高速铁路简统化接触网装备抗风性能研究

钟永发

0 引言

我国幅员辽阔，地形复杂，部分特定区域大风、台风天气活动频繁，其中东南沿海和岛屿等地区铁路受季节性台风影响严重，具有瞬时风力较大的特点。近年来，随着全球变暖等因素造成的大风、台风等极端天气频发，高速铁路接触网设备的运行安全问题日益凸显[1]。

台风“天兔”于2013 年9 月22 日在广东省汕尾市南部沿海正面登陆，登陆时中心附近最大风力14 级。受台风“天兔”的影响，厦深铁路位于风口上的长沙湾大桥上接触网定位支座缺口处出现裂纹，定位器钩变形开裂。超强台风“莫兰蒂”于2016 年9 月15 日在东南沿海福建厦门登陆，登陆时最大风速63.1 m/s，台风造成沿海铁路杭深线杏林—厦门区间接触网严重损坏。台风对电气化铁路接触网装备具有较强的破坏性，严重影响铁路的安全可靠运行[2]。

简统化接触网装备具有简约化、零件集成化、连接可靠等优点，已在京沈、京张、盐通等高铁线路应用。为进一步论证简统化接触网装备在我国沿海等强台风环境下的运行可靠性，有必要对其抗风性能进行研究。本文利用腕臂装置几何结构校核计算、仿真分析、风洞试验和现场试挂等方法，分析不同大风参数下简统化接触网装备的气动响应，以验证简统化接触网装备在沿海强风区高铁的适用性，对提高我国沿海高速铁路接触网的安全可靠稳定运行具有重要的意义。

1 腕臂力学性能分析

高速铁路简统化铝合金腕臂定位装置的几何结构设计计算在施加67 m/s 的风速、无冰荷载的情况下进行[3]，其简化结构尺寸见图1。

图1 腕臂定位装置简化结构尺寸（单位：mm）

1.1 接触网设备所受的荷载与作用力系数

已知接触网装置的基本参数：接触线与承力索的单位长度质量分别为1.342 kg/m、1.059 kg/m，直径为14.4 mm、14 mm，张力30 kN、21 kN，单位长度上的风荷载44.4 N/m、43.2 N/m；拉出值为0.20 m；最大线路曲线半径为10 000 m；跨距为50 m；接触线+承力索单位长度重量为24 N/m。

接触网设备所受水平荷载：承力索所受风载荷FCAW= 2 160 N；接触线所受风载荷FCWW= 2 220 N；承力索的水平分力FCAH(导线的水平张力+曲线径向荷载) = 336 N + 105 N = 441 N；接触线的水平分力FCWH= (导线的水平张力 + 曲线径向荷载) =496 N + 155 N = 651 N。

标准ENV 1993-1-1 中7.12 规定，作用力的局部系数和组合系数：固定作用力，增加应力时γG为1.35，减少应力时γG为1.00；变化作用力γQ为1.50；组合系数ψ0为0.60。

1.2 接触网装置的计算校核

1.2.1 平腕臂70×6，6082 高强管的校核

平腕臂所受内力：

式中：VCW为腕臂装置垂直荷载×局部系数；lA为平腕臂长度；FCW为水平荷载×局部系数；hA为结构高度。

斜支撑所受内力：

式中：l2-3与l1-2为图1 中点2 至点3、点1 至点2的距离。

平腕臂屈服强度σf取310 N/mm2，局部系数γMO取1.1，腕臂材料本身塑性强度：

Npl,Rd=A·σf/γMO= 340 kN

腕臂材料本身抗弯（力）矩：

Mpl,Rd=Wpl·σf/γMO=6.95 kN·m

式中：A为平腕臂横截面；Wpl为塑形截面模量。

平腕臂受拉或受压时可应用相互作用的关系式来校核：

Ftop/Npl,Rd+MB/Mpl,Rd= 0.163≤1.0

即平腕臂所承受的实际作用力Ftop和腕臂材料本身所具有的抗拉或抗压性能Npl,Rd之间的比值，平腕臂所承受的实际弯（力）矩MB和腕臂自身所具有的抗弯（力）矩性能Mpl,Rd之间的比值，两比值之和小于1，说明平腕臂符合使用要求。

