基于歐標(biāo)的波哥大輕軌接觸網(wǎng)參數(shù)計算研究

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.008

摘" 要：為響應(yīng)中國鐵路“走出去”戰(zhàn)略，筆者結(jié)合參與設(shè)計的哥倫比亞波哥大輕軌項目，對基于歐標(biāo)體系的接觸網(wǎng)設(shè)計參數(shù)選取及相關(guān)取值計算進(jìn)行探討，詳細(xì)介紹歐標(biāo)下接觸網(wǎng)相關(guān)計算輸入?yún)?shù)的來源及技術(shù)原則計算過程；參數(shù)選取及設(shè)計原則的計算是接觸網(wǎng)設(shè)計的核心，該文結(jié)合具體項目對取值及計算過程進(jìn)行論述，可為后續(xù)的其他海外城市軌道交通項目接觸網(wǎng)設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：波哥大輕軌；歐標(biāo)；接觸網(wǎng)；參數(shù)選?。挥嬎氵^程

中圖分類號：U225.8" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0030-05

Abstract： In response to China's railways \"going global\" strategy， the author， in conjunction with the participation in the design of the Bogotá Light Rail Project in Colombia， discussed the selection of OCS parameters and related calculations based on the European standard， and provided a detailed introduction to the source and calculation process of input parameters required for OCS related calculations under the European standard. The selection of parameters and the calculation of design principles are the core of catenary design. This paper discusses the value and calculation process combined with specific projects， which can provide reference for catenary design of other overseas urban rail transit projects.

Keywords： Bogotá Light Rail; European Standard; catenary; parameter selection; calculation process

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)得到了迅猛發(fā)展，運營線路規(guī)模、在建線路規(guī)模和客流規(guī)模均居世界第一，已擁有完全自主的設(shè)計、研發(fā)、建設(shè)和運營維護(hù)能力，為響應(yīng)國家鐵路建設(shè)“走出去”戰(zhàn)略，作者結(jié)合實際項目對歐洲標(biāo)準(zhǔn)下的接觸網(wǎng)參數(shù)計算進(jìn)行探討；根據(jù)項目特點，本線采用2種不同的接觸網(wǎng)懸掛方式，分別為彈性簡單懸掛（Tramway type）和彈性簡單鏈形懸掛（Railway type）。彈性鏈型懸掛接觸網(wǎng)在國內(nèi)應(yīng)用廣泛且技術(shù)成熟，可參考的技術(shù)資料豐富，因此本文重點對彈性簡單懸掛接觸網(wǎng)的計算進(jìn)行介紹。

1" 項目簡介

Regiotram（波哥大西部輕軌）位于波哥大西部，線路全長約39.66 km2，全線設(shè)17個車站及一場一段，主要執(zhí)行歐洲（EN）標(biāo)準(zhǔn)及當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)；供電系統(tǒng)采用110/34.5 kV兩級電壓的集中供電方式，牽引網(wǎng)采用DC1500V架空接觸網(wǎng)，結(jié)合線路特征及城市化需求，市區(qū)段采用全補(bǔ)償彈性簡單懸掛（Tramway），郊區(qū)段采用全補(bǔ)償彈性簡單鏈形懸掛（Railway）（圖1）。

2" 執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)

執(zhí)行的主要標(biāo)準(zhǔn)見表1。

3" 接觸網(wǎng)參數(shù)計算

接觸網(wǎng)設(shè)施會受到機(jī)械、電氣、氣象等方面的載荷和應(yīng)力的影響，為確保電能可靠的傳送到牽引車輛，接觸網(wǎng)必須承受規(guī)定極限內(nèi)的所有載荷和應(yīng)力，并符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求如EN 50119：2020。

3.1" 風(fēng)載荷：峰值速度壓力

峰值速度壓強(qiáng)按哥倫比亞國家標(biāo)準(zhǔn)（NSR 10：2012）的B.6.5.10節(jié)計算，公式如下

式中：Kd為風(fēng)向系數(shù)，Kz為地形系數(shù)，Kzt為地形系數(shù)?？諝饷芏戎?？籽為1.225 kg/m3。本風(fēng)速V為22 m/s用于維修性檢查，28 m/s用于極限狀態(tài)檢查?；撅L(fēng)速的定義見哥倫比亞《國家標(biāo)準(zhǔn)》2012年第10期圖B 6.5-4。Kd的值考慮保守值1.0。根據(jù)B.6.5.7.2節(jié)，Kzt的數(shù)值按1.0選取。I的值按1.15選取。因為需要在地震期間和地震后都能使用，接觸網(wǎng)系統(tǒng)被認(rèn)定是第四組。Kz的值根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NSR 10：2012表B.6.5.3用以下公式計算

