李永生，鐘永發(fā)

0 引言

在我國高速鐵路牽引供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，腕臂支撐和定位裝置主要采用三角形支撐結(jié)構(gòu)，由平腕臂、斜腕臂、套管雙耳、腕臂支撐、承力索座、定位環(huán)、定位管、定位器、定位管支撐等多種零部件組成[1]，零部件數(shù)量多達24 套件；定位裝置的固定方式采用支撐、吊線以及V 型拉線等結(jié)構(gòu)型式，零部件種類多；各零部件之間主要采用緊固件螺紋副連接固定，螺紋副規(guī)格型號和防松措施具有多種形式。因此，從結(jié)構(gòu)型式而言，我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)中的腕臂支撐和定位裝置具有結(jié)構(gòu)復雜、連接件種類多、多規(guī)格緊固件連接固定的特點，對線路精準施工和后期維護產(chǎn)生較多的不利因素，進而影響線路的安全運行。

1 腕臂支撐和定位裝置的應用現(xiàn)狀

目前，我國時速250 km 及以下的電氣化鐵路接觸網(wǎng)主要采用鋼三角水平腕臂支撐和限位定位裝置[2]，時速300 km 及以上的高鐵則主要采用鋁合金三角水平腕臂支撐和限位定位裝置。整體腕臂支撐和定位裝置主要用于大風區(qū)域，目前僅在廣深港、海南環(huán)島鐵路以及蘭新等高速鐵路項目中進行了應用。

1.1 鋼三角水平腕臂支撐和限位定位裝置

現(xiàn)有鋼三角水平腕臂支撐和限位定位裝置自2006 年開始使用，平腕臂和斜腕臂形成三角結(jié)構(gòu)，端部通過套管雙耳連接，另一側(cè)通過支撐件加強腕臂裝置的穩(wěn)定性，腕臂的直徑為60 mm，承力索座安裝于平腕臂的端部；定位器和定位支座具有限位功能，同時在定位器的端部設(shè)置防風拉線，定位管主要采用支撐、吊線及V 型拉線的固定方式（如圖1 所示）。鋼三角水平腕臂支撐和限位定位裝置的主要組成零部件采用鋼材質(zhì)，連接部件采用金屬型鍛造工藝加工而成。

圖1 鋼三角水平腕臂定位裝置結(jié)構(gòu)

1.2 鋁合金三角水平腕臂支撐和限位定位裝置

鋁合金三角水平腕臂支撐和限位定位裝置廣泛應用于時速300 km 及以上的高速鐵路中，其結(jié)構(gòu)型式與鋼三角水平腕臂支撐和限位定位裝置基本相同，定位管的固定方式主要采用吊線、支撐兩種型式，部分線路采用支撐+吊線、雙吊線等固定方式，典型結(jié)構(gòu)型式如圖2 所示[3]。

圖2 鋁合金三角水平腕臂定位裝置結(jié)構(gòu)

鋁合金三角水平腕臂支撐和限位定位裝置的主要組成零部件采用鋁合金材質(zhì)，連接部件主要采用金屬型鑄造工藝加工而成。

1.3 整體腕臂支撐和定位裝置

整體腕臂支撐和定位裝置原型產(chǎn)品來源于日本，主要用于大風區(qū)，主要組成零部件采用鋼材質(zhì)，連接部件主要采用沖壓及焊接工藝加工而成，典型結(jié)構(gòu)型式如圖3 所示。

圖3 整體鋼腕臂定位裝置結(jié)構(gòu)

1.4 現(xiàn)有腕臂支撐和定位裝置的特點

我國高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)歷了引進、消化、吸收、再創(chuàng)新的發(fā)展歷程，隨著線路里程的不斷增加，腕臂支撐和定位裝置也經(jīng)歷了逐漸升級的過程，得到不斷改進和優(yōu)化。不同腕臂支撐和定位裝置具有不同的特點，具體如表1 所示。