1.2.2 斜腕臂70×6，6082 高强管的校核

斜腕臂的内力：

无弯矩时，已知斜腕臂长度Sk= 3 611 mm，

1.2.3 斜腕臂定位管55×6，6082 高强管的校核

定位管所受内力：

已知斜腕臂定位管Sk= 3 127 mm，i= 17.45 mm，参照1.2.2 节计算得X= 0.066＜1.0。已知铝合金管抗弯/抗压截面系数Ky= 1.50，可得

即定位管所承受的实际作用力和定位管材料本身所具有的抗拉或抗压性能之间的比值，定位管所承受的实际弯（力）矩和定位管自身所具有的抗弯（力）矩性能之间的比值，两比值之和小于1，符合使用要求。

1.2.4 斜支撑42×18，6082 T6 的校核

由1.2.1 节可知，斜支撑的内力NSd=FD=-1 913 N；已知斜支撑Sk= 1 082 mm，i= 12.14 mm，结合1.2.2 节计算可得X= 0.28，NSd/NRd= 0.03＜1.0，即斜支撑所承受的实际作用力NSd和支撑材料本身所具有的抗拉或抗压性能NRd之间的比值小于1，符合使用要求。

1.2.5 定位器38×4，6082 T6 的校核

定位器结构简图如图2 所示。

图2 定位器结构简图（单位：mm）

已知Ky= 1.50，可得

即定位器所承受的实际作用力和定位器型材本身所具有的抗拉或抗压性能之间的比值，定位器所承受的实际弯（力）矩和定位器自身所具有的抗弯（力）矩性能之间的比值，两比值之和小于1，符合使用要求。

1.2.6 定位线夹，CuNi2Si R490 的校核

定位线夹的校核为根据结构、尺寸验证定位销钉连接薄弱处矩形截面（矩形截面叠加）的作用力性能，结构尺寸见图3。

图3 定位线夹结构简图（单位：mm）

由1.2.3 节可知，定位线夹内力FSt= -4 209 N。定位线夹内力矩：

已知定位线夹屈服强度σf= 370 N/mm2，计算可得Npl,Rd= 34.3 kN，Mpl,Rd= 114 N·m，则

即定位线夹所承受的实际作用力FSt和定位线夹材料本身所具有的抗拉或抗压性能Npl,Rd之间的比值，定位线夹所承受的实际弯（力）矩MB6和定位线夹自身所具有的抗弯（力）矩性能Mpl,Rd之间的比值，两比值之和小于1，符合使用要求。

通过以上结构强度计算可得，在67 m/s 的风速、无冰荷载作用下，简统化腕臂定位装置满足使用要求。

2 气动仿真研究

建立简统化接触网装备的气动力学仿真模型，进行气动力学仿真，分析不同风速及风速角对简统化接触网装备的影响[4]。

在不影响腕臂定位装置空气动力学性能的前提下，采用三维软件UG 对模型进行相关修正，计算域选择长20 m，宽15 m，高15 m 的矩形区域。为便于静力学分析，对模型中的螺栓进行适当处理。采用GAMBIT 软件分别对各结构流体域模型计算域进行网格划分，结构附近采用非结构网格划分，其余部分采用结构网格划分[5]。简统化接触网装备应包含腕臂正定位装置和腕臂反定位装置两种模型，由于腕臂反定位装置的结构尺寸较大，与腕臂正定位装置相比受力状况较差，因此本文以腕臂反定位装置举例说明。修正后用于空气动力学仿真计算的腕臂反定位装置模型如图4 所示。

图4 简统化接触网腕繴臂反定位装置仿真模型

利用ANSYS 软件流体单元对简统化腕臂定位装置，分别以0°、45°、90° 3 种迎风角施加40、50、60、70 m/s 的风速。风速为70 m/s 时腕臂速度矢量及迹线如图5 所示。

图5 风速70 m/s 时腕臂定位装置速度矢量及迹线

通过分析得出，平均风压对腕臂定位装置作用时，迎风角0°时整体最大应力相对90°和45°时大。风速为70 m/s 时平均风压作用下腕臂定位装置的位移云图如图6 所示。

