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強(qiáng)側(cè)風(fēng)下接觸網(wǎng)響應(yīng)特性及弓網(wǎng)運(yùn)行安全分析

文檔作者：劉長(zhǎng)利文檔來(lái)源：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年11月06日
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· 電力／電氣化·
強(qiáng)側(cè)風(fēng)下接觸網(wǎng)響應(yīng)特性及弓網(wǎng)運(yùn)行安全分析
劉長(zhǎng)利
(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043)
摘要：采用非線性有限元分析軟件建立接觸懸掛模型，模擬強(qiáng)側(cè)風(fēng)工況，進(jìn)行接觸網(wǎng)風(fēng)致響應(yīng)特性及弓網(wǎng)運(yùn)行安
全問題分析。對(duì)簡(jiǎn)單鏈形懸掛、彈性鏈形懸掛進(jìn)行風(fēng)致位移對(duì)比分析，結(jié)果表明在接觸網(wǎng)抗風(fēng)性能方面簡(jiǎn)單鏈形
懸掛較好；對(duì)4種典型接觸懸掛組合的承力索與接觸線風(fēng)致水平位移進(jìn)行同步性分析，得出接觸懸掛最佳匹配張
力；對(duì)不同跨距參數(shù)的接觸懸掛進(jìn)行風(fēng)致位移對(duì)比分析，對(duì)照強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下的弓網(wǎng)運(yùn)行安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出縮小跨
距至45m 以下確保安全、懸掛組合JTMH95+CTS150抗風(fēng)性能較好等結(jié)論；對(duì)接觸懸掛和支持結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)致應(yīng)力響
應(yīng)分析，得出接觸網(wǎng)防風(fēng)薄弱點(diǎn)為接觸線和承力索、吊弦、套管雙耳、承力索座、定位器支座及定位線夾等零部件。
關(guān)鍵詞：強(qiáng)側(cè)風(fēng)；接觸網(wǎng)；響應(yīng)特性； 防風(fēng)；安全
中圖分類號(hào)：U225．2；U229 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—2954(2013)02—0105—05
Analysis on Response Characteristic of Overhead Catenary System and
Pantograph-Catenary Operation Security under the
Action of Strong Sidewind
LIU Chang—li
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd．，Xi’an 710043，China)
Abstract：This paper established the model of overhead catenary suspension by using nonlinear finite
element analysis software， simulated strong sidewind environment， and analyzed the wind—induced
response characteristic of overhead catenary system and pantograph catenary operation security under the
action of strong sidewind． Firstly，the contrast analysis of wind-induced displacement between simple
catenary suspension and elastic catenary suspension was carried out，and its results show that the simple
catenary suspension is better in the performance of withstanding wind Then through synchronism analysis
of horizontal displacement of messenger wire and contact wire under four typical catenary suspension
