大风区高速铁路接触网AF线抗风研究

王玉环

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

兰新高铁自开通以来多次发生附加导线舞动、大幅振动情况，特别是AF线。2014年3月及2015年4月～5月，百里风区吐哈至小草湖西区间内DK1448+700、DK1453+100、DK1453+300、DK1454+600及DK1465 AF线、PW线在大风作用下，出现了跨中大幅度振动现象，挡风墙后方振动极其频繁，导致线材固定点机械疲劳断股，悬挂零部件连接处磨损严重。

目前设计和运营部门对兰新铁路、兰新高铁运营过程的故障监控、技术梳理、整治提升等都有一定的经验基础。调查AF线大幅振动的原因后，提出更具有抗风能力的设计方案，使大风环境下的附加导线系统的设计理念，更趋于系统化、简约化、标准化模式的完善。

1 大风区挡风墙后方AF线运动特性

1.1 挡风墙

兰新高铁大风区Ⅳ区及Ⅴ区的来风侧路基上设置挡风墙(屏)，挡风墙的高度设置根据可挡风速抗倾覆数值计算确定。挡风墙的高度为3.5～4.0 m，可保证列车在运行过程中不被倾覆。《兰新铁路第二双线防风工程及路基关键技术科研项目和设计方案审查会议纪要》(铁建设函[2010]54号)中对于设置挡风墙与接触网系统抗风的关系明确规定“防车不防网”，因此接触网系统抗风必须进行专项研究[1-3]。

1.2 引起AF线大幅振动的原因

风季期间，经实地勘察发现，引起附加导线大幅振动的主要有两方面的原因。一是，此区段处于微地形地貌特殊风口(图1)，导流堤引起大风加速区向来风侧前移，并与挡风墙形成二重加速，导致紊流加大，风频率与正馈线、保护线固有频率较接近易激发驰振。

图1 微地貌陡变

二是，附加导线受挡风墙增速效应影响(图2)，从风速等值云图及附加导线与挡风墙间的相对关系可以看出，附加导线悬挂恰落在橘黄色警示增速区，附加导线大幅度摆动的位置均为迎风挡风墙一侧线路上，而远离侧未发生。可见挡风墙对大风的增速效应且有一定的仰角是附加导线大幅振动的激励源[1-3]。

图2 挡风墙后平均风速等值线云图

1.3 挡风墙后方附加导线风场模拟分析

采用ANSYS-Fluent软件进行分析计算，选环境风速值30 m/s及40 m/s常态风速等级，对附加导线中的AF受结构气动升力影响引起的墙后方尾流漩涡振动的特性进行模拟分析，详见图3。

图3 AF线处尾流风速时程曲线

2 工程已实施措施及引起风振的内因

2.1 工程已实施的抗风措施

兰新高铁建设期间，采取了一些缓解附加导线的风振措施，如保护线(PW)降至挡风墙下，避免大风干扰，目前运营效果良好；AF线采取加大张力、增设防舞鞭、间隔棒等措施，但效果甚微。

2.2 AF线风振的物理因素

根据大量的观测资料可知，AF线振动的轨迹在垂直于导线轴线的截面内呈椭圆状。椭圆的长轴与铅垂方向的夹角一般在15°左右，而长轴与短轴的比在2∶1～5∶1的范围内[4]，长轴的最大半径长度可达1倍弧垂，详见图4。

图4 风振运动轨迹

目前附加导线系统AF线设计均为“杆杆耐张”设计方法，张力、驰度随着温度变化而变化，固有频率呈线性变化，与某风速下的交变频率发生耦合后产生了大幅振动的几率很大。下面对AF线在风场内风振频率进行分析。推导出引起AF线振动(舞动)轨迹的椭圆长径与振动(舞动)频率。

Y=ηUwcosβ/f[4]

(1)

式中Y——舞动轨迹的椭圆直径；

η——舞动气象系数；

Uw——风速；

β——风向与导线的夹角；

f——振动频率。

现场观测与研究表明，导线振动频率一般与导线的某阶次的固定频率fn接近。

(2)