表1 現(xiàn)有腕臂支撐和定位裝置特點對比

總體而言，我國高速鐵路接觸網(wǎng)主要采用的腕臂定位裝置結(jié)構(gòu)型式基本相同，均為三角形支撐型結(jié)構(gòu)，由于生產(chǎn)成本的控制，不同速度等級的線路所用組成零部件的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)及生產(chǎn)工藝卻各不相同。對于鋁合金三角支撐腕臂定位裝置，其組合方式也存在差異，主要體現(xiàn)在定位裝置的固定方式，如正反定位均采用定位管支撐，正反定位均采用定位管拉線，正定位采用定位管支撐、反定位采用定位管拉線，個別線路采用雙拉線的固定方式。對于整體鋼腕臂定位裝置，由于存在結(jié)構(gòu)較為復雜、可調(diào)節(jié)性較差、腕臂等鋼管連接件需要在工廠預加工后現(xiàn)場進行二次加工等諸多不利，目前未被廣泛推廣，僅在強風區(qū)的個別線路中進行了應用。

為了消除高速鐵路各類型腕臂定位裝置之間的差異，以中國鐵路設(shè)計集團有限公司為首的科研團隊開展了高速鐵路簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)裝備的研究，形成了具有完全自主化的統(tǒng)一參數(shù)、統(tǒng)一形式、統(tǒng)一材質(zhì)的新型接觸網(wǎng)零部件，進一步提高了我國高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計、施工、制造以及運營維護的有效性[4]。

2 新型懸臂式腕臂定位裝置特點和結(jié)構(gòu)

2.1 主要特點

新型懸臂式腕臂定位裝置采用拉桿式結(jié)構(gòu)（如圖4 所示），與現(xiàn)有三角支撐式結(jié)構(gòu)存在明顯差異。

圖4 新型懸臂式腕臂定位裝置結(jié)構(gòu)

平腕臂集合原平腕臂與定位管為一身，極大減少了組成零部件的數(shù)量，一套腕臂定位裝置組成零部件（含絕緣子）的數(shù)量由原來的24 套件減少至10 套件，減少約58%。零部件采用壓接、銷軸、螺栓等連接方式，減少了緊固件的使用數(shù)量，與現(xiàn)有腕臂定位裝置相比，緊固件數(shù)量由原來的35 套件減少至10 套件，減少約71%，降低了螺栓松脫引發(fā)安全事故的風險。采用鋁合金材質(zhì)，鍛造工藝，減少了探傷成本，提高了生產(chǎn)效率，與現(xiàn)有鋼材質(zhì)的表面防腐工藝相比，更加綠色環(huán)保，保證了產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量和外觀質(zhì)量。主要組成零部件與平腕臂采用T 型螺栓連接，T 型螺栓可以在槽道內(nèi)移動，增強了可調(diào)節(jié)性，降低了施工作業(yè)的難度，同時緊固件規(guī)格單一，也便于安裝。由于組成零件數(shù)量少，同時，又采用鋁合金材質(zhì)，整體裝置的質(zhì)量（含絕緣子）由原來鋼腕臂定位裝置的102 kg 減小至49 kg，減小約52%。

2.2 主要組成零部件

2.2.1 平腕臂

與現(xiàn)有圓管型平腕臂不同，新型平腕臂采用對稱截面型材，上下分別設(shè)有槽道，極大地提高了抗彎性能，保證了受力后的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)型式如圖5（a）所示。新型平腕臂集合圓管平腕臂及定位管為一體，具有固定腕臂連接器、承力索座和定位連接器（即定位支座）的綜合功能，因此減少了零部件的組成數(shù)量，使裝置更加輕量化。腕臂連接線夾、承力索座、定位連接器通過T 型螺栓連接固定在平腕臂上，可根據(jù)實際需要對安裝位置沿平腕臂槽道方向調(diào)節(jié)，具有調(diào)節(jié)范圍大、方便施工安裝的優(yōu)點。

