余香山

（杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)營分公司，杭州 310017）

0 引言

接觸網(wǎng)是鐵路上為車輛直接供電的設(shè)備，其中絕緣子作為接觸網(wǎng)中25 kV高壓帶電設(shè)備與接地設(shè)備間的絕緣設(shè)備，由于處在露天環(huán)境下，受外界環(huán)境如雷、雨、雪、霧、霾等影響，容易被擊穿或者發(fā)生閃絡(luò)，是接觸網(wǎng)的薄弱設(shè)備，經(jīng)常需要更換，才能確保不發(fā)生跳閘，從而維持接觸網(wǎng)設(shè)備的穩(wěn)定。

2018 年7月13日，某局某供電段接觸網(wǎng)工區(qū)在滬昆線利用軌道車進(jìn)行接觸網(wǎng)施工作業(yè)，更換受損的斜腕臂絕緣子，施工造成延點(diǎn)1 h 26 min，影響4列貨車在不同站停車。經(jīng)原因分析，主要為作業(yè)人員在組織拆、裝接觸網(wǎng)非支斜腕臂絕緣子（俗稱“棒瓶”）過程中，沒有充分考慮并卸載非支接觸線轉(zhuǎn)角下錨的水平負(fù)載，在使用撐桿卸載承力索垂直負(fù)載后強(qiáng)行將斜腕臂從舊棒瓶鐵錨壓板內(nèi)抽出后再更換新棒瓶。新?lián)Q棒瓶一端與腕臂底座固定后，另一端無法與斜腕臂順利對(duì)接，原因是斜腕臂在接觸線水平力與腕臂支撐管支撐力共同作用下出現(xiàn)垂直方向偏移。

行業(yè)內(nèi)針對(duì)立柱系統(tǒng)、絕緣子抗彎、鋼柱桿件等情況進(jìn)行了分析研究［1-6］，缺乏對(duì)腕臂與絕緣子之間受力情況的數(shù)據(jù)計(jì)算，作業(yè)人員常常憑借自身工作經(jīng)驗(yàn)直接在作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行施工。由于作業(yè)人員自身業(yè)務(wù)水平有高低之分，加上瓷棒式絕緣子重達(dá)幾十kg，因此作業(yè)現(xiàn)場經(jīng)常容易出現(xiàn)異常狀況。

1 現(xiàn)場支柱選取

接觸網(wǎng)腕臂與絕緣子之間的受力存在受拉、受壓以及臨界狀態(tài)3種情況。斜腕臂與絕緣子之間只存在受壓一種情況，因此只需要對(duì)線索進(jìn)行卸載就可以對(duì)絕緣子進(jìn)行更換，方法較為簡單。然而平腕臂與絕緣子之間存在以上3 種情況，其中最難更換的當(dāng)屬受壓狀態(tài)。

本次針對(duì)極限條件下平腕臂與絕緣子之間的受壓狀態(tài)進(jìn)行受力分析，經(jīng)對(duì)合福高速線（時(shí)速300 km/h）管轄范圍內(nèi)近1 萬根支柱進(jìn)行粗略比對(duì)發(fā)現(xiàn)，位于某區(qū)間下行線的1721#支柱較為符合極限條件，如圖1 ～2 所示。該支柱的支柱類型為GHT240B/9.5，位于五跨非絕緣錨段關(guān)節(jié)，為曲內(nèi)、閉口側(cè)轉(zhuǎn)換柱，非支拉出值設(shè)計(jì)值為-800 mm，曲線半徑為8 000 m，外軌超高為100 mm，線路坡度為-11.516 8‰。

圖1 1721#支柱現(xiàn)場情況

圖2 1721#支柱非支在五跨錨段關(guān)節(jié)中所處位置

2 受力分析

通過對(duì)1721#支柱進(jìn)行受力分析［7-8］，掌握平腕臂與絕緣子之間的受力情況以及大小。

平腕臂與絕緣子之間的力主要來源于3 點(diǎn)：（1）承力索座位置的水平負(fù)載P承；（2）承力索座位置的垂直負(fù)載Qg；（3）定位環(huán)位置的水平負(fù)載P接。

2.1 承力索座位置水平負(fù)載P承

忽略風(fēng)負(fù)載，承力索座位置的水平負(fù)載可分為以下兩點(diǎn)。

（1）曲線形成的水平分力PR

曲線形成的水平分力PR如圖3所示。曲線半徑R ＝8 000 m；跨距L1＝45.5 m；跨距L2＝48.7 m；承力索張力T ＝23 kN。其中T3為下錨側(cè)承力索張力在跨距方向的分力，由于T3與T 之間的夾角非常小，可近似認(rèn)為T3≈T，將左側(cè)T與右側(cè)T3在水平面內(nèi)（近似）沿著腕臂方向分解為T1、T2，與腕臂方向垂直的分解力幾乎相等，可以相互抵消。

圖3 承力索座位置曲線形成的水平分力受力分析

由圖3可知，T與T1構(gòu)成的三角形、R 與L1/2構(gòu)成的三角形為相似三角形，可得：

同理：

可得：

（2）之字值形成的水平分力P之

將定位點(diǎn)兩側(cè)的張力沿著腕臂方向合成為P之，此為之字值形成的水平分力，兩側(cè)之字值的計(jì)算方法類似于計(jì)算下錨轉(zhuǎn)角，其中H型鋼柱寬度為400 mm。由此可得出：

