李會(huì)杰

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)正在進(jìn)行大規(guī)模鐵路建設(shè)，到2012年全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到11 萬(wàn)公里，電化率達(dá)到50%以上。這些鐵路建設(shè)項(xiàng)目許多位于大風(fēng)區(qū)或者強(qiáng)風(fēng)區(qū)。特別是新疆地區(qū)南疆線、蘭新線嘉烏段等，分布有前百里風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)等，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度超過(guò)了500 km。在這些風(fēng)區(qū)內(nèi)，大風(fēng)頻繁、風(fēng)力強(qiáng)勁而且變化劇烈，個(gè)別地區(qū)如百里風(fēng)區(qū)最大瞬時(shí)風(fēng)速超過(guò)了60 m/s。大風(fēng)破壞鐵路設(shè)施、吹翻列車等事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)鐵路運(yùn)輸造成了重大損失。接觸網(wǎng)作為向機(jī)車供電的設(shè)施，因其無(wú)備用性，故障停電將中斷行車，牽扯面廣，因此是整個(gè)供電系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)在強(qiáng)風(fēng)對(duì)接觸網(wǎng)影響方面研究已經(jīng)開(kāi)始。筆者認(rèn)為，弓網(wǎng)受流作為接觸網(wǎng)3 項(xiàng)主要研究?jī)?nèi)容之一，應(yīng)成為強(qiáng)風(fēng)對(duì)接觸網(wǎng)影響研究的主要組成部分。本文分析了側(cè)向強(qiáng)風(fēng)引起接觸線高度變化后對(duì)弓網(wǎng)受流的影響，提出了接觸線設(shè)置預(yù)坡度建議，以期為強(qiáng)風(fēng)地區(qū)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)提供相關(guān)參考。

1 強(qiáng)風(fēng)對(duì)接觸線高度的影響

1.1 接觸網(wǎng)正反定位簡(jiǎn)述

為避免與接觸線滑動(dòng)摩擦的受電弓滑板不均勻磨耗，并保證在曲線及風(fēng)力作用下，接觸線與受電弓連續(xù)接觸，接觸線沿著線路向兩側(cè)偏移，如圖1 所示。由此形成線路同一側(cè)立柱時(shí)，接觸網(wǎng)腕臂柱出現(xiàn)正定位及反定位2 種方式，其示意圖略。

正常情況下，為滿足弓網(wǎng)受流要求，正定位和反定位的懸掛點(diǎn)處接觸線高度相同。

圖1 接觸網(wǎng)相對(duì)線路位置圖

1.2 強(qiáng)風(fēng)假設(shè)條件

本文在描述強(qiáng)風(fēng)特征時(shí)，作如下簡(jiǎn)化定義：

（1）風(fēng)向垂直線路，正定位處具有向上抬升定位線夾趨勢(shì)，且正、反定位處風(fēng)向相同。

（2）風(fēng)速穩(wěn)定，不考慮脈動(dòng)風(fēng)影響，上吹角為θ。

1.3 正反定位裝置無(wú)風(fēng)影響分析

無(wú)論正定位裝置還是反定位裝置，在無(wú)側(cè)向風(fēng)吹情況下，均處于靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)受力如圖2 所示，定位器受向下的重力G、接觸線施加的抬升力T1及水平力T2作用。在3 個(gè)力作用下，定位器以定位支座為軸保持力矩平衡，如式（1）：

圖2 定位器受力示意圖

1.4 正定位裝置受側(cè)向風(fēng)影響分析

當(dāng)側(cè)向風(fēng)吹時(shí)，正定位裝置受力狀態(tài)見(jiàn)圖3。

式（2）中，G、L、T2、h、l1為定值，而v、T1為變量。

若T1= 0，式（2）變化為

此時(shí)風(fēng)速

圖3 側(cè)向風(fēng)吹正定位裝置受力示意圖

若風(fēng)速v＞v1時(shí)，則定位器開(kāi)始以定位支座為軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)抬升，直至另一個(gè)平衡點(diǎn)。此時(shí)T1豎直向下，接觸線對(duì)其施加的抬升力改為向下拉力。設(shè)定位線夾處抬升量為Δl11，則可得式（5）。

1.5 反定位裝置受側(cè)向風(fēng)影響分析

當(dāng)側(cè)向風(fēng)吹時(shí)，反定位裝置受力狀態(tài)見(jiàn)圖4。與正定位裝置不同，即使存在較小的側(cè)向風(fēng)，反定位裝置的力矩平衡狀態(tài)也會(huì)被打破，產(chǎn)生以定位支座為軸，向下的旋轉(zhuǎn)，直至達(dá)到新的平衡裝置。設(shè)定位線夾向下移動(dòng)量為 Δl12，此時(shí)平衡狀態(tài)方程見(jiàn)式（6）。

圖4 側(cè)向風(fēng)吹反定位裝置受力示意圖

1.6 受側(cè)向風(fēng)后接觸線狀態(tài)

由圖5 可知，在側(cè)向風(fēng)作用下，正、反定位裝置呈相向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。設(shè)接觸網(wǎng)跨距為K，接觸線工作張力為T，則可得式（7）。

圖5 側(cè)向風(fēng)吹接觸線整體狀態(tài)示意圖

當(dāng)v≤v1時(shí)，Δl11= 0，由式（2）、式（6）、式（7）聯(lián)立可得Δl12；當(dāng)v＞v1時(shí)，由式（5）、式（6）、式（7）聯(lián)立可得Δl11、Δl12。進(jìn)而可得接觸線坡度：