combinations，the best matching tension force of catenary suspension was obtained． And then through
contrast analysis of wind—induced displacement for catenary suspensions with different span parameters，
and through comparing with the evaluation indexes of pantograph—eatenary operation security，this paper
come to the conclusions that the security requirements could be ensured by narrowing the span below
45 m；and the performance of withstanding wind of JTMH95+CTS1 50 catenary combination is batter etc．
Furthermore，through the analysis of wind—induced tress response upon catenary suspension and support
structure，this paper obtained the results that there are the vulnerable points of withstanding—wind
performance in overhead catenary system ， including the messenger wire， dropper， cantilever tubes
bracket，messenger wire bracket，locator bracket，steady arm clamp and other accessories．
Key words：strong sidewind；overhead catenary system ；response characteristic；withstanding wind；security
大風(fēng)所經(jīng)過的鐵路沿線地形，無(wú)論在垂直還是水
收稿日期：2012—11—07
基金項(xiàng)目：鐵道部科技開發(fā)計(jì)劃(2008J019)
作者簡(jiǎn)介：劉長(zhǎng)利(1972～ )，男，高級(jí)工程師，1993年畢業(yè)于西南交通
大學(xué)鐵道電氣化專業(yè)，工程碩士，E—raai[：tyy—dhc@163．con。
鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(02)
平方向上受到約束，風(fēng)速將增大而成為強(qiáng)風(fēng)。其中，側(cè)
向強(qiáng)風(fēng)對(duì)鐵路運(yùn)行安全影響較大。文獻(xiàn)[1]中的鐵路
運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)研究結(jié)果表明，路堤上接觸網(wǎng)高
度附近的側(cè)向風(fēng)速可以達(dá)到平地同樣高度的1．2—
1．5倍，攻角也由平均±3。達(dá)到+15。。對(duì)于設(shè)置了擋風(fēng)
105
·
電力／電氣化· 劉長(zhǎng)利一強(qiáng)側(cè)風(fēng)下接觸網(wǎng)響應(yīng)特性及弓網(wǎng)運(yùn)行安全分析
墻的情況，根據(jù)文獻(xiàn)[2]對(duì)蘭新鐵路擋風(fēng)墻后接觸網(wǎng)
風(fēng)場(chǎng)研究成果，高度3～4 m擋風(fēng)墻后面的接觸網(wǎng)處于
高速繞流區(qū)，風(fēng)速放大系數(shù)達(dá)1．25倍以上，對(duì)接觸網(wǎng)
工作狀態(tài)和弓網(wǎng)運(yùn)行安全更為不利。
據(jù)記載，法國(guó)TGV東南線在投入運(yùn)營(yíng)3個(gè)月后，
強(qiáng)側(cè)風(fēng)連續(xù)2次引起接觸網(wǎng)一受電弓的行車事故，由于
支柱處接觸線抬升量超出了允許限度，致使受電弓掛
斷1 400 m接觸線，損壞了12 km 吊弦和定位器 。
隨后，在國(guó)際上接觸網(wǎng)出現(xiàn)了兩種技術(shù)發(fā)展方向：德國(guó)
主推帶限位支座的矩形定位器，支柱懸掛點(diǎn)有彈性吊
索；法國(guó)、意大利等沿海國(guó)家則采用允許抬升量400
mm的彎刀形定位器，設(shè)定位管支撐，無(wú)彈性吊索。
本研究采用非線性有限元分析軟件進(jìn)行接觸網(wǎng)風(fēng)
