接触网参数对接触网风致响应的影响及风洞试验验证

刘改红

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安　710043)



接触网参数对接触网风致响应的影响及风洞试验验证

刘改红

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安710043)

摘要：大风作用会使接触网发生更大更复杂的振动与风偏,为给大风区接触网的防风设计提供科学依据,采用有限元计算与风洞试验相结合的方法进行研究。利用ANSYS软件建立包括支撑结构和悬挂部分的有限元耦合模型；采用谐波合成法(WAWS)模拟针对接触网结构特点的脉动风场；通过计算不同接触网参数组合方案在风荷载下的风致响应位移,定量分析得出悬挂类型、张力组合、跨距对接触网风致响应的影响。接触网气动弹性风洞试验结果表明,接触网参数对风致响应的影响的研究结果正确。研究成果应用于兰新铁路第二双线大风区接触网系统方案设计和技术参数选择,并作为主要理论支撑之一,形成了首个国内外铁路电化行业的风区接触网装备技术条件。

关键词：接触网参数；风致响应；风洞试验；定量分析；高速铁路

地处新疆的兰新铁路第二双线、兰新铁路既有线和南疆铁路沿线经过的风区很多，其中百里风区、三十里风区的风力最为强劲、最大风速达64 m/s(超过17级)，大风频繁，8级以上大风天数年平均超过100 d，是我国乃至世界上铁路风灾最严重的地区之一。历年来因大风列车停运时有发生，并发生翻车等重大安全事故，严重威胁铁路的行车安全。接触网作为悬索结构、沿铁路线露天布置，大风等外部环境因素严重影响其安全可靠性；另外，接触网线长点多，且无备用，一旦出现故障将导致列车停驶，其防风安全问题已经成为大风区高速铁路建设和电气化改造的难点[1]。

目前，国内外对于平均风与脉动风作用下的接触网风致响应进行了理论计算方面的研究[1-5]，但尚未定量、系统地分析接触网悬挂类型、张力组合等参数对接触网风致响应的影响；已见诸报导的接触网专业领域内的风洞试验主要涉及受电弓的气动力控制和挡风墙高度对接触线处横风的影响方面[6-7]。

以兰新铁路第二双线为项目背景，建立接触网有限元模型，利用谐波合成法模拟脉动风速时程，在有限元模型中施加风荷载作用，定量计算不同接触网参数组合方案的风振响应，系统分析了接触网悬挂类型、跨距和张力组合对接触网风致响应的影响。并开展了接触网气动弹性风洞试验，与理论计算结果进行对比、验证。

1接触网有限元模型的建立

由于悬索结构的几何非线性，在接触网不同的初始状态施加相同荷载增量引起的效应不同，故需要通过静态找形确定其初始状态[2]。首先，确定系统初始构型，采用BEAM44单元模拟支柱、腕臂、腕臂支撑、定位管、定位器及定位器支座；由于承力索、接触线、吊弦受拉力作用，采用轴向仅受拉的杆单元link10模拟；因为腕臂支撑装置是整体式旋转腕臂，所以释放上下腕臂底座与支座连接点的z方向旋转自由度；定位器与定位支座可视为铰接，释放连接点的x、y、z三个方向的旋转自由度；将各个支柱的底部节点、承力索和接触线两侧终端的节点全约束。其次，使支柱和腕臂结构刚性化，进行承力索在承力索、接触线、吊弦和定位器重力作用下的几何非线性分析，积累重力刚度；然后，恢复支柱和腕臂结构的弹性，进行悬挂系统与支撑系统的耦合分析，最终完成悬挂系统的找形工作。如果模型中承力索的张力、弛度与理论计算结果一致，则静态找形正确。以表1所示的简链接触网系统为例，建立的接触网有限元模型如图1所示。

2风荷载的计算与模拟

风一般可以分为平均风和脉动风两部分，假设作用于结构上坐标为(x，y，z)的点的风速为

(1)

