强风环境下的铁路电气化接触网及其参数确定方法

摘要

本发明涉及一种强风环境下的铁路电气化接触网及其参数确定方法。风区、风口的大风作用会使接触网发生更大更复杂的振动及风偏，影响弓网运行动态质量，威胁弓网接触安全及接触网结构安全。本发明综合采用CFD数值模拟计算、接触网风致响应有限元分析、弓网仿真、风洞试验及现场工程试验，提出了结构强度、刚度、可靠性、抗风稳定性及弓网动态受流性能综合良好的接触网，即采用结构高度为1100mm、跨距不大于50m、承力索张力与接触线张力匹配合适、整体钢腕臂结构、转换柱和道岔柱为双腕臂柱、接触线与承力索分支柱下锚的简单链形悬挂系统。本发明提出了适应强风条件的接触网，保证了长期大风作用下接触网结构的安全可靠性。

权利要求

1.强风环境下的铁路电气化接触网的参数确定方法，其特征在于：由以下步骤实现：

步骤一：采用CFD数值模拟计算和风洞试验进行接触网局部风场研究，得出不同挡风屏高度下接触网高度范围内的风速系数，风速系数为挡风屏后风速大小与环境风速大小的比值；

步骤二：利用上述风速系数，采用基于空气动力学理论的接触网风致响应有限元分析，研究得出强风条件下接触网技术参数对接触网系统抗风稳定性的影响规律；

步骤三：从弓网受流性能角度，对多种参数组合的接触网方案进行无风条件下的弓网仿真研究以及有风条件下的弓网仿真研究；

步骤四：进行现场工程试验验证；

步骤五：结合步骤二得出的影响规律、步骤三得到的仿真结果和步骤四的现场工程试验验证结果，得出适应强风环境下抗风稳定性及弓网动态受流性能综合良好的接触网技术参数，即悬挂类型、结构高度、承力索张力与接触线张力匹配、预弛度及跨距。

说明书

强风环境下的铁路电气化接触网及其参数确定方法

技术领域

[0001] 本发明属于铁路电气化技术领域，具体涉及一种强风环境下的铁路电气化接触网及其参数确定方法。

背景技术

[0002] 随着电气化铁路的发展，特别是在风区、风口等不利环境条件下，接触网运行的安全受到大风的影响程度愈加突出。风区、风口的大风作用及隧道口的涡流风场作用会使接触网发生更大更复杂的振动及风偏，不仅影响弓网运行动态质量，甚至威胁弓网接触安全、引发弓网事故而导致铁路运营中断。

[0003] 新疆大风区自然条件恶劣，风区风力强劲、极大风速超过60m/s，大风持续时间长、12级及以上大风过程持续时间达40小时，风期长、8级以上大风天数平均超过100天，风向稳定、起风速度快，是我国乃至世界上铁路风灾最严重的地区之一。其中以新疆境内百里风区、三十里风区的风力最为强劲，历史以及近年来多次威胁兰新铁路、南疆铁路的行车安全和造成翻车等重大安全事故。新疆地区强风条件下的接触网技术在国内外均尚无成熟的、可借鉴的经验及理论。

[0004] 为保障《铁路“十二五”发展规划》中的新疆13条铁路项目、8条铁路煤运通道项目的顺利开展，完善新疆铁路网结构、提高运输效率、增强运输能力，提升新疆煤炭战略地位，加强新疆与内地、新疆与周边国家的互联互通，促进新疆区域经济社会发展，促进国民经济和社会平稳较快发展，亟需研究出强风环境下的铁路电气化接触网技术方案，以指导风区、风口等强风环境下的接触网设计。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种在强风环境下接触网支持结构强度、刚度、可靠性、接触网系统抗风稳定性及弓网动态受流性能综合良好的强风环境下的铁路电气化接触网及其参数确定方法。

[0006] 本发明所采用的技术方案是：

[0007] 强风环境下的铁路电气化接触网，其特征在于：

[0008] 所述的接触网采用简单链形悬挂系统、1100mm小结构高度、不大于50m的小跨距、承力索张力与接触线张力匹配合适、预弛度为0；

[0009] 支柱采用加强型支柱，基础采用采用机械钻孔灌注桩基础；

[0010] 采用刚性固定连接整体钢腕臂结构和具有弹性减震及断线防脱落功能的铝合金圆管型限位定位器；

[0011] 附加导线采用双棒形绝缘子“V”型结构悬挂方式。

[0012] 所述的承力索张力与接触线张力匹配指，当行车速度不高于160km/h时，张力匹配为25kN+25kN；当行车速度不高于250km/h时，张力匹配为28.5kN+ 22.5kN。

