剛性接觸網(wǎng)錨段關節(jié)布置研究

劉峰濤，孫少南

0 引言

隨著時速160 km的北京新機場線開通運營，更高速度的剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)研究已提上日程。本文針對剛性懸掛錨段關節(jié)傳統(tǒng)布置方式存在的問題，從自重撓度、變形的均勻性、邊跨與中間跨靜態(tài)彈性的一致性角度出發(fā)，采用靜力學方法計算擬定關節(jié)的立面和平面布置方案，通過動態(tài)仿真進行比較和驗證，確定影響受流質(zhì)量的關鍵因素。在大量仿真驗證的基礎上，提出120～250 km/h剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的模型。由于膨脹元件的實際運行效果不佳[1]，本文僅針對斷口式錨段關節(jié)[2]進行研究，不考慮貫通式錨段關節(jié)（膨脹元件）和剛?cè)徇^渡。

1 剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)運行速度關鍵影響因素

動態(tài)仿真及現(xiàn)場檢測顯示，剛性接觸網(wǎng)中間跨 處的接觸力變化平穩(wěn)，錨段關節(jié)處的接觸力波動較大，錨段關節(jié)是制約剛性接觸網(wǎng)動力性能的關鍵部位，關節(jié)的布置構造是影響剛性接觸網(wǎng)平穩(wěn)運行及運行速度的關鍵因素[1]。

關節(jié)處弓網(wǎng)受流不佳主要是由于其布置不合理導致。剛性接觸網(wǎng)的剛度較大，自重撓度較?。缇?，8，10 m的跨中撓度分別為1.2，3.4，7.8 mm），靜態(tài)彈性不均勻（跨中與懸吊點的彈性相差1～2個數(shù)量級，彈性差異系數(shù)達45%～98%）[1]，再加上關節(jié)處剛度和質(zhì)量分布不連續(xù)，導致關節(jié)處易形成硬點，對受電弓產(chǎn)生沖擊，降低受流質(zhì)量。因此，為改善弓網(wǎng)受流質(zhì)量，提高剛性接觸網(wǎng)的運行速度，有必要對錨段關節(jié)的布置進行全面系統(tǒng)的研究。

2 錨段關節(jié)布置研究

2.1 關節(jié)立面布置

關節(jié)處接觸力變化如圖1所示。當?shù)?懸吊點不抬高（安裝高度按設計導高設置，各懸吊點等高，為傳統(tǒng)布置方式）或抬高量較小時，受電弓一般受到2次沖擊后才能與錨段二實現(xiàn)完全接觸，與錨段一脫離，接觸力波動較大，關節(jié)處接觸力的變化如圖1（a）所示。當?shù)?懸吊點抬高量在適當范圍內(nèi)時，受電弓可在關節(jié)內(nèi)平穩(wěn)過渡，接觸力波動較小，關節(jié)處接觸力的變化如圖1（b）所示。當?shù)?懸吊點的抬高量過大時，受電弓在錨段二的第2懸吊點附近與錨段二接觸并受到?jīng)_擊，接觸力波動較大。第1懸吊點抬高量變化時關節(jié)內(nèi)受電弓與匯流排的接觸情況見圖2。

圖1 關節(jié)處的接觸力變化

圖2 抬高量變化時受電弓與匯流排的接觸區(qū)域

圖3所示為北京新機場線剛性懸掛在第1懸吊點不同抬高量時接觸力的變化情況?？梢钥闯觯Ц吡繛?，9，10 mm時出現(xiàn)離線，抬高量為1，2 mm時接觸力波動很大，抬高量為3～8 mm時接觸力波動較小。因此，第1懸吊點的抬高量設定為5 mm，考慮±2 mm的施工誤差，抬高量允許范圍為3～7 mm。

圖3 第1懸吊點不同抬高量時接觸力的變化

2.2 關節(jié)平面布置

基于自重撓度變形的均勻性、相鄰錨段對應跨距內(nèi)變形的一致性、邊跨與中間跨靜態(tài)彈性的一致性、增減錨段關節(jié)長度等方面考慮，通過靜力計算方法擬定了多種錨段關節(jié)平面布置型式，其中7種型式的相關參數(shù)見表1（表內(nèi)示意圖中實線代表錨段一，虛線代表錨段二，數(shù)值單位為m）。