图6 平均风压作用下腕臂定位装置的位移云图

简统化腕臂定位装置在70 m/s 风速时整体结构的最大应力均小于材料的许用应力（见表1），说明平均风压作用在腕臂上时简统化腕臂定位装置的结构静强度较高，其中最大应力出现在定位器的定位线夹上。

表1 70 m/s 风速对腕臂反定位装置的应力 MPa

3 风洞试验研究

在气动仿真的基础上，进一步利用风洞分析在人造风场下的装备抗风性能。

风洞试验室为可更换开/闭口试验段单回流式风洞，闭口试验段的截面尺寸为8 m×6 m，最大风速需满足67 m/s 的要求。试验风速采用阶梯递增，序列为50、56、62、65、67 m/s。按各风速吹风时，均测量应变的稳态值，采集频率667 Hz，采集时间3 s；当风速达到67 m/s 时，不仅需测量稳态值，还需在该风速下测量应变随时间变化的瞬时值，采集频率200 Hz，采集时间10 s。

采用线路实际应用的零件作为试验样件，分别组合成典型结构高度、拉出值的正反定位装置，定位器通过定位线夹与定位器立柱连接固定，在承力索座处采用两根斜拉线连接固定，拉线对承力索座的作用力应与实际所受载荷相同。分别对0°、45°、90°迎风角情况进行风洞试验，试验模型见图7。

图7 腕臂定位装置在风洞试验中的模型

试验结果表明：

（1）0°迎风角时，腕臂定位装置的应力最大，随着风速增加，应力增大，同等风速条件下反定位腕臂装置的应力大于正定位腕臂装置，且最大应力均发生在定位器上。对于反定位腕臂定位装置，0°迎风角度，风速67 m/s 时，最大应力发生在定位器上表面，约为57.4 MPa（见表2），应力性质为剪切应力。按3 倍安全系数的要求及零部件材料的屈服强度指标考核，该值远小于310/3 = 103.3 MPa，零部件强度满足要求。

表2 风洞试验67 m/s 风速时腕臂反定位装置的应力MPa

（2）在试验过程中，腕臂定位装置结构稳定，未发生明显振动，即67 m/s 的瞬时风速小于结构破坏性最大瞬时风速，腕臂定位装置具有较大的安全裕量。

4 现场试挂验证

通过仿真与试验研究，论证了简统化接触网装备在理论上具有较强的抗风性能，但在强风地区实际应用前，仍需结合现场具体环境验证其实际效果。在既有沿海杭深铁路选取4 个锚段进行简统化接触网装备的现场试挂。

对试挂锚段抗风性能实施在线监测，监测定位点的垂向位移（图8）。随着风速的增大，定位点产生一定垂向位移，经实际检测，当瞬时风速为30 m/s 时，引起的定位点最大垂向位移约为30 mm。

图8 在线监测数据

试挂锚段接触网动态检测参数（含部分导高和拉出值）见表3，检测周期为6 个月。可见简统化接触网导高和拉出值的数值变化均在允许偏差范围内，运行状态平稳。

表3 简统化接触网部分动态检测数据 mm

通过6C 检测数据比较试挂前后12 个月的接触网锚段受电弓燃弧和接触力指标情况，试挂前传统接触网装置受电弓燃弧超标10 件、接触力超标29 件，试挂后简统化接触网装置受电弓燃弧超标1件、接触力超标15 件。同时经现场检查，试挂锚段简统化接触网零部件未出现裂纹、变形、松脱等情况，运行状况良好。

简统化接触网装置自2020 年12 月试挂运行以来，通过在线监测数据和动态检测分析、现场巡检可以看出，简统化接触网装备在福建沿海区域运行数据稳定、状态良好，验证了简统化接触网装备在沿海强风区运行的可靠性。

5 结语

通过开展高速铁路简统化接触网装备的抗风性能研究，验证了高速铁路简统化接触网装备具有良好的抗风能力，适用于我国沿海铁路强风环境，这对于完善高速铁路简统化接触网装备的适用范围，保障高速铁路接触网在沿海地区的安全可靠运行具有重要意义。