齒軌鐵路接觸軌帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)方案及其可行性研究

李慶軍,關(guān)金發(fā),陳 展

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043； 2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 611756；3.杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司,杭州 310018)

引言

齒軌鐵路是一種專(zhuān)用于地勢(shì)起伏較大的交通形式，其主要特點(diǎn)是在列車(chē)轉(zhuǎn)向架中部裝有驅(qū)動(dòng)齒輪，在坡道區(qū)段驅(qū)動(dòng)齒輪與地面上的齒軌嚙合提升爬坡能力[1]。齒軌鐵路早已在國(guó)外得到成功應(yīng)用，最早應(yīng)用的是1869年美國(guó)華盛頓山齒軌鐵路[2]，在國(guó)內(nèi)的九寨溝、張家界、四姑娘山以及七星山等地也已有規(guī)劃建設(shè)齒軌鐵路[3]。接觸軌是安裝于齒軌鐵路旁的供電設(shè)備，是齒軌鐵路牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分[4]。齒軌鐵路線(xiàn)路最大坡度為250‰，是干線(xiàn)鐵路和城市軌道交通8倍多。由于接觸軌沿鐵路平行布置，在大坡道區(qū)段重力荷載作用下，接觸軌有沿下坡方向滑動(dòng)形變的問(wèn)題。為滿(mǎn)足靴軌可靠受流要求，接觸軌的靜態(tài)空間位置應(yīng)保持不變，需要設(shè)置中心錨結(jié)，抵消接觸軌的重力慣性，因此，對(duì)大坡道區(qū)段接觸軌中心錨結(jié)方案的研究十分必要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)接觸軌系統(tǒng)做了大量的研究，尹洪權(quán)等[5-6]利用ANSYS軟件建立集電靴與接觸軌直接耦合的動(dòng)力仿真模型；張桂林等[7]基于Ansys Workbench 對(duì)鋼鋁復(fù)合接觸軌溫度應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析，得到不同工況下接觸軌溫度應(yīng)力分布模型圖；王鵬[8]推導(dǎo)了第三軌系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)耦合方程，基于 Newmark 算法，研究了接觸軌結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)對(duì)受流質(zhì)量的影響；張鵬飛[9]以SolidWorks Simulation有限元分析軟件為基礎(chǔ)，進(jìn)行了接觸軌膨脹接頭在實(shí)際載荷下的受力分析及疲勞分析；周韜[10]基于接觸軌跨距情況、列車(chē)時(shí)速、靴軌作用力等不同條件，分別對(duì)接觸軌動(dòng)、靜撓度進(jìn)行分析研究，得到系統(tǒng)本身最大的撓度情況；劉艷豐[11]利用有限元分析軟件ANSYS，分析了接觸軌的預(yù)載變形與受流器模態(tài)，建立了受流器與第三軌耦合動(dòng)力學(xué)模型，分析得出受流器慣性力對(duì)接觸壓力檢測(cè)影響較大。目前對(duì)小坡度(線(xiàn)路坡度小于20‰)的接觸軌系統(tǒng)的研究較為豐富[12-14]，但針對(duì)齒軌鐵路大坡道區(qū)段接觸軌的研究尚欠缺。

針對(duì)大坡道區(qū)段由重力荷載引起的接觸軌滑移形變問(wèn)題，首先比較接觸網(wǎng)、接觸軌常用的幾種中心錨結(jié)方案，提出一種可抵消接觸軌重力載荷分量的帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)方案，并通過(guò)分析250‰坡度下接觸軌帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)各零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，研究帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)方案的可行性。

1 帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)方案

1.1 現(xiàn)有柔性架空接觸網(wǎng)中心錨結(jié)方案分析

現(xiàn)有柔性架空接觸網(wǎng)中心錨結(jié)方案為：接觸線(xiàn)通過(guò)中心錨結(jié)繩將沿線(xiàn)路方向的合力差傳遞給承力索，承力索通過(guò)中心錨結(jié)下錨拉線(xiàn)將承力索和接觸線(xiàn)沿線(xiàn)路方向的合力差傳遞給支柱，如圖1所示。帶拉線(xiàn)的中心錨結(jié)是柔性架空接觸網(wǎng)常用的中心錨結(jié)方案，具有防止接觸懸掛沿線(xiàn)路中心方向竄動(dòng)和防止接觸懸掛一側(cè)斷線(xiàn)影響另一側(cè)的功能[15-16]。