式中，右边相加的两部分分别为距地面高度z处的平均风速和对应的脉动风速。风的模拟主要针对脉动风而言[7-9]。

表1　接触网系统基本参数

注：接触网结构高度1.1 m、跨距50 m、接触线张力28.5 kN、承力索张力21 kN。

图1　接触网有限元模型

2.1　平均风的计算

在空间上，平均风速会随着高度的变化而变化，本文选取指数率[10，11]计算，具体公式

(2)

式中，v10为距离地面10 m高度处的环境风速，标准参考高度取10 m；H为当前高度；α为地表粗糙度指数，这里按0.16；K为挡风屏后接触线、承力索高度处的风速系数，这里按桥梁4 m挡风屏风场风洞试验结果取值，即接触线处风速系数0.76，承力索处风速系数1.21。

2.2　脉动风的模拟

为计算接触网水平方向的风偏和竖直方向的振动位移，分别选用经Simiu修正的Kaimal谱(式3)和Lumley-Panosfsky谱(式4)模拟水平脉动风速时程和竖向脉动风速时程[13，14]。

(3)

(4)

空间任意两点脉动风速互谱的相干函数[15]如下

(5)

计算水平向脉动风速互谱的相干函数时Cz和Cy分别取为10和16；计算竖向脉动风速互谱的相干函数时Cz和Cy分别取为7和8。

图2　简链其中一跨定位点处的风速时程

按上述方法及风谱，模拟出水平风速时程和竖向风速时程，选取简链其中一跨定位点处为例，模拟的风速时程见图2。其中模拟计算的主要参数为截止频率4π rad/s、频率分段数1 024、样本时间间隔0.25 s。

对模拟得到的风速时程进行统计分析，得到其均值和均方根，与目标谱对应的值进行对比，如表2所示。从表2可以看出，模拟风速的均值、均方根与目标风速相差均较小。

图3所示为风速时程的功率谱与目标谱的比较，模拟的水平功率谱及低频段竖向功率谱与目标谱无论极值还是趋势都吻合很好，竖向功率谱在高频段虽然极值有一定差别，但整体趋势较为吻合。

表2　风速统计数据对比

图3　模拟的风速功率谱与目标谱的比较

3接触网风致响应计算及影响分析

对不同接触网参数组合方案(表3)进行正定位、反定位、跨中风致振动及跨中风偏的动态计算，根据计算结果，分析研究接触网悬挂类型、张力及跨距对风致响应的影响。

3.1　接触网风致响应计算

在接触网有限元模型中施加风压作用，利用空气动力学理论[16]计算接触网平均位移，采用时程分析方法[17，18]计算接触网抖振位移；叠加竖向平均位移与竖

表3　接触网组合方案

向抖振位移最大值，获得接触网在风压作用下的风致振动位移最大值，叠加水平平均位移与水平抖振位移最大值，获得接触网在风压作用下的风偏最大值，见表4。

表4　接触网风致响应计算结果

3.2　接触网参数对风致响应的影响分析

图4(a)、图4(b)、图4(c)分别所示为接触网悬挂类型、跨距、张力对风致响应的影响，结合图4及表4可以得出如下结论。

(1)与弹链相比，简链整体刚度大，抗风稳定性较好。

(2)跨距由55 m减小至50 m，风致响应明显减小。跨距由50 m减小至45 m，风速不大于40 m/s时竖向位移变化较小，风速大于40 m/s时，竖向位移有较大的变化量。从抗风稳定性角度考虑，跨距不应大于50 m。