式中n——振动的阶次，1；

l——跨距，取50 m；

T——AF线张力，最大张力为15 kN；

m——AF线单位长度质量。

当风速大于40 m/s时，AF线的最低频率为1.1 Hz，风季时AF线的固有频率为0.85～1 Hz，耦合几率很小，因此AF线在大风作用时发生大幅振动的风速多为30 m/s及以下的频段，详见图5。

图5 风振频率分布

分析可知，造成AF线大幅振动的条件主要有二：一是线索驰度与风偏的长、短轴比例；二是线索固有频率与某一风速下的频率耦合情况。

兰新高铁已运营满4年，经过长期观察发现接触网系统状态完好，大风季未发生任何形式的振动。由于接触网系统为恒张力全补偿设计，所以一跨内接触网的固有频率为恒定值1.43 Hz，当风速为23.1 m/s时，交变频率与固有频率耦合也仅为1次，并且此刻接触网的长、短轴比差很大，接触网无法形成振动运动轨迹，因此接触网发生驰振的几率非常小，这与接触网恒张力全补偿设计密切相关。

3 AF线补偿设计关键技术

借鉴接触网设计理念，对大风区AF线设计也采用恒张力补偿，对于温差引起的线胀给予及时的补偿，保证AF线在季节交替情况下处于稳态的一种新型抗风模式。但是，此项抗风措施是否长效；技术的可靠性及可实施性是否满足系统要求；这种技术处理方式能否在既有线路上应用，需要进行系统分析。并在大风试验基地建立了试验段对此项技术加以证明。

3.1 补偿原则

新疆风季一般集中在4、5月，8、9月[5-6]，风季最高温度一般不超过25 ℃，本着经济性及故障率考虑，只设置单边补偿。

本次研究的AF线恒张力补偿设计，其额定工作张力的确定主要受线索耐受能力、驰度与风偏、既有网柱合架支柱及基础容量等因素制约。

(1)AF线索的耐受能力

风区采用的AF线的线型为铝包钢芯铝绞线LBGLJ—300/25[7]，综合拉断力84.57 kN，考虑安全系数后其最大综合张力为33.83 kN。AF线的最大工作张力按照式(3)计算，其结果详见表1。

TAF=Tmiin·0.65Kt·KW·Ki·Ke·Kc[8-10]

(3)

式中TAF——AF线最大工作张力[10]；

Tmiin——AF线最小拉断力[10]；

Kt——最高温度系数[10]；

KW——风荷载系数[10]；

Ki——冰荷载系数[10]；

Ke——补偿精度与补偿效率影响系数，棘轮、滑轮组取0.97，弹补可取0.9[10]；

Kc——终端锚固线夹引起的折减系数[10]。

表1 线索许用工作张力影响系数及计算

从表1可知，AF线最大许用工作张力为27.5 kN。兰新高铁AF线采用的工作张力为15 kN，小于线材的许用张力。采用补偿设计是否需要提高线索张力，还需进行线索驰度、风偏校验。

(2)AF线张力与其驰度、风偏、振幅间关系

AF线无补偿设计时，其跨距为50 m，现场观测发生大幅振动时的环境风速为40 m/s，考虑挡风墙的增速效应取为46.5 m/s[10]，对应的环境温度为25 ℃。如果将AF线张力提高至18 kN及20 kN，则线索的驰度与风偏详见表2。

