受電弓抬升量的最大數(shù)值是 120mm。如果是受電弓最大動(dòng)態(tài)作用，那么定位器的抬升基本上不會(huì)存在富余，但是不限位的定位器則可以剩余出80mm。在實(shí)踐過(guò)程中，大風(fēng)上吹角會(huì)導(dǎo)致定位器的抬升量明顯增加，為此，在路堤地段盡量選擇使用不限位的定位器。其中，由于大風(fēng)因素所引起的定位器抬升，應(yīng)對(duì)實(shí)際的抬升量進(jìn)行嚴(yán)格地控制，不允許超過(guò)80mm，與此同時(shí)，將其作為重要參考依據(jù)，在大風(fēng)狀態(tài)下進(jìn)行受電弓運(yùn)行安全性的有效校驗(yàn)[8]。

2.3 仿真的結(jié)果比較

充分結(jié)合受電弓運(yùn)行的安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，針對(duì)仿真過(guò)程所獲取的數(shù)據(jù)信息展開對(duì)比與分析可以發(fā)現(xiàn)：

1）要想有效地解決大風(fēng)荷載所帶來(lái)的接觸網(wǎng)線索變形問(wèn)題，跨距的縮小是最佳的方式。在這種情況下，不斷增加導(dǎo)線的張力并擴(kuò)大其截面的面積，但實(shí)際效果并不明顯。當(dāng)跨距縮小到不超過(guò) 50m的情況下，不同懸掛方案當(dāng)中的跨中接觸線，實(shí)際的偏移程度與要求相適應(yīng)，而定位器的抬升則是其中不可或缺的控制因素。

2）針對(duì)不具備擋風(fēng)墻的情況，應(yīng)將跨距確定成45m。如果具備擋風(fēng)墻，那么跨距應(yīng)當(dāng)確定成40m。在此基礎(chǔ)上，各個(gè)懸掛方案定位器的實(shí)際抬升量都不超過(guò)80mm，并且與其抬升的標(biāo)準(zhǔn)要求相吻合。

3）CTS120接觸線與CTS150接觸線實(shí)際的波動(dòng)傳播速度大概保持一致，而且，根據(jù)弓網(wǎng)受流質(zhì)量來(lái)講，在大風(fēng)條件下，正反定位點(diǎn)的高差越小，導(dǎo)線的平順程度就越高，而且還會(huì)直接提高受流的質(zhì)量。

通過(guò)上述研究與分析發(fā)現(xiàn)，在大風(fēng)區(qū)段可以通過(guò)對(duì)JTMH95+CTS120這一懸掛組合予以合理地運(yùn)用，且在沒(méi)有擋風(fēng)墻的情況下，將跨距確定為45m。

2.4 腕臂的應(yīng)力分析

若選擇使用結(jié)構(gòu)風(fēng)速的設(shè)計(jì)方式，針對(duì)腕臂支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力展開深化分析可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力主要集中在套管雙耳與定位支座等相關(guān)位置。對(duì)于腕臂而言，應(yīng)力主要集中于平腕臂和斜腕臂的連接部位，在故障發(fā)生以后要想規(guī)避接觸網(wǎng)的塌網(wǎng)問(wèn)題，應(yīng)將加強(qiáng)支撐合理地設(shè)置在兩個(gè)腕臂之間，并將其當(dāng)做結(jié)構(gòu)冗余，確保對(duì)定位管防風(fēng)支撐的合理設(shè)置。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的鐵路接觸網(wǎng)風(fēng)速設(shè)計(jì)，必須要具有較強(qiáng)的針對(duì)性。在此過(guò)程中，位于風(fēng)口高路堤位置所引起的風(fēng)速最大且風(fēng)向上吹角變化也最為明顯，影響接觸網(wǎng)的程度隨之提高。接觸網(wǎng)設(shè)置的主要目標(biāo)就是確保受電弓始終處于安全運(yùn)行的狀態(tài)。但需要注意的是，跨中接觸線水平偏移的數(shù)值不允許高于 400mm，而且因大風(fēng)因素所形成的定位器抬升，實(shí)際的抬升量也必須不超過(guò)80mm。通過(guò)對(duì)電氣化鐵路接觸網(wǎng)防風(fēng)技術(shù)的分析，以期提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

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