式中：Z是高出地形的高度，a和Zg的定義見NSR 10：2012標(biāo)準(zhǔn)中表B.6.5-2。

3.2" 峰值速度壓力

Z=10 m時3種不同地形類別不同風(fēng)速下的風(fēng)壓結(jié)果見表2。

3.3" 導(dǎo)體上的冰載荷

導(dǎo)體上的冰荷載用下式計算

，

式中：b為冰層半徑，d為導(dǎo)體的直徑，ρ為冰的密度。

波哥大地區(qū)的氣候條件適宜，常年平均溫度17 ℃，因此在本項目計算中不需考慮冰荷載。

3.4" 允許的拉應(yīng)力

材料的允許應(yīng)力是所有計算的基礎(chǔ)，其決定了最大張力。接觸線的最大允許工作拉應(yīng)力是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 50119：2020第5.3節(jié)中的定義，用以下公式計算

。

接觸線采用歐標(biāo)線材，其參數(shù)根據(jù)EN 50149：2012中規(guī)定及供應(yīng)商提供的參數(shù)確定（表3）。

因此，可知接觸線工作狀態(tài)允許拉應(yīng)力滿足張力要求，且原始接觸線安全系數(shù)為4.072。

3.5" 跨距的計算

跨距對接觸網(wǎng)投資影響重大，因此本文設(shè)計時盡可能采取較大的跨距，跨距的計算主要取決于受電弓弓頭工作范圍，設(shè)計風(fēng)速及弓網(wǎng)接觸點橫向位移等。

在制定計算時考慮了CRC 1 700 mm受電弓，受電弓型號及主要技術(shù)參數(shù)由列車車輛廠家提供，具體見表4。

3.5.1" 因風(fēng)而產(chǎn)生的最大側(cè)向偏差計算

因風(fēng)引起的最大側(cè)向偏差按以下公式計算

式中：e2max是從曲線外側(cè)吹風(fēng)時的線材位移，e1max是風(fēng)從曲線內(nèi)側(cè)吹來時的線材位移，R（m）=曲線半徑，F(xiàn)w（N/m）=風(fēng)壓，H（N）=接觸線張力，bi，bi+1（m）=接觸線拉出值。

3.5.2" 最大跨距計算

e2max和e1max是根據(jù)不同的拉出值和軌道半徑組合計算得出。這2個數(shù)值的最大值需與受電弓允許的最大側(cè)向位移（300 mm）進(jìn)行比較。

其中，線材規(guī)格為CuAg 0.1 AC 150，線材直徑=14.8 mm，基本風(fēng)速Vb=22 m/s，C和D類地形的峰值速度壓力qz為0.341 kN/m2和0.402 kN/m2，接觸線上的風(fēng)荷載為3.788 N/m和4.467 N/m。

注：Fw是根據(jù)EN 50119：2020標(biāo)準(zhǔn)第6.2.4.3節(jié)所述，使用導(dǎo)線上的風(fēng)方程計算的，即

，

式中：Gc=0.75，Cc=1，θ=0。

風(fēng)力產(chǎn)生的導(dǎo)線偏移是接觸網(wǎng)跨距的決定性因素，圖2顯示了在前面提到的條件下，最大接觸線偏差的結(jié)果。

表5為不同曲線下簡單懸掛跨距表，設(shè)計時在無干擾的區(qū)段盡量使用最大跨距以節(jié)省支柱數(shù)量，達(dá)到節(jié)省成本的目的。

3.5.3" 定位器的徑向載荷

對于簡單懸掛來說，定位器最大負(fù)載出現(xiàn)在最大風(fēng)速情況下，且最大風(fēng)力荷載與“之”字力重合。通過對定位器不同曲線半徑及跨距情況下的計算，可以明確定位器的選取以及用于支柱容量計算。

圖3計算了不同跨距、不同曲線半徑下定位器的徑向載荷，最大和最小徑向載荷分別限制在2 500 N（數(shù)值來源于相應(yīng)供應(yīng)商廠家）和100 N（最小受力值）。

3.6" 最大錨段長度計算

同跨距一樣，最大錨段長度同樣對接觸網(wǎng)投資影響較大，錨段長度主要由架空接觸網(wǎng)溫度范圍，可能的水平張力變化，補(bǔ)償裝置的工作行程，拉出值允許容差和接觸線高度等因素決定。首先，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料查詢，本次計算溫度范圍按-10～100 ℃選取，錨段長度按1 200 m驗證，下錨裝置采用棘輪補(bǔ)償裝置或彈簧補(bǔ)償裝置。據(jù)上文，在計算時不需考慮冰雪負(fù)載引起的長度變化，因此需計算由熱脹冷縮引起的長度變化。

