论文部分内容阅读
摘要：本文先通过计算单根接触线在直线和曲线段的理论最大风偏以及最大风偏产生的位置，再计算将承力索和接触线综合考虑的接触悬挂的整体风偏，同时考虑风向对接触网在曲线内侧或外侧的影响程度，并将承力索的风偏影响通过吊弦作用至接触线的风偏，从而得出接触悬挂的风偏及最大风偏位置。进而针对大风条件下接触网悬挂的风偏值进行了分析，由于接触悬挂结构和受风面不同，从接触线和接触悬挂两方面进行了比较和总结，得出了接触悬挂的相互作用力并进行了计算。针对大风条件下分别从悬挂类型、支柱跨距和线索张力三个方面总结出了大风条件下通过相互作用力计算，得出了不同悬挂类型下支柱跨距和线索张力的不同组合对接触网风偏的影响程度并得出了可以适当增加定位点质量，或采用双定位器的定位方式以及增强吊弦硬度，以减小承力索对接触线的相互作用力的结论。
关键词：接触网;风致偏移;接触悬挂
中图分类号：U225
1 前言
由于风对架空接触网的线和导线施加的力使其水平方向偏离，出现 “风偏”。与风载成正比，而偏离与线张力成反比。接触线的允许偏移（风偏） 受到受电弓弓头的工作范围限制。架空接触网的设计必须考虑确保横向偏移是在允许极限内，而受电弓运行时不会脱离接触线-这种现象称为“离线”。对受到横向风作用的接触网悬挂的运动目前尚未充分掌握，在阵风引起的复杂的悬挂振动，并且受到相邻跨距的连带影响下，现实中的旋转腕臂支持的接触线，与计算所得数值相比，有必要预想到可能有更大的偏移变动实际值出现。我们可以从悬挂类型、支柱跨距、线索张力等几方面，对大风条件下接触网的偏移进行讨论。
2 关于风偏的计算
2.1 接触线的偏移
（1）直线区段的风偏移
对于直径为d的圆形截面导线，单位长度风荷载（N/m）的计算为：[1]
（1）
式中， ——风密度（kg/m3）;
——风速（m/s）;
——空气动力阻力系数;
——线索直径（mm）。
单线的风偏移，载悬挂点右侧点x处（如图1）的情况可用式（2）表示：
（2）
接触线和承力索与腕臂的连接时交替横向位移（拉出值），风载情况下横向位移是两个系数yw（x）和ys（x）叠加的结果。
（3）
表示横向位置的完整公式为：
（4）
通过求微分并把微分视为零，得出最大偏移值：
（5）
这样，因风单独作用造成的最大偏移为：
（6）
式（6）中用于单位长度风负载F大于 的情况。如果不是的话，最大偏移点将不会存在于所研究跨距之中。
对于实际应用来说， ，采用公式为：
（7）
（2）曲线区段的风偏移
确定风荷载状态下接触线偏移时，还应区分风向是在曲内还是曲外。
在曲线上，接触线偏移位必须考虑线路的超高值。
图2中的坐标系中，从左至右，中心线右侧为正，左侧为负。线路中心线用下式表示：
（8）
由图2可得yk：
（9）
因为li/2R远小于1，式（9）可简化为：
（10）
把 遠小于1代入式（8）～式（10）可得：
（11）
根据线索弛度公式和式（2）可得线索的横向风偏移值：
（12）
图2中下方为正，上方为负。
2.2 架空接触悬挂的偏移
承力索和接触线在受到风作用时，由于线径和受风面不同，所产生的偏移也一定是不同的。在风作用下，承力索通过吊弦作用，对接触线的偏移产生影响，结合本文2.1节所述，将承力索和接触线捆扎在一起综合考虑受风作用，如图3所示：
接触线通过吊弦作用于承力索的相互作用力F’CWCA，可得：
（13）
计算风载下接触悬挂的偏移，必须分别考虑承力索和接触线的风荷载，F’CAF和F’CWF。
承力索： （14）
接触线： （15）
以上所述，在承力索张力与接触线张力相等的情况下，由于线径和受风面不同，接触线的偏移大于承力索的偏移。式（13）中没有考虑拉出值的存在，在跨中，其相互影响而产生的横向偏移Δe为：
