铁路机房设备的防震支座研究

王耀安

（中铁第一勘察设计院集团有限公司通号院，陕西 西安710000）

随着我国经济的发展，铁路路网正在迅速建设，例如青藏高原等地震带沿线均有铁路经过，沿线设置的铁路设备机房至今尚未使用任何防震措施。震动对于铁路设备的影响较大，在GB50174-2017《数据中心设计规范》[1]中，明确规定了电子信息机房的抗震要求。

现其他具有震动敏感度的行业已经在大范围使用防震支座，如博物馆已广泛采用防震支座[2]，保证在震动产生时，震动位移被防震支座吸收，被保护的文物只产生微弱震动或者晃动，不会导致倾倒、碰撞等。更多更普遍的防震、抗震研究集中于设备安装行业，特别是室内设备的安装[3]，部分室内设备，例如发电机等，不仅仅是外部震动会对设备本身产生影响，而且自身的震动同样会对相邻设备产生影响，室内设备的防震、抗震研究显得非常重要。

铁路机房设备也同属于室内电子设备，例如青藏线、兰新线，沿线部分车站的设备机房分布于地震带、地裂带上，容易发生地震，但由于铁路机房的特殊性，使得现在市场上适用的防震支座很难直接应用于现场的安装。因此，本文将从铁路设备机房的特殊性出发，通过多个通用方案的比选，探究并设计出适合于铁路机房设备的防震支座方案。

1 铁路设备机房的特殊性

当前，铁路设备机房内陈列的设备多以电子设备为主，且大多数一直处于运行状态。铁路设备机房[4]内根据这些设备对防护环境的需要，考虑机房电磁环境、等电位连接、机房和线路屏蔽、设置防雷器材等综合防护措施。

防震技术能显著降低信号室内设备机柜结构的自振，通过适当的阻尼大大减弱柜体结构的加速度响应，同时使柜体结构的位移保持在上部机柜与下部结构之间的隔震层上，而不由机柜结构本身的塑形形变承担。在地震过程中，防震支座可以保持上部机柜本身发生的形变较小，仅发生微小的刚性形变。信号系统作为铁路运输系统的控制子系统，需要有较强的可靠性与抗外界干扰性，而放置着信号设备的室内机柜的抗震性尤为重要。

1.1 电磁环境与室内综合接地

以铁路信号机房为例，通常会在设备机房建筑周围设置避雷带和避雷网，室内会设置电磁屏蔽“法拉第笼”。这些措施减少了室内设备受雷电或其他强电磁环境的影响，保证了设备长时间的稳定运行。

铁路机房内设备通常需要进行接地，诸如信号电源屏、联锁机、电力备用发电机等，这些接地在经过室内汇集之后，与室外等电位体相接，室外等电位体在与大地或者贯通地线等可靠连接，使得系统内接地系统成为一个等电位的整体。这些等电位不仅是设备正常运行的保证，同样也是某些电子逻辑能正确达成的基础。

1.2 走线架

以铁路信号机房为例，通常铁路信号设备机房柜上走线架与下走线排同时使用，并需使用防静电地板。上走线架通常固定于柜体，下走线架通常固定于房屋地面，并使用金属支架支起铺设防静电地板。这使得室内防震支座不仅需要考虑设备、柜体，还应考虑上走线架。

除此之外，承载力、照明需求、温度与湿度需求等这些特殊需求使得铁路机房设备的防震支座与其他行业的防震支座实现方式大不相同。还需考虑通用性要求，例如经济性、易安装性等。

2 防震方案的比选

防震的本质为吸收震动所带来的位移，从空间上，可将位移分解为竖直位移与水平位移，水平位移在一个水平面上又可以分为横向位移与纵向位移。本次方案主要以使用阻尼弹簧或橡胶吸收纵向位移，以及阻尼弹簧或横向限位等方式吸收水平位移的方式进行设计。

2.1 整体性方案

如图1所示，将房屋地面作为一个单位整体，铺设多条纵梁与横梁。纵梁上设置吸收纵向位移的橡胶，再与地面相接；纵、横梁与四周墙壁以限位器相连，保证在竖直方向上能够吸收位移，水平方向起到固定作用，梁上设纵、横两条轨道，在轨道面上设置支承装置，支承装置与设备、机柜相连。为了保证设备、机柜便捷的分类接地，在防震支座上设置走线槽，与支座外部的接地汇流排相连接。

图1 整体性方案结构图

2.2 分散性方案

如图2所示，将设备、机柜的四角做为分散式单位，分别设置四个防震支座。防震支座与设备、机柜可靠连接，并通过导线连接接地端子。防震支座均设有接地线，与接地汇流排可靠连接。为提升分散式防震支座的整体性与可靠性，防震支座表面设连接口，使用钢带、钢管等方式，将四个防震支座连接起来。

图2 分散性方案结构图

防震功能实现于单个支座，每个支座分上下两部分，上部为吸收水平位移，下部为吸收纵向位移。上部又分为横向导轨与纵向导轨，以吸收横向位移与纵向位移。

2.3 上挂式方案

上挂式防震支座的方案结构图如图3所示，主要由纵梁、横梁、纵向固定装置、横向固定装置构成主体结构与承载结构，在纵横梁下部设置悬挂支架，悬挂支架与设备机柜相连，使得设备机柜悬挂于纵横梁上。接地线等按照标准安装工程设置。上挂式防震支座吸收所有形变，与地面式方案不同的是，其主要承载力为向下的重力，而非承载力，主要承载结构为顶部纵横梁，力的传导方式不同，这也使得其吸收形变的主要部分为上挂的连接器。