表2 无补偿悬挂张力与驰度变化

恒张力补偿设计，取一跨等高悬挂抛物线为主体，通过ANSYS-Fluent流体仿真软件计算风振分析[11-14]，详见图6，张力与驰度变化详见表3。

图6 AF线补偿风振及风偏计算模型

工作张力/kN风偏/mm驰度(振幅)/mm15222.9277.918197.6246.3320182.9228.02

AF线补偿后，其3种张力模态下，风偏及驰度均大幅降低，但从综合经济性考虑，如维持原张力系统即可满足抗风要求，则可不提高导线的张力。

综上分析，AF线无补偿设计时仅提高张力，其风偏减少10.21%，驰度(振幅)减少25.1%。如AF线工作张力15 kN时，AF线有补偿与无补偿设计时，其风偏减小了60%，驰度(振幅)减小了48.9%，详见表4。AF线补偿设计后，风偏与驰度的比为0.978(形成大幅振动运动轨迹椭圆轴、径向比为2∶1～5∶1)，因此无法形成激励形状。

表4 AF线无补偿与补偿设计风偏与驰度比较

3.2 AF线补偿系统的组成

AF线补偿系统设计的布置及模块组成主要由对向(终端)下锚、中间悬挂点、补偿电连接、下锚拉线及基础等组成。系统运行的可行性、可靠性及耐久性与其端部补偿装置的选用，中间悬挂点的设置(旋转或窜动)，对向下锚处的电连接动态状况都有着密切关系。在满足抗风基础上，尽量少维护，达到系统简约化模式。

对向下锚的形式为一端硬锚①，一端单边补偿③，中间为线索可自由窜动的悬挂点②布置，总体布置形式，详见图7。

图7 AF线补偿系统组成

3.2.1 补偿器的选择

AF线补偿设计，最重要的是补偿装置的选用。所谓补偿装置即张力自动补偿设备，类型较多，要根据现场的实际情况、利旧实施可靠性、运营维护便利性及经济性能确定。目前采用较多的为重力式补偿如滑轮、棘轮补偿，特殊区段可采用弹簧补偿，下面简要介绍这几种补偿装置的特点。

(1)重力式补偿

国内常用的重力式补偿为滑轮组及棘轮组，滑轮组因其结构的铰接点繁多，整体抗扭差，不利抗风，承载力小于20 kN且无断线制动功能，因此在大风区接触网系统未被采用。

兰新铁路及兰新高铁大风区接触网全补偿下锚均采用传动比为1∶3棘轮补偿装置[14-15]，其补偿功能、传递效率至今为止最安全可靠，补偿效率可达97%，适用于大张力系统。棘轮补偿装置由棘轮支架、销轴、棘轮齿本体、制动齿、钢丝绳等部件组成，采用铝合金材质，质轻且具有断线制动功能，运营经验丰富。但是对于AF线对向下锚处采用棘轮装置首次提出，存在结构及安装上的优缺点：

①AF线与接触网补偿装置统一，便于运营维护技术及标准的统一，安全可靠。

②AF线对向下锚需设置串坠砣及限制架，原支柱增加了10 kN轴压力。

③安装空间受限制，限制架与对向拉线可能会干扰，连接的设备及零部件较多，不利于简约化管理，详见图8。

图8 AF线对向下锚棘轮补偿装置

(2)弹簧补偿装置

弹簧补偿器分为恒张力与非恒张力补偿器，恒张力弹簧补偿器采用涡卷弹簧组片，渐开线轮体保证温度变化时输出的张力恒定，其效率损失不大于±5%[15]，详见图9。非恒张力补偿器主要是由柱式弹簧组成，补偿效率损失±15%，弹簧组片间润滑油的油温适应-30～+30 ℃，详见图10。

图9 恒张力蜗卷弹簧补偿器

图10 非恒张力双柱式压簧补偿器

弹簧补偿装置因无坠砣及限制架等辅助设备，结构简单，安装便利，基本可以做到免维护，因AF线无平顺度要求，能补偿大风引起导线极大幅值的线胀，即可满足系统抗风技术要求。

经几种补偿器的综合技术性能、安装空间、运营维护简约化比较，在路基上拟采用棘轮补偿装置，在桥梁采用弹簧补偿装置。桥梁上的挡风屏距支柱边缘距离不大于200 mm，安装空间受限。