圖1 柔性架空接觸網(wǎng)帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)方案

1.2 現(xiàn)有剛性架空接觸網(wǎng)中心錨結(jié)方案分析

現(xiàn)有剛性架空接觸網(wǎng)中心錨結(jié)方案為：匯流排通過(guò)中心錨結(jié)繩將沿線(xiàn)路方向的合力差傳遞給支柱，如圖2所示。帶拉線(xiàn)的中心錨結(jié)也是剛性架空接觸網(wǎng)常用的中心錨結(jié)方案[17-18]。

圖2 剛性架空接觸網(wǎng)帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)方案

1.3 現(xiàn)有接觸軌中心錨結(jié)方案分析

目前，在線(xiàn)路坡度小于20‰時(shí)，接觸軌采用兩個(gè)防爬器安裝在絕緣支架兩側(cè)的中心錨結(jié)方案，實(shí)現(xiàn)防竄功能，如圖3所示；在線(xiàn)路坡度≥20‰，<40‰時(shí)，接觸軌采用兩個(gè)相鄰絕緣支架安裝兩組防爬器的中心錨結(jié)方案，絕緣支架間距一般為600～700 mm，如圖4所示；在線(xiàn)路坡度≥40‰時(shí)，接觸軌采用3個(gè)相鄰絕緣支架安裝3組防爬器的中心錨結(jié)方案，如圖5所示。按照現(xiàn)有接觸軌的中心錨結(jié)方案，坡度為250‰的齒軌鐵路，接觸軌的中心錨結(jié)選擇3組防爬器中心錨結(jié)的方案[19]。現(xiàn)有接觸軌中心錨結(jié)方案均利用防爬器直接固定安裝在接觸軌兩側(cè)，通過(guò)與絕緣支架接觸，防止接觸軌沿線(xiàn)路中心竄動(dòng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于安裝[20]。但由于防爬器與絕緣支架存在一定的安裝間隙，且每個(gè)防爬器與絕緣支架的安裝間隙不等，當(dāng)接觸軌竄動(dòng)時(shí)，無(wú)論絕緣支架有幾個(gè)，實(shí)際上僅會(huì)有一個(gè)防爬器與絕緣支架緊密接觸，此時(shí)，假設(shè)防爬器上受到的接觸軌重力分力Fg直接作用于絕緣支架上，絕緣支架受到的力為Fp=Fg，如圖6所示。當(dāng)某個(gè)防爬器與絕緣支架長(zhǎng)期受到重力分力作用擠壓變形后，有可能相鄰的防爬器會(huì)分擔(dān)部分重力分力，因此，多個(gè)絕緣支架組成的中心錨結(jié)方案的安全性比單個(gè)絕緣支架的高，但仍然避免不了其中一個(gè)絕緣支架承擔(dān)絕大部分重力分力的問(wèn)題。

圖3 線(xiàn)路坡度<20‰接觸軌防爬器中心錨結(jié)方案

圖4 線(xiàn)路坡度在20‰～40‰之間接觸軌中心錨結(jié)方案

圖5 線(xiàn)路坡度≥40‰接觸軌中心錨結(jié)方案

圖6 現(xiàn)有接觸軌中心錨結(jié)受力示意

1.4 接觸軌帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)分析

目前柔性架空接觸網(wǎng)、剛性架空接觸網(wǎng)的中心錨結(jié)都是帶拉線(xiàn)的，即中心錨結(jié)繩。在錨段跨距中間設(shè)置中心錨結(jié)后，當(dāng)接觸線(xiàn)一側(cè)發(fā)生斷線(xiàn)后，另一側(cè)由于受到中心錨結(jié)繩的作用，不會(huì)松動(dòng)，有效控制了事故范圍的延伸[15]。大坡度齒軌鐵路接觸軌中，在接觸軌自身重力的作用下，中心錨結(jié)容易發(fā)生偏移，接觸軌的可靠性下降，影響供電安全。因此，可參考接觸網(wǎng)中的中心錨結(jié)繩的原理，設(shè)計(jì)帶拉線(xiàn)的中心錨結(jié)。

圖7 接觸軌帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)方案

圖8 帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)受力示意

考慮接觸軌錨段長(zhǎng)度最大為90 m，坡度最大為250‰情況，對(duì)帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)進(jìn)行靜力學(xué)仿真，校驗(yàn)帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2 大坡道區(qū)段中心錨結(jié)靜力學(xué)仿真模型

