高鐵接觸網(wǎng)轉(zhuǎn)換柱承力索拉出值偏差原因分析及改進(jìn)

李安政

0 引言

腕臂結(jié)構(gòu)是電氣化鐵路接觸網(wǎng)的重要組成部分，腕臂安裝的質(zhì)量直接影響接觸網(wǎng)工程的整體質(zhì)量。為了提高腕臂安裝精度，我國時(shí)速300 km以上的高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)均采用科學(xué)計(jì)算和工廠化預(yù)配的方式，其中科學(xué)計(jì)算是最關(guān)鍵的一環(huán)。目前，我國主流的腕臂計(jì)算理論和方法大多只針對腕臂結(jié)構(gòu)的幾何特點(diǎn)進(jìn)行分析，而忽視了接觸網(wǎng)的力學(xué)特性，由此造成施工中出現(xiàn)較多難以解釋的誤差。如果錯(cuò)誤地將這些誤差歸結(jié)為施工誤差，而未探究計(jì)算方面的原因，將會大大增加接觸網(wǎng)調(diào)整工作量，而大量的調(diào)整會破壞接觸網(wǎng)的統(tǒng)一性，進(jìn)而影響接觸網(wǎng)工程的整體質(zhì)量。

1 京沈客專轉(zhuǎn)換柱承力索拉出值偏差原因分析

京沈客專設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km，在接觸網(wǎng)工程施工過程中，施工人員發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換柱處承力索拉出值出現(xiàn)偏差，如表1所示。

從表1中看出，接觸線架線前，承力索的拉出值偏差較小，非工作支誤差為35 mm，工作支誤差為2 mm。然而在接觸線架線后，承力索拉出值產(chǎn)生了較大的偏差，其中非支拉出值誤差達(dá)84 mm，工支拉出值誤差為13 mm。由此可見，腕臂結(jié)構(gòu)在架線后受到了線材帶來的張力影響，導(dǎo)致承力索拉出值誤差增大。經(jīng)分析，承力索拉出值的主要影響因素有：

表1 1033#轉(zhuǎn)換柱承力索拉出值統(tǒng)計(jì) mm

（1）支柱斜率。經(jīng)測量，架線前支柱傾斜為0 mm。架線后，支柱因受線材張力的影響，在上腕臂底座相對軌面位置向田野側(cè)傾斜14 mm，如圖1所示。由于支柱傾斜造成了拉出值變化14 mm，對非工作支和工作支拉出值均產(chǎn)生影響。

（2）雙腕臂底座變形。經(jīng)測量，架線前雙腕臂底座變形為0 mm。架線后，腕臂底座因受線材張力的影響，向田野側(cè)產(chǎn)生變形，如圖2所示。非支腕臂底座變形4 mm，工支由于受力小，腕臂底座無變形。由于雙腕臂底座變形造成拉出值變化4 mm，只對非支拉出值產(chǎn)生影響。

（3）支柱扭曲。經(jīng)測量，架線前支柱扭曲變形為0 mm。架線后，支柱因受到非支和工支不平衡力矩的影響向一側(cè)扭曲，在腕臂上底座處的扭曲值為7 mm，如圖3所示。

圖1 支柱受力傾斜示意圖

圖2 雙腕臂底座受力變形示意圖

圖3 支柱扭曲變形示意圖

綜合以上幾項(xiàng)因素對拉出值造成的影響：

（1）對非工作支拉出值的影響為14 + 4 + 27 =45 mm，對拉出值進(jìn)行修正，a= 266 + 45 = 311 mm，與架線前的測量結(jié)果315 mm相差4 mm；

（2）對工作支拉出值的影響為14 - 27 = -13 mm，對拉出值進(jìn)行修正，a= 163 - 13 = 150 mm，與架線前的測量結(jié)果148 mm相差2 mm。

2 改進(jìn)措施

根據(jù)接觸網(wǎng)施工工序，腕臂安裝在架線之前完成，因此在腕臂計(jì)算階段，支柱傾斜、底座彎曲、支柱扭曲等數(shù)據(jù)均是在不受力的情況下測量，計(jì)算得到的腕臂數(shù)據(jù)不能反映受力后發(fā)生的變化情況。

為使計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，須對不受力情況下的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行力學(xué)補(bǔ)償。由于上述變形均為材料的彈性變形，因此補(bǔ)償?shù)囊罁?jù)為“胡克定律”，即“材料在彈性變形階段，其應(yīng)力和應(yīng)變成正比例關(guān)系，該比例系數(shù)稱為彈性模量”，具體補(bǔ)償過程如下：

（1）計(jì)算導(dǎo)致材料變形的力或力矩的大小。例如，導(dǎo)致支柱傾斜的力為F，張力分析見圖4。

圖4 線材對支柱的張力分析

已知參數(shù)：A點(diǎn)拉出值a1、B點(diǎn)拉出值a2、C點(diǎn)限界Xj、跨距L、承力索張力Tc。以上參數(shù)均為設(shè)計(jì)參數(shù)或可測量參數(shù)。 分析圖4中的力F得出

根據(jù)京沈客專設(shè)計(jì)情況及現(xiàn)場測量結(jié)果：Xj=3.1 m，a2= 0.35 m，a1= 0，L= 48 m，Tc= 21 kN。將結(jié)果代入式（1）可得F= 1.66 kN，即承力索對支柱的作用力為1.66 kN。

（2）計(jì)算彈性模量k。經(jīng)測量，受力后轉(zhuǎn)換柱向田野側(cè)傾斜Q= 14 mm，根據(jù)胡克定律得出鋼柱傾斜的彈性模量k=Q/F= 8.4 mm/ kN。

（3）修正原始測量參數(shù)。假設(shè)原測量的支柱斜率為xl、上底座高度為H，則修正后的支柱傾斜量為Q=xlgH+kgF。式中力F在不同的情況下可出現(xiàn)多種可能，例如直線段、曲內(nèi)、曲外、絕緣錨段關(guān)節(jié)、非絕緣錨段關(guān)節(jié)等情況下力F均不相同，需要逐一分析。式（1）計(jì)算的是直線區(qū)段非絕緣錨段關(guān)節(jié)的情況。

（4）采用修正后的測量參數(shù)進(jìn)行幾何計(jì)算。對原始測量參數(shù)進(jìn)行修正后再進(jìn)行幾何計(jì)算，即可消除因受力帶來的影響，得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

以上力學(xué)分析是以支柱傾斜受力為例，同理，腕臂底座受力變形、支柱受力矩影響扭曲均可按照上述方法進(jìn)行修正補(bǔ)償，本文不再進(jìn)行詳細(xì)論述。

3 結(jié)語

接觸網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)關(guān)系高速鐵路工程的質(zhì)量和安全，應(yīng)引起足夠重視。通過力學(xué)分析可知，承力索拉出值偏差問題并非個(gè)別現(xiàn)象，其在接觸網(wǎng)工程中普遍存在，尤其是對于線材張力更大的高鐵項(xiàng)目將更為突出。

在京沈客專施工中采取了改進(jìn)計(jì)算方法的措施，可以克服承力索拉出值偏差的問題，但是該措施仍然存在缺陷，例如彈性模量k取值為經(jīng)驗(yàn)近似值，缺乏充分的理論依據(jù)。后續(xù)建議采用ANSYS建模的方法對不同情況下的受力進(jìn)行仿真分析，并對此進(jìn)行更為深入的研究。