另外，為了確保整個溫度范圍內(nèi)接觸網(wǎng)性能最佳，計算還要考慮由于腕臂及定位器角度導(dǎo)致的接觸線張力消耗，尤其是位于曲線的錨段，張力增量不應(yīng)超過8%。

3.6.1" 熱膨脹引起的長度變化

由于熱脹冷縮引起的電線長度變化用以下公式計算

式中：l為中錨點與下錨點之間的距離，？滓為線材熱膨脹系數(shù)，t1、t2分別為最低環(huán)境溫度及接觸導(dǎo)線最高溫度。

3.6.2" 參數(shù)選取及計算值

參數(shù)選取及計算值見表6、表7。

3.7" 配重工作范圍

對于接觸網(wǎng)下錨補(bǔ)償裝置，設(shè)計需計算墜砣行程范圍以保證墜砣在所有溫度下都能正常工作。工作行程由熱膨脹引起的長度變化和棘輪系統(tǒng)的傳動比相乘得到（棘輪補(bǔ)償傳動比為3∶1）。

式中：A為平均下墜砣高度，l為半錨長度，ta為環(huán)境溫度，tm為平均溫度，n為棘輪組傳動比，α為熱膨脹系數(shù)。

根據(jù)上文參數(shù)，A=3.875 m，計算結(jié)果如圖4所示。

選擇下錨補(bǔ)償裝置時，應(yīng)參考上圖半個錨段長度為600 m時最高溫度及最低溫度確定墜砣行程范圍，同時核對不同情況下接觸網(wǎng)下錨高度并考慮足夠的余量。

3.8" 支柱的載荷及容量選取

3.8.1" 單支柱

正線接觸網(wǎng)錨段的支柱類型有中間柱、轉(zhuǎn)換柱、中心錨結(jié)柱及下錨柱，本項目為雙線電氣化，其支柱又分為2種類型，分別是線間支柱和單側(cè)支柱，線間支柱需要安裝2套腕臂且承受2條接觸線“之”字荷載、徑向力及風(fēng)荷載。根據(jù)EN 50119：2020要求，計算需考慮懸掛自重、最大風(fēng)時負(fù)載，合成負(fù)載等，并分別計算不同曲線半徑下及跨距下綜合載荷。對于下錨柱，安裝有設(shè)備的支柱，還應(yīng)額外考慮相應(yīng)負(fù)載。

3.8.2" 門架柱

車輛段與停車場股道相對密集，在多線區(qū)段接觸網(wǎng)一般采用門架橫跨結(jié)構(gòu)，通過門架橫梁來承受接觸懸掛及其支持結(jié)構(gòu)重力垂直荷載，定位索承擔(dān)接觸網(wǎng)懸掛的徑向力和風(fēng)荷載，軟橫跨將橫承張力、定位索徑向力等施加于門型架邊柱，對于安裝設(shè)備或下錨支柱，還應(yīng)考慮相應(yīng)負(fù)載。由于計算較為復(fù)雜，輸入?yún)?shù)較多，一般需開發(fā)或購買專業(yè)軟件進(jìn)行計算。

3.8.3" 支柱容量選取

根據(jù)支柱載荷計算可得出作用于支柱的重力、垂直線路的力、順線路方向的力，根據(jù)受力高度與基礎(chǔ)面高度差，可得出作用于支柱底部的彎矩，根據(jù)載荷和彎矩值不同可針對性地選取供應(yīng)商提供的產(chǎn)品，為了不影響鐵路運營，還應(yīng)對接觸線高度處的撓度進(jìn)行限制。

4" 結(jié)束語

本文結(jié)合具體項目，對基于國際標(biāo)準(zhǔn)下的架空接觸網(wǎng)各項參數(shù)的計算進(jìn)行了簡單的介紹，對接觸網(wǎng)系統(tǒng)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)確定及設(shè)備參數(shù)選擇具有指導(dǎo)意義；與中國國家標(biāo)準(zhǔn)不同的是，歐洲標(biāo)準(zhǔn)更傾向于對計算方法及參數(shù)選取提出要求而非直接指定取值，本文按照歐標(biāo)要求對接觸網(wǎng)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行計算并提供計算過程，是一次全新的探索，對后續(xù)類似的海外項目設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

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作者簡介：錢高偉（1991-），男，工程師。研究方向為電氣化。