2.1 三維模型

考慮帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)結(jié)構(gòu)、線(xiàn)路坡度，建立了250‰接觸軌中心錨結(jié)的三維模型，模型涵蓋了接觸軌、中心錨結(jié)、絕緣支架等零部件，如圖9所示。帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)在普通型中心錨結(jié)基礎(chǔ)上加裝了一根拉線(xiàn)，用以抵消大坡度下接觸軌沿線(xiàn)路方向的重力載荷分量。

圖9 帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)接觸軌三維模型

2.2 有限元仿真模型

基于帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)接觸軌三維模型，各零部件加載荷載，并利用有限元法，建立有限元仿真模型，分析在自重荷載作用下齒軌鐵路接觸軌各零部件的內(nèi)部應(yīng)力。絕緣支架上的螺栓結(jié)構(gòu)，采用“工”形圓柱體代替螺栓結(jié)構(gòu)，在“工”形圓柱體兩端施加壓力來(lái)代替擰緊力，如圖10所示。

圖10 螺栓擰緊力

圖10中螺栓施加的載荷計(jì)算如下

(1)

式中，F(xiàn)為軸向力；d為螺栓直徑。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，螺栓力矩大小與公稱(chēng)直徑的計(jì)算關(guān)系見(jiàn)表1。絕緣支架卡爪處采用M12螺栓，軸向力選用23 333 N，絕緣支架支座處采用M10螺栓，軸向力選用12 500 N。

表1 螺栓力矩與軸向力

中心錨結(jié)加載的荷載有：自重和螺栓預(yù)緊力，如圖11所示。其中，上下兩端匯流排的附加力通過(guò)建立相應(yīng)的45 m接觸軌模型并計(jì)算其在端點(diǎn)的反力獲得。

圖11 有限元仿真模型計(jì)算工況

齒軌鐵路接觸軌模型中主要材料參數(shù)見(jiàn)表2。

2.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)有限元仿真，得到齒軌鐵路接觸軌系統(tǒng)中各類(lèi)零部件在不同工況下的應(yīng)力狀態(tài)，分別與最大容許應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)齒軌鐵路接觸軌系統(tǒng)的靜力學(xué)結(jié)構(gòu)是否具有較大的承載能力，是否滿(mǎn)足安全可靠使用的要求。

采用容許應(yīng)力法，對(duì)齒軌鐵路接觸軌系統(tǒng)中所有的零部件進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)的分析，根據(jù)零部件采用的材料不同，其容許應(yīng)力也有差異，具體零部件的容許應(yīng)力見(jiàn)表2，其中，安全系數(shù)(材料屈服強(qiáng)度與容許應(yīng)力的比值)取1.5。

表2 齒軌鐵路接觸軌模型中主要材料參數(shù)

3 靜力學(xué)仿真結(jié)果與分析

對(duì)帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)的接觸軌進(jìn)行靜力學(xué)仿真，最大應(yīng)力出現(xiàn)在絕緣支架本體上，為94.705 MPa，防爬器最大應(yīng)力為29.041 MPa，應(yīng)力分布如圖12所示。

圖12 帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)應(yīng)力狀態(tài)

帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)的絕緣支架應(yīng)力較小，這說(shuō)明接觸軌的重力荷載分量被拉桿分擔(dān)，中心錨結(jié)處及絕緣支架所承受的接觸軌重力載荷相對(duì)較小，產(chǎn)生的應(yīng)力也相應(yīng)減小。

根據(jù)帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)的接觸軌靜力學(xué)仿真可知，帶拉線(xiàn)絕緣支架帶斜拉桿式中心錨結(jié)的應(yīng)力滿(mǎn)足容許應(yīng)力要求(安全系數(shù)>1.5)。中心錨結(jié)主要零部件應(yīng)力情況見(jiàn)表3。

表3 兩種中心錨結(jié)的零部件應(yīng)力情況

由表3可知，帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)各零部件的安全系數(shù)都大于1.5，滿(mǎn)足容許應(yīng)力要求。

4 結(jié)論

通過(guò)比較接觸網(wǎng)、接觸軌的中心錨結(jié)方案，提出了一種適用于大坡道區(qū)段接觸軌帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)方案。對(duì)錨段長(zhǎng)度為90 m、坡度為250‰的接觸軌帶拉線(xiàn)中心錨結(jié)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，其最大應(yīng)力為94.71 MPa，防爬器最大應(yīng)力為29.04 MPa，中心錨結(jié)零部件安全系數(shù)最小為2.323，滿(mǎn)足容許應(yīng)力要求，可用于大坡道區(qū)段接觸軌中。