（16）
从图3中可得：
（17）
通过式（16）等于式（17），可得出与长度相关的风负载下接触线和承力索相互作用力：
（18）
3 关于接触网参数的讨论
3.1 悬挂类型
对于简单链形悬挂，风速45m/s，密度0.73 kg/m3。设承力索JTMH95（线径12.5mm）、接触线CTA120（线径12.9mm）、接触线空气动力阻力系数取1.2、承力索空气动力阻力系数取1.1、结构高度1.4m、接触线和承力索张力均为20kN，跨距50m。根据上述算法可得出相互作用力为0.63N/m。 对于弹性链形悬挂，风速45m/s，密度0.73 kg/m3。设承力索JTMH120（线径14.21mm）、接触线CTA150（线径14.4mm）、接触线空气动力阻力系数取1.2、承力索空气动力阻力系数取1.2、结构高度1.6m、接触线张力27 kN、承力索张力21kN，跨距50m。根据上述算法可得出相互作用力为1.574N/m。
相比之下，弹性链形悬挂由于悬挂线索较多，受风面积更大，整体更容易受风的影响。
3.2 支柱跨距
仍以3.1节计算参数为例，改变支柱跨距，得表1：
从表1中可看出，相互作用力是随支柱跨距增加而增加但并不明显。对线索的最大偏移有显著的影响。特别是对于弹性链型悬挂，支柱跨距从40米变化到55米的情况下，其悬挂风偏增加181mm，为40米情况下的72%。
3.3 线索张力
线索张力的大小对接触网风偏是有直接影响的，具体可表现在其相互作用力和仍以3.1节计算参数为例，跨距同为50m，改变线索张力或不同张力组合，得表2：
从表2看出，无论是哪种悬挂类型，所产生的相互作用力的大小，很大一部分取决于张力的差值，虽然承力索的张力和接触线的张力相等所带来的是最小相互作用力，但是其最大偏移比承力索的张力和接触线的张力不相等时的要大。从表2还可以看出，不论是简单链型悬挂还是弹性链型悬挂，其最大风偏都随悬挂张力的增加而减小，承力索与接触线的张力差倒不是影响悬挂偏移量的主要因素。
4 结论
通过以上分析，可得出以下结论：
（1）简单悬挂在张力超过25kN后，相互作用力变化较为明显。而弹性链形悬挂由于悬挂线索较多，整体抗风性不如简单链形悬挂。在我国西部及沿海地区普遍存在大风的情况下，应优先考虑使用简单链形悬挂。
（2）支柱跨距对相互作用力影响较小，但对线索的最大偏移值影响较大，在计算风速小于40m/s时，支柱跨距不应超过50m，在计算风速为45m/s时，支柱跨距不应超过45m。特别是对于弹性链型悬挂，在施工过程中不能随意调整跨距。
（3）线索张力综合其影响来看，无论是张力相等还是不相等，建议采用超过30kN的方案以获得更小的相互作用力。從最大偏移值来看，在悬挂张力综合不变的情况下，建议采用张力不等的方案。
基于以上三点结论，还应考虑增加接触悬挂自身刚性，如：一是在不产生悬挂硬点的条件下，适当增加定位点质量，或采用双定位器的定位方式;二是可考虑增强吊弦硬度，以减小承力索对接触线的相互作用力等。
5 结束语
本文通过对单根接触线的风负载所引起的偏移分析入手，进一步分析了承力索通过吊弦作用对接触线的风致偏移，得出了其相互作用力。并对主要影响风偏的悬挂结构、支柱跨距以及线索张力三个方面进行了不同条件下的计算，并得出了相应的结论，对设计和施工有重要的参考价值。
参考文献（References）：
[1] 于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社.2003.
[2] 潘洪海.基ANSYS的接触线风偏计算[J].电气化铁道.2009.
[3]中铁电气化局集团有限公司译.电气化铁道接触网[M].北京：中国电力出版社，2004.