表1 7種錨段關節(jié)布置型式

在第1懸吊點無抬高的情況下，通過對上述7種布置型式進行動態(tài)仿真分析，發(fā)現(xiàn)關節(jié)處的接觸力波動均較大甚至出現(xiàn)離線，受流質(zhì)量較差。當?shù)?懸吊點適當抬高時，受流質(zhì)量均有所提高。表2列出了第1懸吊點抬高量為5 mm時，第1，2，4號3種布置型式的弓網(wǎng)接觸力仿真結(jié)果。由表2數(shù)據(jù)可知，3種布置型式接觸力的平均值、標準偏差、最小值差別很小，接觸力最大值相差約8%，受流質(zhì)量均較好。

對錨段關節(jié)平面布置的研究表明，跨距大小、靜態(tài)變形的一致性、靜態(tài)彈性的均勻性對關節(jié)處的受流質(zhì)量影響相對較小，再次驗證了第1懸吊點抬高量為影響關節(jié)處受流質(zhì)量的關鍵因素。

表2 第1懸吊點抬高量為5 mm時弓網(wǎng)接觸力 N

2.3 錨段關節(jié)最優(yōu)布置

通過對錨段關節(jié)立面布置和平面布置的研究，驗證了第1懸吊點抬高量為影響關節(jié)處受流質(zhì)量的關鍵因素。第1懸吊點抬高量的最優(yōu)取值范圍與懸臂跨的長度、翹起抬高段的長度、第1～3跨的跨距布置、錨段長度、行車速度、受電弓靜態(tài)抬升力等參數(shù)有關，工程設計時應結(jié)合具體工程情況通過仿真計算確定。

另外，錨段關節(jié)的平面布置應便于正常的施工安裝調(diào)整。根據(jù)實際工程經(jīng)驗，當?shù)?跨的跨距較小時（如目前大部分工程采用2.0 m），若僅抬高第1懸吊點，施工調(diào)整困難。此時可將第1懸吊點和第2懸吊點按比例同時抬高，并適當增加錨段關節(jié)長度，這樣既能保證平穩(wěn)受流，又便于施工調(diào)整，如圖5所示。當?shù)?跨的跨距較大時，僅將第1懸吊點抬高即可。

圖5 第1和第2懸吊點抬高時關節(jié)布置

3 基于隧道管片寬度的剛性接觸網(wǎng)跨距布置

目前，許多隧道的襯砌是由一定寬度的管片組合而成，管片內(nèi)預留槽道。剛性懸掛的跨距布置須根據(jù)管片寬度（或預埋槽道的間距）進行調(diào)整。隧道管片的常用寬度為1.2 m和1.5 m（相應的槽道間距分別為1.2 m和1.5 m）。

管片寬度為1.2 m時，剛性懸掛的標準跨距可為7.2 m（6×1.2 m），8.4 m（7×1.2 m），9.6 m（8×1.2 m）、10.8 m（9×1.2 m），12.0 m（10×1.2 m）；懸臂長度為1.8 m和1.5 m時，關節(jié)長度分別為7.2 m和6.6 m。

管片寬度為1.5 m時，剛性懸掛的標準跨距可為7.5 m（5×1.5 m），9.0 m（6×1.5 m），10.5 m（7×1.5 m），12.0 m（8×1.5 m）；懸臂長度為1.8 m和1.5 m時，關節(jié)長度分別為8.1 m和7.5 m。

根據(jù)仿真計算，列車運行速度不超過160 km/h條件下，隧道管片寬度為1.2 m時，推薦采用的標準跨距為8.4 m和9.6 m，關節(jié)長度為7.2 m（或6.6 m）；隧道管片寬度為1.5 m時，推薦采用的標準跨距為9.0 m和10.5 m，關節(jié)長度為8.1 m（或7.5 m）?？缇嘟M合見表3。

表3 基于隧道管片寬度的剛性接觸網(wǎng)跨距布置 m

4 快速剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)

4.1 布置方案

采用電氣化鐵路常用型號的受電弓與不同跨距的剛性接觸網(wǎng)組合成弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)，通過大量的仿真計算，確定了4個速度等級的快速剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)跨距布置方案，參見表4。表中括號內(nèi)布置方案僅需第1懸吊點抬高，括號外布置方案宜將第1懸吊點和第2懸吊點同時抬高。

表4 快速剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)跨距布置

以下為各標準系統(tǒng)的主要參數(shù)說明。

（1）ORCR-100標準系統(tǒng)。該標準系統(tǒng)目標速度為100 km/h；標準跨距12 m；標準錨段長度503 m；關節(jié)長度9.0 m；終端懸臂長度1.5 m，翹起段長度1.0 m；匯流排端部翹起70 mm；第1懸吊點抬高量4～10 mm，第2懸吊點抬高量3～7.5 mm。