图3 上挂式方案结构图

2.4 分析与比选

整体性方案的优势在于防震整体性好，上部载荷比较大时，依然能够稳定放置；后期在设备移设时，无需对防震支座进行改造；并且纵、横梁的设置可以与地网、室内接地连接预留件等相互配合，在一定程度上对综合接地起到补充作用。

但整体性方案的实施难度较大，对房屋形状的要求较高，相比分散性方案不够灵活。铁路机房室内需要上走线架与下走线架共同使用的情况，对走线架的走向有干扰，可能会出现设备与设备之间距离增加使得信息传输速度不足，导致设备使用情况不佳等问题。且整体性方案费用与分散性方案相比较高，若后期不对设备间进行改造，则会造成巨大浪费。

相比整体性方案，分散性方案在经济性上较好，每增加一个设备或机柜则增加一组防震支座即可；支架对房屋形状无要求，无需较为规整的房屋形状；安装时对墙面无需改造，工程量较小；对下走线架无影响，可按常规设计。通过连接钢带、钢管，可以提升整体可靠性。但对综合接地无补充作用，为提高接地的可靠性，每一组支架需分别进行接地。

对于上挂式方案，相比地面式方案，其水平位移与纵向位移的吸收结构相对简单，无需多结构组合式设计，但由于需要架设纵横梁，在支架材料费用方面消耗较大，但较小于地面整体性方案。相对于地面方案，其震动所带来的水平位移与纵向位移的吸收效果较好，在房屋不产生倒塌等情况下，受保护的设备机柜不会出现倾倒等问题。

铁路信号常涉及上走线架，虽然上挂式可以避开走线架设置，但需单独的整体设计，该设计难度较大，且没有普适性。与其他两个方案相比，施工难度大，且人工量增加，无法重复利用设计，因此操作性差。上挂式需要较多的顶部纵梁、横梁，经济性、易改造性与易施工性不强。

综上所述，地面整体性方案与上挂式方案更适合于防震要求很高、新设立的铁路设备机房，且需投资较大；而分散性方案的普适性更好，对于新设立的机房、更新改造的机房均可适用，经济性好。鉴于对大多数工程的普适性设计，地面分散式方案具有代表性与进一步研究的意义，因此选用地面分散性方案做进一步设计。

3 防震设计

通过铁路机房的特殊性可知，以下四点是防震支座设计中的关键因素：

（1）需设置接地线，接入接地网。

（2）需有一定的承载能力与稳定性，才能满足部分较重的设备。

（3）需有一定的抗腐蚀性。

（4）需吸收地震时的水平位移与竖直位移，能够达到“房不倒，设备不倒”。

通过上述分析，设计方案如图4所示。

图4 防震支座设计结构图

防震支架选用高强度不锈钢作为主体材料，满足抗腐蚀性与承载力的需求。从总体上分为三部分：上面板、轨道式水平位移吸收层、阻尼弹簧式竖直位移吸收层。

上面板：上面板主要作用为支承设备、机柜，在上面板上设置加强架安装口，若遇上部设备较重、防震支座安装难度大等情况，可使用不锈钢带进行焊接，使得四个分散式支架构成同一整体。上面板还设有接地引出线，接地引出线为直径2.5mm的铜线，与上部设备可靠连接，并与接地网可靠连接，保证接地的需求。

轨道式水平位移吸收层：与上面板相接，又分为轨道式横向位移吸收层、轨道式纵向位移吸收层。通过高强度复合材料滚轮与不锈钢轨道构成每一层的位移吸收层，两位移吸收层的运动方向成90°，能够吸收地震所带来的水平面上的位移。

阻尼弹簧式竖直位移吸收层：与轨道式水平位移吸收层相接，为吸收竖直位移而设置。由于铁路机房设备普遍存在重量较大的问题，因此采用阻尼弹簧式，使得防震支座更为稳定，安装便捷性也有所提升。且阻尼弹簧可调整性较好，对于不同重量区间的设备，均可进行配套性调整。

防震支座以四个为一组，分别置于设备机柜的四个直角处。有以下两种使用方式：四个防震支座相互不关联，分离设计；或在水平位移模块间与角钢架相连，角钢架应通过焊接、铰接与防震支架可靠连接。第一种方式安装方便，更换方便，但整体性不强。第二种方式整体稳定性较强，但应同时满足以下两个条件：

（1）地面水平，不应出现明显凹陷或与高程不一致等现象。

（2）纵向位移模块阻尼大小、高度等因素调整一致。

4 结束语

本文通过铁路设备机房的特殊性，构建了整体性、分散性与上挂式三种防震支座方案，通过比较，以分散性方案为主要研究方向，围绕防震支座应具有的四个关键因素，设计了防震支座。

防震支座包括水平位移吸收模块、纵向位移吸收模块、防静电模块及附属固定单元；水平位移吸收模块位于防震支座上部，采用滚珠与限位器结合吸收震动带来的水平位移；纵向位移吸收模块，位于防震支座下部，采用液压阻尼器吸收震动带来的纵向位移；防静电模块上接于水平位移吸收模块顶部，与机柜电气连接，沿支架向下，与地网等接地体电气连接。其中水平位移吸收模块上可使用角钢架，增强整体稳定性。本项目所提出的设计能有效吸收震动带来的水平方向位移与纵向位移，并能够满足铁路电务设备机房内防静电的需求。该设备对现场既实用又方便，安装维护简单，具有重大的意义和广阔的应用前景。

铁路设备机房防震支座作为室内设备防护震动、可靠接地的关键部件，具有较强的推广意义。对于例如青藏线、兰新线等地震情况较为复杂的长大干线，防震支座的存在可以进一步保护设备，保证运输生产的效率与质量。