(3)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；从风致振动角度，对于设置挡风结构的工况，由于接触线与承力索的高度不同，挡风墙/屏后接触线与承力索处的风速变化系数不同且差别较大[19]，具体差别详见本文2.1节，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，张力对竖向位移约束作用由弱到强依次为20 kN+25 kN、21 kN+28.5 kN、23 kN+28.5 kN、25 kN+25 kN、25 kN+28.5 kN、27 kN+33.5 kN。此外，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，张力对风偏约束作用由弱到强依次为20 kN+25 kN、25 kN+25 kN、21 kN+28.5 kN、23 kN+28.5 kN、25 kN+28.5 kN、27 kN+33.5 kN。

图4　接触网参数对风致响应的影响

4接触网气动弹性风洞试验

进行接触网风致响应气动弹性风洞试验，模拟接触网结构动力特性、评估接触网系统风致响应，与有限元计算结果进行对比、验证。

经振型、频率计算及测试，有限元模型与风洞试验的振型一致、频率误差约5%，对比结果见表5。

表5　振型、频率理论计算与风洞实测对比结果

经对比，接触网风致振动与风偏的有限元计算结果与风洞试验结果基本吻合(图5)，接触网参数对风致响应的影响的研究结果正确。

研究成果直接应用于兰新铁路第二双线大风区接触网系统方案设计和技术参数选择中，为大风区接触网的防风设计、工程建设提供了科学依据。并在工程实践基础上，此研究成果作为主要技术支撑之一，形成了首个国内外铁路电化行业标准《风区200～250 km/h电气化铁路接触网主要装备技术条件(暂行)》(TJ/GD 002—2013)。

5结论

图5　理论计算与风洞试验对比结果

本文采用有限元计算与接触网气动弹性风洞试验相结合的方法研究了接触网的风致响应。在接触网有限元模型中施加风荷载作用，对不同接触网参数的组合方案进行风致响应的定量计算，分析了悬挂类型、张力组合、跨距对接触网风致响应的影响。并在国内外铁路电气化行业首次开展了接触网气动弹性风洞试验接触网气动弹性风洞试验，试验结果表明接触网参数对风致响应的影响的研究结果可信，研究结论如下：

(1)与弹链相比，简单链形悬挂抗风稳定性较好；

(2)跨距减小，风致响应相应减小；从抗风稳定性角度，跨距不应大于50 m；

(3)承力索与接触线的张力和越大，抗风稳定性越好；从竖向位移角度，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。

本研究可应用于具有抗风稳定性能需求的接触网研究、设计以及工程实施等方面。

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Influence of OCS Parameters on Wind-induced Response and Corresponding Wind Tunnel TestsLIU Gai-hong

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

Abstract：Strong wind may induce bigger and more complicated vibration and deviation of the overhead line system (OCS), thus the influence of OCS parameters on the wind-induced response is to be studied to provide a scientific basis for anti-wind design of OCS in strong wind areas. Therefore, this paper firstly uses the commercial software ANSYS to build up a finite element analysis model that includes the support structures and suspension parts. Secondly, the method of weighted amplitude wave superposition (WAWS) is used to simulate the fluctuating wind field based on specific characteristics of the OCS. Furthermore, the suspension type, tension combination and the influence of span on wind-induced response are determined by quantitative analyses and calculating the displacement caused by wind induced response of different combination OCS under wind load. Also, corresponding wind tunnel tests are conducted. The test results show that the finite element calculation results match the measurements of the wind tunnel tests in terms of the displacements due to wind-induced response. This study results are employed to design catenary system and technical parameters in Lanzhou-Urumqi High-Speed Railway and create the first catenary equipment technical conditions for strong wind areas in railway electrochemical industry world wide.

Key words：OCS parameters; Wind-induced response; Wind tunnel test; Quantitative analyses; High-speed railway

中图分类号：U225.4

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.030

文章编号：1004-2954(2016)02-0144-05

作者简介：刘改红(1983—)，女，工程师，2009年毕业于清华大学机械工程专业，工学硕士，E-mail：549497471@qq.com。

基金项目：铁道部科技研究开发计划项目(2010G019-G)

收稿日期：2015-06-05； 修回日期：2015-07-28