[4]田志军.电气化铁路接触网防风技术研究[J].建设机械技术与管理.2017
[5] 杜熙.吴积钦.钟源.韩峰.沿海大风区的线岔平面布置[J].接触网技术.2020
[6]陈立明. 高速受电弓作用下接触网整体吊弦动态力研究[J].中国铁道科学.2018
作者简介：邓诚，男，本科，四川遂宁人，1983年生，高级工程师，中铁八局电务公司，主要从事内接触网施工、管理工作
黄河，男，本科，四川简阳人，1982年生，高级工程师，中铁八局电务公司
关键词：接触网;风致偏移;接触悬挂
中图分类号：U225
1 前言
由于风对架空接触网的线和导线施加的力使其水平方向偏离，出现 “风偏”。与风载成正比，而偏离与线张力成反比。接触线的允许偏移（风偏） 受到受电弓弓头的工作范围限制。架空接触网的设计必须考虑确保横向偏移是在允许极限内，而受电弓运行时不会脱离接触线-这种现象称为“离线”。对受到横向风作用的接触网悬挂的运动目前尚未充分掌握，在阵风引起的复杂的悬挂振动，并且受到相邻跨距的连带影响下，现实中的旋转腕臂支持的接触线，与计算所得数值相比，有必要预想到可能有更大的偏移变动实际值出现。我们可以从悬挂类型、支柱跨距、线索张力等几方面，对大风条件下接触网的偏移进行讨论。
2 关于风偏的计算
2.1 接触线的偏移
（1）直线区段的风偏移
对于直径为d的圆形截面导线，单位长度风荷载（N/m）的计算为：[1]
（1）
式中， ——风密度（kg/m3）;
——风速（m/s）;
——空气动力阻力系数;
——线索直径（mm）。
单线的风偏移，载悬挂点右侧点x处（如图1）的情况可用式（2）表示：
（2）
接触线和承力索与腕臂的连接时交替横向位移（拉出值），风载情况下横向位移是两个系数yw（x）和ys（x）叠加的结果。
（3）
表示横向位置的完整公式为：
（4）
通过求微分并把微分视为零，得出最大偏移值：
（5）
这样，因风单独作用造成的最大偏移为：
（6）
式（6）中用于单位长度风负载F大于 的情况。如果不是的话，最大偏移点将不会存在于所研究跨距之中。
对于实际应用来说， ，采用公式为：
（7）
（2）曲线区段的风偏移
确定风荷载状态下接触线偏移时，还应区分风向是在曲内还是曲外。
在曲线上，接触线偏移位必须考虑线路的超高值。
图2中的坐标系中，从左至右，中心线右侧为正，左侧为负。线路中心线用下式表示：
（8）
由图2可得yk：
（9）
因为li/2R远小于1，式（9）可简化为：
（10）
把 遠小于1代入式（8）～式（10）可得：
（11）
根据线索弛度公式和式（2）可得线索的横向风偏移值：
（12）
图2中下方为正，上方为负。
2.2 架空接触悬挂的偏移
承力索和接触线在受到风作用时，由于线径和受风面不同，所产生的偏移也一定是不同的。在风作用下，承力索通过吊弦作用，对接触线的偏移产生影响，结合本文2.1节所述，将承力索和接触线捆扎在一起综合考虑受风作用，如图3所示：
接触线通过吊弦作用于承力索的相互作用力F’CWCA，可得：
（13）
计算风载下接触悬挂的偏移，必须分别考虑承力索和接触线的风荷载，F’CAF和F’CWF。
承力索： （14）
接触线： （15）
以上所述，在承力索张力与接触线张力相等的情况下，由于线径和受风面不同，接触线的偏移大于承力索的偏移。式（13）中没有考虑拉出值的存在，在跨中，其相互影响而产生的横向偏移Δe为：
（16）
从图3中可得：
（17）
通过式（16）等于式（17），可得出与长度相关的风负载下接触线和承力索相互作用力：
（18）
3 关于接触网参数的讨论
3.1 悬挂类型