致響應(yīng)特性及弓網(wǎng)運(yùn)行安全問題研究。
1 接觸網(wǎng)有限元建模
采用前后處理器SAMCEF Field V6．1和求解器
SAMCEF Cable VI 1．0，在接觸懸掛及支持結(jié)構(gòu)的自
重、張力及強(qiáng)側(cè)風(fēng)等荷載作用下，模擬和計(jì)算接觸網(wǎng)線
索位移(抬升和水平偏移)、接觸線張力變化、支持結(jié)
構(gòu)變形和應(yīng)力等問題。風(fēng)速采用烏魯木齊鐵路局《大
風(fēng)天氣列車安全運(yùn)行辦法》(烏鐵總[2007]151號(hào)文)
中停輪瞬時(shí)風(fēng)速40 m／s，攻角采用+15。。
1．1 三跨接觸懸掛模型的建立
接觸網(wǎng)有限元模型的接觸懸掛包括接觸線、承力
索和吊弦，支持結(jié)構(gòu)包括支柱、平腕臂、斜腕臂、絕緣
子、腕臂支撐和定位器 。在SAMCEF Field軟件中分
別創(chuàng)建接觸懸掛和支持結(jié)構(gòu)模型，然后組合在一起。
建模初始參數(shù)、材料特性分別見表l、表2。
表1 接觸網(wǎng)建模初始參數(shù)
名稱 參數(shù)
線路條件
支柱類型
跨距布置／m
拉出值，側(cè)面限界／ram
接觸懸掛組合
額定張力匹配／kN
接觸線懸掛高度，結(jié)構(gòu)高度／mm
直線R—
+400鋼管柱
6O+6O+6O
±200．3100
JTMH95+CTSl 20
15+2O
6 450，1 400
直徑／ram
彈性模量／GPa
泊松比
截面面積／ram
質(zhì)量／(kg／m)
12．5
105
O．3
93．27
0．849
14．O
1O5
0．3
117 0
1．065
l2．9
l2O
O 3
121
1 082
14 4
120
O 3
151．O
1．35
4．5
113
O．3
9．62
O．O9
106
建立三跨接觸懸掛模型。模型采用全補(bǔ)償簡(jiǎn)單鏈
形懸掛，首端模擬中心錨結(jié)固定，末端模擬接觸線、承
力索分別下錨補(bǔ)償，原始模型如圖1所示。
圖1 三跨接觸懸掛原始模型
接觸網(wǎng)有限元建模進(jìn)行了如下考慮：(1)支柱、平
腕臂、斜腕臂、腕臂支撐和定位器采用梁?jiǎn)卧M；
(2)接觸線、承力索和吊弦采用纜索單元模擬；(3)斜
腕臂、絕緣子、腕臂支撐組成的支持結(jié)構(gòu)沿垂直軸轉(zhuǎn)
動(dòng)，采用鉸鏈單元模擬；(4)定位器沿定位支座轉(zhuǎn)動(dòng)采
用鉸鏈單元模擬；(5)接觸線、承力索和吊弦之間的連
接采用球鉸單元模擬。有限元模型如圖2所示。
圖2 三跨接觸懸掛有限元模型(簡(jiǎn)單鏈形懸掛)
1．2 邊界條件及風(fēng)載荷定義
在SAMCEF Field軟件中，將支柱根部定義為固定
約束，即6個(gè)自由度約束；側(cè)風(fēng)的來(lái)風(fēng)向定義為接觸網(wǎng)
支柱田野側(cè)，風(fēng)速40 m／s，攻角+l5。，風(fēng)荷載作用于接
觸網(wǎng)支柱和接觸懸掛。風(fēng)荷載定義為
支柱的單位風(fēng)荷載：P．=r／xP。xD
線索的單位風(fēng)荷載：P：=P㈩xd
式中，叼為支柱體型系數(shù)；P。為基本風(fēng)壓，采用瞬
時(shí)風(fēng)速40 m／s且不考慮風(fēng)壓高度變化系數(shù)；D為支柱
直徑；P 為加載于線索上的脈動(dòng)風(fēng)風(fēng)壓時(shí)程，采用
Davenport譜模擬；d為線索直徑。
1．3 接觸網(wǎng)初始變形計(jì)算和模型驗(yàn)證
SAMCEF軟件在電力、能源和鐵路行業(yè)均有成熟
應(yīng)用。本研究首先進(jìn)行接觸網(wǎng)初始變形計(jì)算和模型驗(yàn)
證，接觸懸掛受風(fēng)瞬態(tài)位移分布云圖(4倍放大)如圖
3所示，提取軟件模型的接觸懸掛靜態(tài)彈性、最大水平
位移等數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)照，結(jié)果表明該軟件
鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(02)
劉長(zhǎng)利一強(qiáng)側(cè)風(fēng)下接觸網(wǎng)響應(yīng)特性及弓網(wǎng)運(yùn)行安全分析
的計(jì)算方法正確可靠，提取三跨接觸懸掛模型的2號(hào)、
3號(hào)支柱及第2跨中點(diǎn)數(shù)據(jù)能夠反映實(shí)際情況。
圖3 三跨接觸懸掛的側(cè)風(fēng)瞬態(tài)位移分布云圖
2 接觸網(wǎng)風(fēng)致響應(yīng)特性分析
2．1 不同接觸懸掛類型的風(fēng)致位移響應(yīng)