本文以此模型，利用Samcef Field V6.1 計(jì)算了接觸網(wǎng)組合JTMH120 + CTS150、工作張力23.5 kN+ 25 kN、結(jié)構(gòu)高度1 400 mm、跨距50 m 時(shí)不同風(fēng)速情況下的正、反定位裝置抬升量。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同風(fēng)速情況下正反定位裝置抬升量表

2 接觸線預(yù)坡度

EN50119 規(guī)定了不同速度的接觸線允許坡度，其中時(shí)速160 km 為3.3‰、時(shí)速200 km 為2‰、時(shí)速250 km 為1‰、時(shí)速大于250 km 為0?？梢?jiàn)，減少坡度能提高受電弓沿接觸線滑行速度，改善弓網(wǎng)受流質(zhì)量。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能降低接觸線坡度。

綜上可知，在側(cè)向風(fēng)吹情況下，接觸線會(huì)產(chǎn)生一定坡度，惡化了弓網(wǎng)受流質(zhì)量。筆者針對(duì)該情況，提出了接觸線“預(yù)坡度”概念（見(jiàn)圖6），具體方法為正定位接觸線夾設(shè)在位置，反定位設(shè)在位置，此時(shí)接觸線坡度由式（8）得

由此可知預(yù)坡度為原側(cè)向風(fēng)吹坡度1/2，但方向相反。

在設(shè)預(yù)坡度且側(cè)向風(fēng)吹時(shí)，正、反定位處接觸線開(kāi)始相向運(yùn)動(dòng)，大約分別在位置達(dá)到靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)接觸線坡度由式（7）得

圖6 接觸線預(yù)坡度示意圖

由此產(chǎn)生的坡度接觸線因側(cè)向強(qiáng)風(fēng)而產(chǎn)生的坡度減少了1/2。無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，分別設(shè)置在距接觸線靜止高度為側(cè)向風(fēng)吹時(shí)抬升（下降）量1/2 位置，但方向與側(cè)向風(fēng)吹時(shí)運(yùn)行方向相反。由此產(chǎn)生了接觸線在無(wú)風(fēng)靜止?fàn)顟B(tài)下的坡度，即預(yù)坡度，見(jiàn)圖6接觸線預(yù)坡度靜止位置。當(dāng)側(cè)向風(fēng)吹時(shí)，正、反定位裝置處接觸線開(kāi)始相向運(yùn)動(dòng)，大約距側(cè)向風(fēng)吹接觸線抬升（下降）量1/2 位置達(dá)到平衡狀態(tài)，見(jiàn)圖6 接觸線預(yù)坡度風(fēng)偏位置。

3 弓網(wǎng)仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)置預(yù)坡度后的弓網(wǎng)受流質(zhì)量，本文進(jìn)行了相應(yīng)的弓網(wǎng)仿真驗(yàn)證。

3.1 邊界條件

接觸網(wǎng)懸掛類型：全補(bǔ)償簡(jiǎn)單鏈形懸掛；

承力索、接觸線規(guī)格及工作張力：JTMH120 +CTS150（23.5 kN + 25 kN）；

結(jié)構(gòu)高度：1 400 mm；

跨距：50 m；

接觸線高度：

a.設(shè)置預(yù)坡度前，正定位5 300 mm + 107 mm，反定位5 300 mm - 3 mm，接觸線坡度2.2‰；

b.設(shè)置預(yù)坡度后，正定位5 300 mm - 53.5 mm，反定位5 300 mm + 1.5 mm，接觸線坡度1.1‰；

受電弓：采用DSA350 受電弓，雙弓弓間距200 m；

仿真速度：350 km/h。

3.2 仿真結(jié)果

由表2 可知，設(shè)置預(yù)坡度后，無(wú)論前弓還是后弓，接觸壓力標(biāo)準(zhǔn)偏差、最大接觸壓力及抬升量明顯降低。顯然，設(shè)置預(yù)坡度對(duì)改善弓網(wǎng)受流質(zhì)量有明顯作用。

表2 接觸線設(shè)置預(yù)坡度前后弓網(wǎng)受流匯總表

4 建議

（1）時(shí)速較低時(shí)，由于接觸線坡度對(duì)弓網(wǎng)受流影響非常低，可不考慮設(shè)置接觸線預(yù)坡度。時(shí)速較高如250 km 及以上時(shí)，接觸線坡度對(duì)弓網(wǎng)受流影響較大，建議設(shè)置預(yù)坡度以降低側(cè)向風(fēng)對(duì)弓網(wǎng)受流影響。

（2）設(shè)置預(yù)坡度僅能將因側(cè)向風(fēng)引起的接觸線坡度降低1/2，并不能最終消除該坡度。根據(jù)EN50119 規(guī)定，時(shí)速350 km 時(shí)接觸線坡度要求為0。顯然設(shè)置預(yù)坡度后仍無(wú)法滿足弓網(wǎng)受流要求（表2 數(shù)據(jù)可證明），但可以改善弓網(wǎng)受流質(zhì)量。針對(duì)我國(guó)設(shè)計(jì)時(shí)速350 km 多條鐵路穿越大風(fēng)區(qū)情況，建議根據(jù)實(shí)際情況確定大風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及弓網(wǎng)受流標(biāo)準(zhǔn)，比如將接觸線允許坡度確定為1‰，適當(dāng)提高允許離線率等。

（3）除設(shè)置預(yù)坡度外，由式（2）、式（6）、式（7）、式（8）可知，采取增大接觸線工作張力、設(shè)置擋風(fēng)墻而減小風(fēng)速、容量及風(fēng)偏滿足要求時(shí)盡可能增大跨距等方案，可減小因側(cè)向風(fēng)引起的接觸線坡度。