对于简单链形悬挂，风速45m/s，密度0.73 kg/m3。设承力索JTMH95（线径12.5mm）、接触线CTA120（线径12.9mm）、接触线空气动力阻力系数取1.2、承力索空气动力阻力系数取1.1、结构高度1.4m、接触线和承力索张力均为20kN，跨距50m。根据上述算法可得出相互作用力为0.63N/m。 对于弹性链形悬挂，风速45m/s，密度0.73 kg/m3。设承力索JTMH120（线径14.21mm）、接触线CTA150（线径14.4mm）、接触线空气动力阻力系数取1.2、承力索空气动力阻力系数取1.2、结构高度1.6m、接触线张力27 kN、承力索张力21kN，跨距50m。根据上述算法可得出相互作用力为1.574N/m。
相比之下，弹性链形悬挂由于悬挂线索较多，受风面积更大，整体更容易受风的影响。
3.2 支柱跨距
仍以3.1节计算参数为例，改变支柱跨距，得表1：
从表1中可看出，相互作用力是随支柱跨距增加而增加但并不明显。对线索的最大偏移有显著的影响。特别是对于弹性链型悬挂，支柱跨距从40米变化到55米的情况下，其悬挂风偏增加181mm，为40米情况下的72%。
3.3 线索张力
线索张力的大小对接触网风偏是有直接影响的，具体可表现在其相互作用力和仍以3.1节计算参数为例，跨距同为50m，改变线索张力或不同张力组合，得表2：
从表2看出，无论是哪种悬挂类型，所产生的相互作用力的大小，很大一部分取决于张力的差值，虽然承力索的张力和接触线的张力相等所带来的是最小相互作用力，但是其最大偏移比承力索的张力和接触线的张力不相等时的要大。从表2还可以看出，不论是简单链型悬挂还是弹性链型悬挂，其最大风偏都随悬挂张力的增加而减小，承力索与接触线的张力差倒不是影响悬挂偏移量的主要因素。
4 结论
通过以上分析，可得出以下结论：
（1）简单悬挂在张力超过25kN后，相互作用力变化较为明显。而弹性链形悬挂由于悬挂线索较多，整体抗风性不如简单链形悬挂。在我国西部及沿海地区普遍存在大风的情况下，应优先考虑使用简单链形悬挂。
（2）支柱跨距对相互作用力影响较小，但对线索的最大偏移值影响较大，在计算风速小于40m/s时，支柱跨距不应超过50m，在计算风速为45m/s时，支柱跨距不应超过45m。特别是对于弹性链型悬挂，在施工过程中不能随意调整跨距。
（3）线索张力综合其影响来看，无论是张力相等还是不相等，建议采用超过30kN的方案以获得更小的相互作用力。從最大偏移值来看，在悬挂张力综合不变的情况下，建议采用张力不等的方案。
基于以上三点结论，还应考虑增加接触悬挂自身刚性，如：一是在不产生悬挂硬点的条件下，适当增加定位点质量，或采用双定位器的定位方式;二是可考虑增强吊弦硬度，以减小承力索对接触线的相互作用力等。
5 结束语
本文通过对单根接触线的风负载所引起的偏移分析入手，进一步分析了承力索通过吊弦作用对接触线的风致偏移，得出了其相互作用力。并对主要影响风偏的悬挂结构、支柱跨距以及线索张力三个方面进行了不同条件下的计算，并得出了相应的结论，对设计和施工有重要的参考价值。
参考文献（References）：
[1] 于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社.2003.
[2] 潘洪海.基ANSYS的接触线风偏计算[J].电气化铁道.2009.
[3]中铁电气化局集团有限公司译.电气化铁道接触网[M].北京：中国电力出版社，2004.
[4]田志军.电气化铁路接触网防风技术研究[J].建设机械技术与管理.2017
[5] 杜熙.吴积钦.钟源.韩峰.沿海大风区的线岔平面布置[J].接触网技术.2020
[6]陈立明. 高速受电弓作用下接触网整体吊弦动态力研究[J].中国铁道科学.2018
作者简介：邓诚，男，本科，四川遂宁人，1983年生，高级工程师，中铁八局电务公司，主要从事内接触网施工、管理工作
黄河，男，本科，四川简阳人，1982年生，高级工程师，中铁八局电务公司