3.2.2 AF线悬挂点装置

AF线锚段长度为1 000 m，悬挂点应具备使导线自由偏移或窜动功能，悬挂方式主要有两种，一种采用旋转腕臂，温差引起的线胀极限偏转角度约为50°，与接触网腕臂的安全距离不满足电气及机械要求。另一种V型悬挂结构，AF线悬挂采用导向式悬吊滑轮，并增设预绞式护线条。导向滑轮采用双组外包式滑轮，导线置于双轮内，可有效避免脱槽，轮轴间采用自润滑轴承。导向式滑轮双耳与三联板连接垂直线路方向可自由旋转，双耳内过盈配合自润滑轴承，轮体可采用铝合金，也可采用复合材料制造，详见图11。

图11 导向式悬吊滑轮

3.2.3 AF线对向下锚处跳线安装

AF线采用补偿设计后，对向下锚处采用弹簧或棘轮补偿，普通的电连接线均无法避免因风摆造成的线夹损坏及线索疲劳，因此研制了新的抗风型带补偿功能的滑动式电连接，详见图12。

图12 滑动式电连接

4 AF线补偿方案试验段实施及监测

4.1 试验段

为了验证AF线系统补偿设计的可行性，利用老十三间房接触网大风区试验基地进行工程试验。试验段自2009年4月建立，前后经历了兰新铁路及其科研项目《强风地区电气化铁路接触网防风技术研究》和兰新高铁及其科研项目《大风环境下接触网运营安全技术研究》的试验实施。此试验段位于百里风区谷口重叠带，常年大风侵袭，曾发生火车倾覆事故，有完整的挡风墙，详见图13。

图13 老十三间房试验基地全貌

试验段AF线采用单边补偿，补偿装置采用弹簧或棘轮补偿，设立2个锚段。AF线悬挂仍然采用V型悬挂，悬挂点处采用导向式悬吊滑轮，线胀时可自由窜动，对向下锚处电连接采用滑动式补偿电连接等，试验段现场详见图14。AF线补偿设计技术参数详见表5。

图14 老十三间房试验段

项目第1锚段第2锚段备注悬挂方式V型悬挂V型悬挂线材规格LBGLJ-300/25LBGLJ-300/25工作张力/kN1515标准跨距/m4040锚段长度/mm580500补偿装置类型棘轮补偿弹簧补偿极限温差线胀/mm887.5765恒张力补偿下最大驰度/mm144.67144.67跨中最大驰度

4.2 在线监测系统

针对此项目，试验基地建立了接触网在线监测系统。采用精密惯性传感器核心技术，基于无线通讯网络，实时采集AF线的运动及物理状态参数，由专用局域网将多状态数据传输到数据中心，依据专家系统及模糊理论，将监测参量定量表示和综合分析处理，起到AF线风场状态远程实时监测和故障预警的作用，详见图15、图16。

图15 试验基地安装监测设备

图16 在线监测系统布局情况(单位：m)

5 结语

AF线补偿设计试验段建立后，经历了3个风季。2017年9月对17号支柱AF线监测点进行监测振动幅值提取，详见图17。振动幅值(水平、垂直)对应的发生风速，详见图18。

图17 有补偿、无补偿情况下振动监测曲线

图18 有补偿、无补偿情况下振动监测风速

同一大风条件下，AF线无补偿时其跨中监测点最大振动幅值为竖直向1157 mm，水平向610 mm；同一时间，带补偿恒张力设计的AF线最大振动幅度值为180 mm，水平向85 mm。试验基地内AF线补偿设置与非补偿设置对比试验经历了3个风季后，其中补偿设计的AF线未发生舞动现象，振幅与水平位移比小于1∶4。实时监测数据表明，有补偿恒张力设置的AF线振动幅值比无补偿时其振动幅值小2～4倍。

AF线恒张力补偿设计作为长效抗风措施，采用工程试验段进行验证，试验段的建立主要是观测其大风时的应用状态及系统约束参数的变化，也为正式工程的使用奠定了可靠的理论及实践基础。