圖5 平腕臂結(jié)構(gòu)對比

2.2.2 承力索座

新型承力索座由承力索座本體、托線夾、壓塊、U 型固定板、固定軸等零件組成，結(jié)構(gòu)型式如圖6（a）所示，通過T 型螺栓固定在平腕臂的槽道內(nèi)，安裝位置可沿平腕臂在水平方向任意調(diào)整。托線夾與承力索座本體采用萬向旋轉(zhuǎn)軸的連接方式，使承力索在垂直與水平方向均可以旋轉(zhuǎn)。因此，當承力索沿線路方向存在一定坡度時，托線夾的受力依舊均勻，從而消除了由于承力索坡度對其造成受力不均的影響。另外，托線夾采用銅合金材質(zhì)，與承力索之間不存在電位差，從而可以取消目前承力索座中常用的銅鋁復合襯墊或銅襯墊?，F(xiàn)有鋁合金承力索座的結(jié)構(gòu)型式如圖6（b）所示，安裝時，為保證其中心面位于鉛垂面內(nèi)，通常需要借助專用工具進行找正，而在現(xiàn)場進行調(diào)整時，往往僅依靠視覺判斷，安裝精度相對不高，而新型承力索座通過卡槽固定在平腕臂上，具有自動對正功能，方便施工安裝。另外，現(xiàn)有鋁合金承力索座通過兩個頂緊螺栓固定在平腕臂上，會對平腕臂造成損傷，特別是在需要調(diào)整承力索座的位置時，損傷的部位相應增加，進而破壞平腕臂的強度和表面耐腐蝕性能。新型承力索座與現(xiàn)有鋁合金承力索座的特點對比如表2 所示。

表2 兩種承力索座特點對比

圖6 承力索座結(jié)構(gòu)對比

2.2.3 定位裝置

定位裝置由定位連接器、定位器、定位線夾組成，通過T 型螺栓安裝在平腕臂下方的槽道內(nèi)，其結(jié)構(gòu)型式如圖7 所示。定位連接器安裝在平腕臂的下方，與水平方向成45°夾角，為懸臂狀態(tài)，主要采用壓接工藝連接，定位連接器與定位器采用鉸接式的銷軸連接，接觸面大，可避免現(xiàn)有鉤環(huán)連接方式存在的磨損現(xiàn)象，提高了連接可靠性，同時具有對定位器的限位功能，防止受電弓過度抬升而引發(fā)弓網(wǎng)事故。定位器采用弓形結(jié)構(gòu)，和矩形鋁合金定位器相比，與受電弓及其動態(tài)包絡(luò)線匹配性更好，其最大抬升量由矩形限位定位器的225 mm 可提高至300 mm，弓網(wǎng)空間安全裕度更大。

圖7 定位裝置結(jié)構(gòu)

新型定位線夾由外形結(jié)構(gòu)相同的主、副夾板通過螺栓連接而成。主、副夾板在中間部位設(shè)有矩形通孔，不僅與定位銷釘配合連接，而且可用于觀察定位銷釘與定位線夾的配合情況，可視性高，便于安裝后的檢查，提高了安全可靠性；同時，取消了傳統(tǒng)U 型銷結(jié)構(gòu)，避免了由于人為操作失誤造成安全事故的隱患，提高了安全可靠性；另外，由于減少了組成零部件數(shù)量，從而簡化了安裝步驟，降低了施工人員的勞動強度。兩種定位線夾結(jié)構(gòu)型式如圖8 所示。

圖8 定位線夾結(jié)構(gòu)對比

2.2.4 絕緣子

絕緣子采用連桿絕緣子和腕臂絕緣子兩種，其中連桿絕緣子與可調(diào)連桿連接用于斜拉固定，僅承受拉力，腕臂絕緣子則連接平腕臂，主要承受彎曲載荷。兩種絕緣子外觀形狀與現(xiàn)有復合絕緣子相似（結(jié)構(gòu)如圖9 所示）。對連接金具進行接口匹配性設(shè)計，同時采用鋁合金材質(zhì)，鍛造生產(chǎn)工藝，與常用的鋼材質(zhì)金具相比，可有效降低絕緣子的重量。

圖9 絕緣子結(jié)構(gòu)對比

3 新型懸臂式腕臂定位裝置受力分析

3.1 仿真分析

為充分驗證新型懸臂式腕臂定位裝置的安全可靠性，對關(guān)鍵受力零部件承力索座、定位連接器進行有限元受力計算分析。材料性能及加載工況見表3，承力索應力分布及定位連接的受力結(jié)果分析分別如圖10、圖11 所示。經(jīng)分析，承力索座的最大應力約為97.9 MPa，定位連接器主要承受彎曲應力，最大應力約為87.3 MPa，均小于材料的屈服強度（250 MPa），滿足現(xiàn)有標準規(guī)定的受力要求。

