高速铁路接触网定位管固定方式优化研究
时间：2023-02-17 11:55:07 来源：千叶帆 本文已影响人
李业强
良好的弓网关系是保证高速铁路安全稳定运行的关键之一，受流质量是评判接触网系统设计优劣的重要依据[1]。接触导线通过定位装置固定并与受电弓相互作用，与铝合金腕臂相匹配的定位装置由定位管、旋转双耳、定位支座、定位器、定位线夹、定位管吊线（或定位管支撑）等组成。高速铁路腕臂定位装置的定位管与斜腕臂之间一般优先采用吊线安装，目的是将定位管所受的动荷载由吊线承担，减小对刚性连接零件的疲劳损伤[2]。
目前对定位器坡度方面的研究较多[3]，对改善定位器坡度提出了很多优化措施，但对定位装置整体的受力状态研究较少，导致在部分曲线区段按常规设计参数安装时存在定位管吊线不受力的情况，给现场施工带来不便[4]。对于直线区段，定位器坡度及定位管吊线受力状态良好，故本文重点对曲线区段定位器、定位管及吊线受力状态进行分析，研究影响其受力的关键参数，并提出优化安装建议。
1.1 接触线张力的垂直分力
作用在接触线上的张力在高度方向发生变化时将对定位点产生垂直分力[5]。如图1所示，选取定位点及其两侧第一吊弦点为研究对象进行分析计算。
图1 定位点与吊弦点间高差对垂直力的影响
图中：H、H1、H2分别为定位点和左、右第一吊弦点处的接触线高度；
d1、d2分别为左、右第一吊弦点与定位点之间距离；
Tc、Tc1、Tc2分别为定位点及左、右第一吊弦点处的垂直力；
Ts为施加在接触线上的张力，即水平作用力。设定G＇为接触线单位长度重量，则有
在曲线区段，当拉出值分别在曲线两侧设置时，受外轨超高的影响，接触线上的张力在高度方向发生变化，将产生垂直分力。以曲线工况曲外正定位、曲内正定位拉出值正、反交替的情况为例进行分析，如图2所示，选取定位点B及其两侧定位点A（C）为研究对象进行分析计算。
图2中：a、b、c分别表示定位点处的拉出值；
l1、l2表示跨距；
Ts为接触线张力；
h为外轨超高；
S为轨距；
R为曲线半径。根据上文的分析可知定位点B处的接触线对其产生的垂直力FfCB为
图2 曲线工况垂直分力
由式（2）可知，接触线因高度变化产生的垂直分力与外轨超高、拉出值、跨距、接触线张力有关。相同工况下，对于曲外正定位，接触线张力的附加垂直分力方向向下，而对于曲内正定位，接触线张力的附加垂直分力方向向上，二者大小相等。
1.2 接触线张力的水平分力
作用在接触线上的张力在水平方向位置改变时将产生水平分力Fis。如图3所示，对曲线区段两种工况下的接触线转角进行分析。
图3 曲线工况水平分力
曲外正定位：
曲内正定位：
式中：γ11、γ21及γ12、γ22分别为曲外或曲内正定位接触线的水平偏移角度；
li、li+1分别表示定位点i相邻两侧跨距。
由式（3）、式（4）可知，相比曲线拉出值同侧设置，当拉出值在曲线两侧设置时，曲外正定位水平力有所增大，而曲内正定位水平力有所减小。
研究定位管吊线的受力情况，主要是判断定位管在受静态水平力和垂直力作用下是否有向上的旋转趋势，用定位管弯矩来表征吊线受力状态。图4所示为最容易出现上述情况的两种工况的定位装置等效受力模型。其中，定位器所受水平力为Fs，由接触线重力引起的垂直分力为Fgc，由接触线高度变化引起的垂直分力为Ffc，定位管吊线受力Fd，定位管（含旋转双耳）重力为Gg，定位装置（含定位支座）重力为Gd，m为定位钩与定位支座接触点至定位管铰接点O的水平距离，n为定位钩与定位支座接触点至定位管铰接点O的垂直距离，Lg为定位管（含旋转双耳）重心至定位管铰接点O的水平距离，r为定位管吊线固定点对定位管铰接点O的力臂。
图4 定位管受力分析
从受力分析可知，由于曲外正定位水平力较大，而曲内正定位存在与重力方向相反的附加垂直分力，此两种工况会造成定位管向上旋转的趋势，可能出现定位管吊线不受力的情况。对于曲线反定位的工况，由于水平力对定位管产生的弯矩与重力方向相同，理论上不会出现定位管吊线不受力的情况（工程实际情况与理论分析也是一致的）。
以曲外正定位为例，对定位管的铰接点取矩，定位管所受弯矩Mo为
若[(Ffc+Fgc+Gd)m+GgLg]≤Fsn，定位管将产生逆时针旋转趋势，则定位管吊线不受力；
反之定位管吊线受力为Fd= [(Ffc+Fgc+Gd)m+GgLg−Fsn]/r。