目前我國(guó)鐵路常見全補(bǔ)償簡(jiǎn)單鏈形、彈性鏈形懸
掛的主要參數(shù)如圖4所示，通過仿真計(jì)算進(jìn)行兩種接
觸懸掛類型的防風(fēng)性能對(duì)比分析。
— 墮1
彈性鏈形懸掛，跨距60
圖4 簡(jiǎn)單鏈形懸掛、彈性鏈形懸掛的仿真模型參數(shù)(單位：m)
簡(jiǎn)單鏈形懸掛的模型采用圖2，彈性鏈形懸掛的
模型是在圖2基礎(chǔ)上增加彈性吊索。首先，計(jì)算彈性
吊索和吊弦的初始長(zhǎng)度，得到單跨初始狀態(tài)的分析模
型及變形云圖，在此基礎(chǔ)上建立彈性鏈形懸掛的三跨
模型，單跨初始狀態(tài)的變形云圖及三跨模型局部放大
圖如圖5所示。
§
圖5 彈性鏈形懸掛的單跨變形云圖及三跨模型放大圖
對(duì)圖2、圖5兩種接觸懸掛模型進(jìn)行仿真計(jì)算，提
取這兩種模型的2號(hào)、3號(hào)支柱正、反定位點(diǎn)及第2跨
中點(diǎn)的接觸線最大豎向位移(即抬升量)和最大水平
位移(即風(fēng)偏移值)，及跨中承力索最大水平位移等分
別進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。
從結(jié)果數(shù)據(jù)可以得出：(1)簡(jiǎn)單鏈形懸掛正、反定
位點(diǎn)及第2跨中點(diǎn)的接觸線抬升量均較小，其中在正
定位點(diǎn)兩者差異較大；(2)兩種懸掛類型的水平風(fēng)偏
鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì) N ILWAY STAⅣD D DESIGN 2013(02)
暑
豈
I 簡(jiǎn)單鏈形懸掛
_ 彈性鏈形懸掛
豎向位移(抬升量)
· 電力／電氣化·
水平位移(風(fēng)偏移值)
圖6
位反定位跨中正定位反定位跨中 跨中
(承力索)
簡(jiǎn)鏈、彈鏈懸掛的風(fēng)致位移對(duì)比
值差異不大。
2．2 典型接觸懸掛組合的最佳匹配張力
從圖6中還可以看出，無(wú)論簡(jiǎn)單鏈形懸掛還是彈
性鏈形懸掛，第2跨中點(diǎn)的承力索水平位移與接觸線
相比均較大，存在風(fēng)致吊弦線夾偏斜打弓問題。這種
風(fēng)偏移不同步現(xiàn)象主要是由于接觸線與承力索在線
徑、張力方面存在差異造成的，對(duì)于我國(guó)鐵路典型的接
觸懸掛組合：JTMH95+CTS120、JTMH120+CTS120、
JTMH95+CTS150、JTMH120+cTs150等，為使接觸線與
承力索的風(fēng)偏移同步且幅值一致，在改變線材規(guī)格、接
觸線張力均受限的情況下，適當(dāng)調(diào)整承力索張力是比
較好的辦法。以圖2中簡(jiǎn)單鏈形懸掛模型為藍(lán)底，進(jìn)
行強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件下的懸掛組合最佳匹配張力研究，在仿
真過程中，接觸線張力維持不變，對(duì)承力索張力以
0．5 kN步長(zhǎng)遞增或遞減，提取第2跨中點(diǎn)的承力索、
接觸線最大水平位移進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)兩偏移值接近時(shí)表
明承力索與接觸線的風(fēng)致響應(yīng)同步，如圖7所示。
240
230
目220
21o
200
l9O
表3 接觸網(wǎng)防風(fēng)的最佳匹配張力 kN
注：仿真模型參數(shù)為跨距50 m、風(fēng)速40 m／s、攻角+15。。
107
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劉長(zhǎng)利一強(qiáng)側(cè)風(fēng)下接觸網(wǎng)響應(yīng)特性及弓網(wǎng)運(yùn)行安全分析
應(yīng)對(duì)比數(shù)據(jù)看，兩者的風(fēng)偏移值接近但簡(jiǎn)單鏈形懸掛
的抬升量較小，對(duì)照弓網(wǎng)運(yùn)行安全原則第(1)條，可以
得出簡(jiǎn)單鏈形懸掛抗風(fēng)性能較好的結(jié)論。目前法國(guó)、
意大利等沿海風(fēng)速較大地區(qū)均采用簡(jiǎn)單鏈形懸掛，日
本新干線也曾對(duì)簡(jiǎn)單鏈形、彈性鏈形懸掛進(jìn)行過對(duì)比
試驗(yàn)，結(jié)果決定推廣簡(jiǎn)單鏈形懸掛，以取代造價(jià)高、維
護(hù)難度較大的復(fù)鏈形懸掛。
3．2．2 接觸懸掛張力匹配
表3給出了我國(guó)4種典型接觸懸掛組合的最佳匹
配張力，對(duì)照弓網(wǎng)運(yùn)行安全原則第(2)條，此時(shí)跨中承
力索與接觸線在受風(fēng)偏移、擺動(dòng)時(shí)能夠保持同步且幅