圖10 承力索座應力分布

圖11 定位連接器受力分析

表3 材料性能及加載工況

3.2 理論計算

定位連接器采用懸臂式結(jié)構(gòu)，在工作荷重的作用下會產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象，需要進行抗彎受力計算，保證其具有良好的抗彎性能是本項目必須解決的關(guān)鍵問題之一，定位連接器長度越長，彎曲荷重越大，越容易產(chǎn)生彎曲破壞，本文以該腕臂定位裝置為標稱結(jié)構(gòu)高度（即接觸線與承力索之間的高度為1 200 mm）時定位連接器的長度為例進行計算，計算模型如圖12 所示。

圖12 定位連接器受力計算模型

已知：定位連接器工作荷重F= 4.5 kN，懸臂長度L1= 930 mm，為直徑75 mm 的鋁合金6082高強圓管（屈服強度σ1= 310 MPa），且與水平夾角成45°；端部金具采用鋁合金6082 鍛造工藝（屈服強度σ2= 250 MPa），其壓接部位長度為100 mm，直徑為55 mm。懸臂和固定端的壓接金具為關(guān)鍵受力點，需分別進行強度計算。

3.2.1 懸臂強度計算

由圖12 可知，工作荷重F的軸向分力F1和徑向分力F2為

根據(jù)TB/T 2073—2010 中要求，鋁合金零部件安全系數(shù)S= 3。

許用應力計算式為

懸臂所受彎曲正應力σc1計算式為

聯(lián)立式（1）、式（2）、式（8）～式（10）代入相關(guān)數(shù)據(jù)可得，σc2≈71.4 MPa ＜[σ2] =83 MPa。

通過以上結(jié)構(gòu)強度計算可得，在4.5 kN 的工作荷重作用下，懸臂和壓接金具所受應力均小于許用應力，即滿足3 倍的安全系數(shù)要求。

4 結(jié)論

通過對新型懸臂式腕臂定位裝置結(jié)構(gòu)、組成、材質(zhì)等方面的研究分析，以及對關(guān)鍵零部件的受力計算，得出該新型懸臂式腕臂定位裝置具有結(jié)構(gòu)先進、安全可靠、安裝方便、綜合成本低等諸多優(yōu)點，可滿足我國高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的使用要求，具有較高的推廣應用價值。研究結(jié)論如下：

（1）定位裝置具有限位功能，增大了定位器抬升量，與受電弓及其動態(tài)包絡(luò)線匹配性更好，弓網(wǎng)空間安全裕度更大。同時定位器采用銷軸連接，不易磨損，安全可靠。

（2）與現(xiàn)有同類產(chǎn)品相比，平腕臂采用異型材結(jié)構(gòu)，提高了抗彎性能，并具有現(xiàn)有平腕臂和定位管的組合功能，使裝置的零件及緊固件數(shù)量大幅減少，降低了重量和綜合成本，減小了故障概率。

（3）主要零部件通過T 型螺栓安裝在平腕臂的槽道內(nèi)，緊固件規(guī)格種類少，安裝尺寸可任意調(diào)節(jié)，極大地方便了施工安裝。

（4）承力索座托線夾旋轉(zhuǎn)自由度高，使承力索受力均勻，不受線路坡度的影響。

（5）定位連接器等關(guān)鍵零部件滿足受力強度要求。

新型懸臂式腕臂定位裝置安裝形式單一，具有輕量化、集約化等諸多優(yōu)點，是較為先進的結(jié)構(gòu)型式之一，目前在意大利米蘭—布雷西亞、布雷西亞—威尼斯等線路進行了批量應用，可滿足時速300 km 及以上的運行速度要求，同時也可應用在城市軌道交通、現(xiàn)代有軌電車柔性供電接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，具有廣闊的發(fā)展空間和市場應用前景。