[0013] 所述的所述的加强型支柱是指，当行车速度不高于160km/h时，支柱采用Φ400mm等径钢管柱；当行车速度不高于250km/h时，支柱采用GHT240、GHT260、GHT300。

[0014] 所述的支柱中的转换柱和道岔柱采用双腕臂柱，下锚柱采用接触线、承力索分支柱下锚。

[0015] 所述的刚性固定连接整体钢腕臂结构的连接件采用宽度为90～120mm的抱箍型零件。

[0016] 强风环境下的铁路电气化接触网的参数确定方法，其特征在于：

[0017] 由以下步骤实现：

[0018] 步骤一：采用CFD数值模拟计算和风洞试验进行接触网局部风场研究，得出不同挡风屏高度下接触网高度范围内的风速系数，风速系数为挡风屏后风速大小与环境风速大小的比值；

[0019] 步骤二：利用上述风速系数，采用基于空气动力学理论的接触网风致响应有限元分析，研究得出强风条件下接触网技术参数对接触网系统抗风稳定性的影响规律；

[0020] 步骤三：从弓网受流性能角度，对多种参数组合的接触网方案进行无风条件下的弓网仿真研究以及有风条件下的弓网仿真研究；

[0021] 步骤四：进行现场工程试验验证。

[0022] 步骤五：结合步骤二得出的影响规律、步骤三得到的仿真结果和步骤四的现场工程试验验证结果，得出适应强风环境下抗风稳定性及弓网动态受流性能综合良好的接触网技术参数，即即悬挂类型、结构高度、承力索张力与接触线张力匹配、预弛度及跨距。

[0023] 本发明具有以下优点：

[0024] 本发明所涉及的强风环境中铁路电气化接触网，采用了小结构高度、小跨距的简单链形悬挂系统，并且从支柱选型及安装型式、基础设计、腕臂结构及定位结构设计、关键连接件设计、附加导线安装形式等方面，大幅提高了接触网的结构强度、刚度、可靠性、抗风稳定性及弓网动态受流性能，保证了长期大风作用下接触网结构的安全可靠性，是通过在强风环境下兼顾抗风稳定性及弓网动态受流性能的影响，采用CFD数值模拟研究、有限元分析、弓网仿真等理论仿真研究、室内风洞试验以及现场工程试验相结合的技术手段得到的技术方案，所得数据精确可靠，适用性强，在新疆、青海、西藏、内蒙等大风区及风口区，以及沿海地区的台风条件都有良好的应用前景。

附图说明

[0025] 图1为正定位刚性固定连接整体钢腕臂结构以及具有弹性减震、断线防脱落功能的铝合金圆管型限位定位器示意图。

[0026] 图2为反定位刚性固定连接整体钢腕臂结构以及具有弹性减震、断线防脱落功能的铝合金圆管型限位定位器示意图。

[0027] 图3为双棒形绝缘子“V”型结构悬挂示意图。

[0028] 图4为不同挡风屏高度下接触网高度范围内的风速系数变化规律研究结果。

[0029] 图5为悬挂类型对接触网系统抗风稳定性影响规律的研究结果。

[0030] 图6为跨距对接触网系统抗风稳定性影响规律的研究结果。

[0031] 图7为承力索张力与接触线张力匹配对接触网系统抗风稳定性影响规律的研究结果。

具体实施方式

[0032] 下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

[0033] 实施例1：

[0034] 本实施例所涉及的强风环境下的铁路电气化接触网的各个技术参数，是兼顾了接触网支持结构强度、刚度、可靠性、接触网系统抗风稳定性及弓网动态受流性能得到的技术方案。行车速度为250km/h，具体的参数确定过程如下：

[0035] （1）采用CFD数值模拟计算和风洞试验研究不同挡风屏高度下接触网高度范围内的风速系数变化规律，即不同高度的挡风屏，风速系数变化剧烈所在的接触网高度区域不同，挡风屏高度越高，越有利于使接触线、承力索处风速系数远离极大值，接触网结构高度越小，越有利于使承力索处风速系数远离极大值。从风场角度可指导接触网导高及结构高度参数的确定。

[0036] （2）利用上述风速系数，采用基于空气动力学理论的接触网风致响应有限元分析方法，即建立接触网风致振动及风偏有限元模型，计算接触网线索平均位移，采用谱解法模拟紊流风速时程和采用时程分析法计算接触网线索动态位移，叠加竖向平均位移与动态位移、水平平均位移与动态位移分别获得接触网线索的风致振动总位移、总风偏，研究得出强风条件下接触网技术参数对接触网系统抗风稳定性的影响规律。影响规律具体如下：