值一致，可以避免強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下吊弦線夾偏斜打弓、吊
弦拉應(yīng)力疲勞及導(dǎo)線偏磨等問題。
3．2．3 跨距
從圖8中4種懸掛組合在不同跨距參數(shù)下的風(fēng)致
位移響應(yīng)對(duì)比數(shù)據(jù)看，跨距參數(shù)對(duì)跨中接觸線風(fēng)偏移
值、跨中接觸線抬升量及正定位點(diǎn)接觸線抬升量的影
響較大。對(duì)照表4可以看出：(1)在風(fēng)偏移值方面，這
4種接觸懸掛組合的風(fēng)偏移值均不大于400 mm，滿足
弓網(wǎng)運(yùn)行安全要求；(2)在抬升量方面，當(dāng)采用限位定
位器時(shí)，只有縮小跨距至45 m及以下，各懸掛組合才
能滿足弓網(wǎng)運(yùn)行安全要求；當(dāng)采用非限位定位器時(shí)，按
照受電弓最大抬升量150 mm的動(dòng)態(tài)包絡(luò)線進(jìn)行接觸
網(wǎng)設(shè)計(jì)，各懸掛組合能夠滿足弓網(wǎng)運(yùn)行安全要求，對(duì)于
普速鐵路(受電弓最大抬升量120 mm及以下)接觸網(wǎng)
設(shè)計(jì)，除懸掛組合3可以采用50 m跨距外，其余懸掛
組合均需縮小跨距至45 m及以下方可滿足弓網(wǎng)運(yùn)行
安全要求。
綜上所述，縮小跨距至45 m可顯著提高接觸網(wǎng)抗
風(fēng)性能，接觸懸掛組合3(簡(jiǎn)單鏈形懸掛JTMH95+
CTS150，張力匹配21 kN+25 kN)抗風(fēng)性能較好。
3．2．4 線材及零部件
根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，在強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下接觸網(wǎng)風(fēng)致
應(yīng)力響應(yīng)變化較大的位置有：(1)正定位點(diǎn)的接觸網(wǎng)
線材(接觸線、承力索及吊弦)、套管雙耳(斜腕臂與平
腕臂結(jié)合部)、承力索座及定位線夾；(2)反定位點(diǎn)的
定位管、定位器支座(定位管與定位器結(jié)合部)。
在我國(guó)風(fēng)能資源豐富地區(qū)，如阿拉山口、達(dá)坂城、
輝騰錫勒、錫林浩特及東南沿海地區(qū)，接觸網(wǎng)受常年季
風(fēng)或臺(tái)風(fēng)的高頻率交變風(fēng)荷載作用，上述線材和零部
件存在疲勞破壞問題，是接觸網(wǎng)抗風(fēng)的薄弱點(diǎn)。根據(jù)
接觸網(wǎng)200萬(wàn)弓架次或30年壽命要求 ，接觸線、承
鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)RAILWAY STANDARD DESIGN 2013(02)
· 電力／電氣化·
力索及吊弦等接觸網(wǎng)線材需縮短使用年限，套管雙耳、
承力索座、定位器支座及定位線夾等零部件需進(jìn)一步
提高強(qiáng)度，并需改進(jìn)螺紋副的防松措施。
4 結(jié)論
針對(duì)在新疆風(fēng)口及內(nèi)蒙古、東南沿海地區(qū)的大風(fēng)
環(huán)境下電氣化鐵路運(yùn)行安全問題，通過有限元分析軟
件模擬了強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下的接觸網(wǎng)風(fēng)致響應(yīng)，并對(duì)照接
觸線在定位點(diǎn)抬升、跨中風(fēng)偏兩方面的弓網(wǎng)運(yùn)行安全
評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出接觸網(wǎng)抗風(fēng)性能方面的如下結(jié)論：
(1)與彈性鏈形懸掛相比，簡(jiǎn)單鏈形懸掛的風(fēng)致
位移響應(yīng)較小，其抗風(fēng)性能較好；
(2)為避免吊弦線夾偏斜打弓，跨中承力索與接
觸線在受風(fēng)偏移、擺動(dòng)時(shí)應(yīng)保持同步且幅值一致，承力
索張力需與接觸線張力匹配；
(3)縮小跨距至45 In可顯著提高接觸網(wǎng)抗風(fēng)性
能，并且簡(jiǎn)單鏈形懸掛JTMH95+CTS150(張力匹配
21 kN+25 kN)的抗風(fēng)性能較好；
(4)接觸線、承力索及吊弦等接觸網(wǎng)線材，以及套
管雙耳、承力索座、定位器支座及定位線夾等零部件是
接觸網(wǎng)抗風(fēng)的薄弱點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)：
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