推算出承力索座位置水平負(fù)載為：

2.2 承力索座位置垂直負(fù)載Qg

忽略覆冰負(fù)載，承力索座位置垂直負(fù)載包括定位點(diǎn)兩側(cè)各近半跨的承力索、接觸線力以及彈性吊索、吊弦、電連接以及相關(guān)線夾的自重，已知CTMH150 接觸線單位長度自重為1.35 kg/m，長度為47.1 m，共計(jì)63.59 kg；JTMH120 承力索單位長度自重為1.065 kg/m，長度為47.1 m，共計(jì)為50.16 kg；TJR10吊弦單位長度自重為0.089 kg/m，長度為7.993 m，共計(jì)為0.711 kg；TJR95 電連接單位長度自重為0.845 5 kg/m，長度為5.964 m，共計(jì)為5.04 kg；相關(guān)線夾自重粗略估算共計(jì)為8 kg。推算出承力索座位置垂直負(fù)載為：

2.3 定位環(huán)位置水平負(fù)載P接

忽略風(fēng)負(fù)載，把定位管支撐和兩端套管單耳以及定位環(huán)看成一個(gè)整體，假設(shè)這個(gè)整體上受的力都集中在定位環(huán)這一個(gè)點(diǎn)上，定位環(huán)位置的水平負(fù)載可分為以下兩點(diǎn)。

（1）曲線形成的水平分力PR

定位環(huán)位置的垂直負(fù)載可忽略，只考慮水平負(fù)載，接觸線張力為28.5 kN，計(jì)算方法同上：

（2）之字值形成的水平分力P之

將定位點(diǎn)兩側(cè)的張力沿著腕臂方向合成為P之，此為之字值形成的水平分力，兩側(cè)之字值的計(jì)算方法類似于計(jì)算下錨轉(zhuǎn)角。由此可得出：

推算出定位環(huán)位置水平負(fù)載為：

3 力的合成

將上述3項(xiàng)負(fù)載進(jìn)行合成，如圖4 所示，最終算出套筒座位置沿平腕臂方向的力，即為平腕臂與絕緣子之間的壓力。

3.1 計(jì)算P接傳遞到套筒座的力P3

將P接分解為P1、P2，P2作用于腕臂底座，沿著支柱傳到大地被抵消，剩下P1，求P1之前先計(jì)算sinα的值（支柱與斜腕臂之間的夾角為角度α）。

圖4 受力分析1

已知上下底座間距為1 800 mm，平腕臂長度為1 855 mm，斜腕臂長度為1 788 mm，瓷棒式絕緣子長度為800 mm，平腕臂端部距套筒座為500 mm，可以得出：

定位環(huán)與鐵錨壓板之間的距離為600 mm，根據(jù)力矩平衡原理：

3.2 求P3、P承、Qg 在套筒座位置上的合力P

將P承、Qg的力合成為P4，P4與Qg之間的夾角為角度φ，如圖4所示；P4與平腕臂之間的夾角為角度γ，如圖5所示，求得P4大小以及sinφ、sinγ為：

圖5 受力分析2

將P4分解為沿著平腕臂方向的P5、垂直平腕臂方向的P6，如圖5所示，算出其大小為：

通過力矩平衡原理，將P5、P6轉(zhuǎn)移到套筒座上，P5大小不變，計(jì)算P6轉(zhuǎn)移后的P7，如圖6所示，則：

圖6 受力分析3

將P3分解為沿著平腕臂方向的P8、垂直平腕臂方向的P9，如圖6所示，算出其大小為：

可以求出合力P，以及合力P與平腕臂之間的夾角θ，如圖6所示，則：

3.3 計(jì)算壓力大小P10

將合力P沿著平腕臂和斜腕臂分別分解為P10和P11，如圖7所示，則：

圖7 受力分析4

4 結(jié)果及對(duì)策

（1）經(jīng)計(jì)算得出平腕臂與絕緣子之間的壓力P10為3 540 N，因此想要更換該非支平腕臂絕緣子，只能借助外力將平腕臂從絕緣子中抽出，可借助另外一行接觸設(shè)備，如在上行支柱頂部與下行承力索座位置使用鏈條葫蘆對(duì)壓力進(jìn)行卸載。

（2）可以通過研制和使用新產(chǎn)品，如絕緣子更換器等設(shè)備，熟練掌握新產(chǎn)品使用方法，進(jìn)而提高作業(yè)效率。

（3）在有條件的情況下，積極開展具有針對(duì)性的崗位練兵工作，逐步提高作業(yè)人員的技能水平。

5 結(jié)束語

本文通過對(duì)現(xiàn)場設(shè)備實(shí)際情況進(jìn)行粗略測算，對(duì)幾乎最為惡劣的作業(yè)環(huán)境進(jìn)行受力分析，提出相應(yīng)對(duì)策，以便作業(yè)人員制定絕緣子更換方案時(shí)可以充分考慮，并攜帶相對(duì)應(yīng)的更換工器具，對(duì)鐵路及城市軌道交通接觸網(wǎng)運(yùn)營管理均具有一定的借鑒意義。