[0037] 对于悬挂类型因素，与弹链相比，简链整体刚度大，特别是整体腕臂结构形式的简单链形悬挂风致响应位移小，抗风稳定性效果明显。对于跨距因素，跨距由55m减小至50m，风致响应位移明显减小；跨距由50m减小至45m，跨中风偏几乎没有变化；风速不大于40m/s时竖向位移变化微弱，风速大于40m/s时, 竖向位移有一定变化，但变化量较小。从抗风稳定性角度，跨距不应大于50m。对于张力因素，承力索与接触线的张力和越大，整体刚度越大，抗风稳定性越好；从竖向位移角度，由于挡风结构的风速增速效应使得承力索处风速高于接触线处风速，因此与增大接触线张力相比，增大承力索张力对于抗风稳定性的提高更为敏感；从风偏角度，有必要适当增大接触线张力，以对风偏形成更好的约束作用。

[0038] 1）强风条件：10min平均风速大小为40m/s、垂直线路方向。

[0039] 2）接触网技术参数包括悬挂类型、承力索张力与接触线张力匹配及跨距。

[0040] 悬挂类型：弹性链形悬挂及1600mm结构高度、简单链形悬挂及1100mm结构高度；

[0041] 承力索张力与接 触线张力匹配：20kN+25kN、21kN+28.5kN、23kN+28.5kN、25kN+25kN、25kN+28.5kN、27kN+33.5kN；

[0042] 跨距：45m、50m、55m。

[0043] 3）抗风稳定性的评价参数为跨中水平风偏、跨中竖向抬升、正定位竖向抬升及反定位竖向抬升，跨中水平风偏、跨中竖向抬升、正定位竖向抬升及反定位竖向抬升越小，抗风稳定性越好。

[0044] （3）从弓网动态受流性能角度，对多种参数组合的接触网方案进行了无风条件下的弓网耦合振动仿真研究以及有风条件下的弓网耦合振动仿真研究。

[0045] 初选方案进行无风条件下的弓网仿真研究，比选出弓网动态受流性能较好的接触网系统参数；结合步骤二的研究结果，优选出抗风稳定性与弓网动态受流性能综合优良的方案，即简单链形悬挂、结构高度1100mm、跨距50m、承力索张力与接触线张力匹配22.5kN+28.5kN及24kN+28.5kN进行大风条件的弓网仿真。

[0046] 步骤四：进行现场工程试验验证。

[0047] 在新疆百里风区，通过1km大风区接触网试验段及10km大风区接触网先导段，开展了强风环境下的接触网现场工程试验。

[0048] 分别以结构高度为1400mm及套管双耳连接方式的普通钢腕臂结构、结构高度为1100mm及刚性固定连接方式的整体钢腕臂结构的简单链形悬挂系统进行试挂后的现场试验。经过几年来自然风9级、12级、14级和15级作用下，结构高度为1100mm、刚性固定连接方式的整体钢腕臂结构的简单链形悬挂系统均表现出较好的抗风稳定性能。

[0049] 步骤五：结合步骤二得出的影响规律、步骤三得到的仿真结果和步骤四的现场工程试验验证结果，提出在强风环境下接触网支持结构强度、刚度、可靠性、接触网系统抗风稳定性及弓网动态受流性能综合良好的接触网。

[0050] 通过以上过程得到了本实施例的强风环境中铁路电气化接触网，具体为：

[0051] 在强风环境下采用简单链形悬挂系统、1100mm小结构高度、不大于50m的小跨距、承力索张力与接触线张力匹配22.5kN+28.5kN、预弛度为0；支柱采用GHT240、GHT260、GHT300加强型支柱，转换柱和道岔柱采用双腕臂柱，接触线、承力索采用分支柱下锚，基础采用采用机械钻孔灌注桩基础；采用刚性固定连接整体钢腕臂结构、具有弹性减震及断线防脱落功能的铝合金圆管型限位定位器、整体钢腕臂结构连接件采用宽度为90～120mm的抱箍型零件；附加导线采用双棒形绝缘子“V”型结构悬挂方式，以保证强风环境下接触网支持结构强度、刚度、可靠性、接触网系统抗风稳定性及弓网动态受流性能综合良好。

[0052] 实施例2：

[0053] 本实施例所涉及的强风环境下的铁路电气化接触网的各个技术参数，是兼顾了接触网支持结构强度、刚度、可靠性、接触网系统抗风稳定性及弓网动态受流性能得到的技术方案。行车速度为160km/h，具体的参数确定过程如下：

[0054] （1）采用CFD数值模拟计算和风洞试验研究不同挡风屏高度下接触网高度范围内的风速系数变化规律，即不同高度的挡风屏，风速系数变化剧烈所在的接触网高度区域不同，挡风屏高度越高，越有利于使接触线、承力索处风速系数远离极大值，接触网结构高度越小，越有利于使承力索处风速系数远离极大值。从风场角度可指导接触网导高及结构高度参数的确定。