（2）ORCR-160標準系統(tǒng)。該標準系統(tǒng)目標速度為160 km/h；標準跨距10 m；標準錨段長度506 m；關節(jié)長度9.0 m；終端懸臂長度1.5 m，翹起段長度1.0 m；匯流排端部翹起70 mm；第1懸吊點抬高量4～10 mm，第2懸吊點抬高量3～7.5 mm。

（3）ORCR-200標準系統(tǒng)。該標準系統(tǒng)目標速度為200 km/h；標準跨距8 m；標準錨段長度505 m；關節(jié)長度9.0 m（6.5 m）；終端懸臂長度1.5 m，翹起段長度1.0 m；匯流排端部翹起70 mm；關節(jié)長度9.0 m時，第1懸吊點抬高量4～10 mm，第2懸吊點抬高量3～7.5 mm；關節(jié)長度6.5 m時，第1懸吊點抬高量3～12 mm。

（4）ORCR-250標準系統(tǒng)。該標準系統(tǒng)目標速度為250 km/h；標準跨距6～8 m；標準跨距為8，7.5，7，6 m時，標準錨段長度分別為505，499，495，499 m；關節(jié)長度9.0 m（6.5 m）；終端懸臂長度1.5 m，翹起段長度1.0 m；匯流排端部翹起70 mm；關節(jié)長度9.0 m時，第1懸吊點抬高量4～10 mm，第2懸吊點抬高量3～7.5 mm；關節(jié)長度6.5 m時，第1懸吊點抬高量3～12 mm。從經(jīng)濟角度考慮，ORCR-250系統(tǒng)的標準跨距推薦采用8 m。

4.2 彈性組件與懸吊結(jié)構型式

需要特別說明的是，速度在200 km/h及以下時，不需要采用彈性線夾，且懸吊結(jié)構型式對受流質(zhì)量影響不大；速度超過200 km/h后，弓網(wǎng)系統(tǒng)的振幅較大，受電弓受到的沖擊效應加劇，須對懸吊點的彈性進行優(yōu)化，宜采用彈性線夾。彈性線夾的剛度取值范圍為70～10 000 kN/m，可用線剛度模擬[3]；懸吊結(jié)構型式宜采用水平懸吊結(jié)構。部分仿真結(jié)果對比見表5。

表5 懸吊結(jié)構型式與線夾彈性對接觸力的影響

對于ORCR-250標準系統(tǒng)，并不是所有型號受電弓均滿足要求，須通過仿真分析選擇匹配的受電弓型號，并采用具有合適剛度的專用彈性組件（彈性線夾、彈性支座）或特殊型式的懸吊結(jié)構。

各標準系統(tǒng)中，懸臂長度、各跨的跨距、錨段長度、懸吊點抬高量可以根據(jù)現(xiàn)場實際安裝條件和產(chǎn)品類型（如匯流排與匯流排終端的長度及斷面尺寸、懸吊結(jié)構型式等）進行適當調(diào)整。當?shù)?跨的跨距較小，第1懸吊點抬高量不易調(diào)整時，可通過加大第1跨的跨距或設置第2懸吊點的抬高量來實現(xiàn)調(diào)整。

經(jīng)初步分析，在采用特定型號的受電弓及合適剛度的彈性線夾，標準跨距為6 m時，剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的運行速度可以達到300 km/h，但經(jīng)濟性相對較差，有待進一步深化研究。

隨著速度的提高，對匯流排安裝高度的要求也相應提高。應研究定位點處幾何誤差對弓網(wǎng)動力特性的影響，據(jù)此確定適當?shù)南嚓P施工安裝和驗收標準[4]。

5 結(jié)語

本文通過對錨段關節(jié)布置的研究，得出以下主要結(jié)論：

（1）錨段關節(jié)的布置尤其是立面布置對剛性接觸網(wǎng)至關重要，第1懸吊點抬高量是影響受流質(zhì)量的最關鍵因素。

（2）剛性接觸網(wǎng)的跨距布置可基于隧道管片的寬度（或預埋槽道間距）確定。

（3）基于當前的技術水平，在考慮經(jīng)濟性的前提下，剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的運行速度可以達到250 km/h。

（4）本文關于剛性接觸網(wǎng)錨段關節(jié)的研究結(jié)論及快速剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的研究，對開發(fā)速度120 km/h以上快速接觸軌（三軌、四軌）系統(tǒng)具有重要的借鑒意義。

錨段關節(jié)布置問題解決后，剛?cè)徇^渡處成為影響受流質(zhì)量的關鍵部位，需要深化研究，與剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)配套的弓網(wǎng)受流評價標準和驗收標準也需要深入研究制定[5]。