由上文分析可知，定位管吊线的受力状态是由定位管、定位器的水平力和垂直力决定的，而水平力和垂直力又与曲线半径、外轨超高、第一吊弦点位置、定位装置的安装结构尺寸等密切相关。下文以某高速铁路（导线类型及张力配置：JTMH120（21 kN）+CTMH150（30 kN））为例进行计算，研究上述参数对定位管吊线受力的影响，其主要工况及腕臂预配参数见表1、表2。
表1 曲线半径与外轨超高情况
表2 腕臂安装参数 m
3.1 定位管弯矩与曲线半径及外轨超高的关系
根据表1、表2中的数据计算定位管弯矩与4种曲线半径对于不同外轨超高等工况之间的关系，用定位管弯矩来表征吊线受力状态，如图5所示，其中第一吊弦点距离d= 5 m。图中：横坐标表示外轨超高，m；
纵坐标表示定位管弯矩，N·m。
由图5可以看出：曲外正定位定位管弯矩与外轨超高成正比，曲内正定位定位管弯矩与外轨超高成反比；
对于曲外正定位，在曲线半径R≤5 500 m的工况下定位管弯矩出现负值，即定位管吊线处于不受力状态；
对于曲内正定位，在各种曲线半径、外轨超高工况下，定位管弯矩均为正值，定位管吊线均能够处于受力状态。
图5 定位管弯矩与曲线半径及外轨超高的关系
3.2 定位管弯矩与第一吊弦点位置的关系
以3.1节中吊线受力状态欠佳的工况为研究对象，分析第一吊弦点的位置对其的影响，如图6所示，其中第一吊弦点距离d范围为4～7 m。图中：横坐标表示第一吊弦点距离，m；
纵坐标表示定位管弯矩，N·m；
h为外轨超高。
由图6可以看出，定位管弯矩与第一吊弦点的位置成正比。增大第一吊弦点与定位点的距离可改善定位管吊线受力状态，但对于曲线半径R≤5 500 m的曲外正定位工况，结合上一节中定位管弯矩与外轨超高的计算结果，通过调整第一吊弦点的位置不能完全改变定位管吊线的受力状态。
图6 定位管弯矩与曲线半径及第一吊弦点位置的关系
3.3 定位管弯矩与腕臂安装参数的关系
3.3.1 拉出值
由上文分析可知，定位管弯矩与拉出值大小有关，根据表1、表2的数据计算定位管弯矩与拉出值的关系，所分析的悬挂点两侧拉出值a=c= 0.2 m，悬挂点处拉出值b在0.17～0.23 m变化，如图7所示。图中：横坐标表示拉出值b，m；
纵坐标表示定位管弯矩，N·m。
由图7可以看出，定位管弯矩与定位点处的拉出值b成反比。在满足定位器坡度及误差允许条件下，可适当减小拉出值b值来改善定位管吊线的受力状态。
图7 定位管弯矩与拉出值的关系（d = 5 m）
3.3.2 定位管长度
由式（5）可知，定位管弯矩与定位管长度有关，根据表1、表2的数据计算定位管弯矩与其的关系，如图8所示。图中：横坐标表示定位管长度，m；
纵坐标表示定位管弯矩，N·m。
由图8可以看出，定位管弯矩与定位管的长度成正比。适当加长定位管长度可改善定位管吊线受力情况，但定位管长度受限于上、下行带电体间距离、安装结构尺寸统一等影响，不宜过长。
图8 定位管弯矩与定位管长度的关系
基于对接触网定位装置模型的受力分析可知，定位管吊线的静态受力状态与曲线半径、外轨超高、定位器所受的水平力和垂直力、第一吊弦点位置、定位装置的安装结构尺寸等密切相关。本文研究了高速铁路曲线区段定位管吊线的实际受力状态并给出相关参数优化调整建议，为接触网腕臂和定位装置精确预配及吊弦计算提供理论支撑，可以进一步统一接触网安装形式以便于施工及运营维护，具有良好的技术经济性。
通过研究发现：对于曲线半径为5 000～5 500 m的曲线区段，曲外正定位安装形式下定位管吊线更容易出现不受力情况；
对于曲线半径为7 000～10 000 m的曲线区段，曲内正定位安装形式定位管吊线受力较小，更容易出现不受力情况。根据研究结果，对后续高铁项目的定位管固定方式提出以下建议：
（1）对于曲线半径R≤5 500 m的区段，调整第一吊弦点位置、拉出值等对定位管吊线受力状态改善不明显；
为降低施工现场调整难度及工作量，建议将曲线半径R≤5 500 m区段的曲外正定位定位管吊线改为定位管支撑固定，其他情况均采用定位管吊线形式。
（2）现场施工中若出现定位管吊线受力较小或处于临界状态的情况，可以采取适当减小该定位点处拉出值或减小相邻定位点拉出值的措施，亦可采取增加第一吊弦点间距或适当增加定位管长度的调整方案。
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