[0055] （2）利用上述风速系数，采用基于空气动力学理论的接触网风致响应有限元分析方法，即建立接触网风致振动及风偏有限元模型，计算接触网线索平均位移，采用谱解法模拟紊流风速时程和采用时程分析法计算接触网线索动态位移，叠加竖向平均位移与动态位移、水平平均位移与动态位移分别获得接触网线索的风致振动总位移、总风偏，研究得出强风条件下接触网技术参数对接触网系统抗风稳定性的影响规律。影响规律具体如下：

[0056] 对于悬挂类型因素，与弹链相比，简链整体刚度大，特别是整体腕臂结构形式的简单链形悬挂风致响应位移小，抗风稳定性效果明显。对于跨距因素，跨距由55m减小至50m，风致响应位移明显减小；跨距由50m减小至45m，跨中风偏几乎没有变化；风速不大于40m/s时竖向位移变化微弱，风速大于40m/s时, 竖向位移有一定变化，但变化量较小。从抗风稳定性角度，跨距不应大于50m。对于张力因素，承力索与接触线的张力和越大，整体刚度越大，抗风稳定性越好；从竖向位移角度，由于挡风结构的风速增速效应使得承力索处风速高于接触线处风速，因此与增大接触线张力相比，增大承力索张力对于抗风稳定性的提高更为敏感；从风偏角度，有必要适当增大接触线张力，以对风偏形成更好的约束作用。

[0057] 1）强风条件：10min平均风速大小为40m/s、垂直线路方向。

[0058] 2）接触网技术参数包括悬挂类型、承力索张力与接触线张力匹配及跨距。

[0059] 悬挂类型：弹性链形悬挂及1600mm结构高度、简单链形悬挂及1100mm结构高度；

[0060] 承力索张力与接 触线张力匹配：20kN+25kN、21kN+28.5kN、23kN+28.5kN、25kN+25kN、25kN+28.5kN、27kN+33.5kN；

[0061] 跨距：45m、50m、55m。

[0062] 3）抗风稳定性的评价参数为跨中水平风偏、跨中竖向抬升、正定位竖向抬升及反定位竖向抬升，跨中水平风偏、跨中竖向抬升、正定位竖向抬升及反定位竖向抬升越小，抗风稳定性越好。

[0063] （3）从弓网动态受流性能角度，对多种参数组合的接触网方案进行了无风条件下的弓网耦合振动仿真研究以及有风条件下的弓网耦合振动仿真研究。

[0064] 初选方案进行无风条件下的弓网仿真研究，比选出弓网动态受流性能较好的接触网系统参数；结合步骤二的研究结果，优选出抗风稳定性与弓网动态受流性能综合优良的方案，即简单链形悬挂、结构高度1100mm、跨距50m、承力索张力与接触线张力匹配25kN+25kN及22.5kN+28.5kN进行大风条件的弓网仿真。

[0065] 步骤四：进行现场工程试验验证。

[0066] 在新疆百里风区，通过1km大风区接触网试验段及10km大风区接触网先导段，开展了强风环境下的接触网现场工程试验。

[0067] 分别以结构高度为1400mm及套管双耳连接方式的普通钢腕臂结构、结构高度为1100mm及刚性固定连接方式的整体钢腕臂结构的简单链形悬挂系统进行试挂后的现场试验。经过几年来自然风9级、12级、14级和15级作用下，结构高度为1100mm、刚性固定连接方式的整体钢腕臂结构的简单链形悬挂系统均表现出较好的抗风稳定性能。

[0068] 步骤五：结合步骤二得出的影响规律、步骤三得到的仿真结果和步骤四的现场工程试验验证结果，提出在强风环境下接触网支持结构强度、刚度、可靠性、接触网系统抗风稳定性及弓网动态受流性能综合良好的接触网。

[0069] 通过以上过程得到了本实施例的强风环境中铁路电气化接触网，具体为：

[0070] 在强风环境下采用简单链形悬挂系统、1100mm小结构高度、不大于50m的小跨距、承力索张力与接触线张力匹配25kN+25kN、预弛度为0；支柱采用Φ400mm等径钢管柱加强型支柱，转换柱和道岔柱采用双腕臂柱，接触线、承力索采用分支柱下锚，基础采用采用机械钻孔灌注桩基础；采用刚性固定连接整体钢腕臂结构、具有弹性减震及断线防脱落功能的铝合金圆管型限位定位器、整体钢腕臂结构连接件采用宽度为90～120mm的抱箍型零件；附加导线采用双棒形绝缘子“V”型结构悬挂方式，以保证强风环境下接触网支持结构强度、刚度、可靠性、接触网系统抗风稳定性及弓网动态受流性能综合良好。

[0071] 本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。