高速鐵路中漏纜卡具的優(yōu)化設計及分析

吳浠橋，李會亮

（1.中鐵二院工程集團有限公司，四川 成都610031；2.武九鐵路客運專線湖北有限責任公司，湖北 武漢430212）

1 引言

為促進國土開發(fā)，城市和地區(qū)經濟共同發(fā)展，節(jié)約能源和減少環(huán)境污染，中國鐵路建設正在全國范圍內積極開展，特別是高速鐵路（250 km/h及以上的客運專線）。依據中國鐵路行業(yè)目前的規(guī)范，移動通信系統主要采用GSM-R系統[1]，GSM-R系統應提供語音通信、調度通信、列車控制數據傳輸、調度命令和無線車次號校核信息傳送等業(yè)務。但鐵路中隧道占比大，有的線路隧道占比達到70%以上，為了保障鐵路運輸和旅客安全，隧道內GSM-R信號覆蓋是非常關鍵的。目前，鐵路隧道中GSM-R信號覆蓋有兩種方式：一種是漏纜覆蓋，信號覆蓋比較穩(wěn)定、均勻；另一種是天線覆蓋，信號覆蓋受隧道彎曲半徑、隧道橫截面積、隧道地質等影響。天線安裝時需考慮兩種情況：①現有普遍使用的GSM-R雙極化天線（17 dBi）尺寸較大，安裝時容易侵入鐵路限界；②高速鐵路列車通過時產生的風洞效應對天線的安裝要求過高。因此，目前在高速鐵路中，均采用漏纜進行覆蓋，為使漏纜在隧道內安全運行，保障鐵路安全，采用了漏纜夾具把漏纜固定在隧道壁上，所以漏纜卡具的安全性能是鐵路安全運行的重要因素[2]。GSM-R雙極化天線（17 dBi）如圖1所示?？瓦\專線鐵路建筑限界基本尺寸及輪廓如圖2所示。

圖1 GSM-R雙極化天線（17 dBi）

圖2 客運專線鐵路建筑限界基本尺寸及輪廓（單位：cm）

中國山區(qū)面積廣大，其面積占全國總面積的2/3，因此高鐵線路中隧道占比大，有的因地形原因線路隧道比達到70%以上，根據《鐵路數字移動通信系統（GSM-R）設計規(guī)范》[1]要求：“漏泄同軸電纜采用卡具方式固定，卡具間隔宜為1～1.3 m”，所以全國上萬千米的高鐵線路，需要較多的漏纜卡具，這就給施工和維護造成了很大工作量，而傳統的漏纜卡具存在安裝、維護和檢修不方便等突出問題[3]，因此，考慮到利益最大化和節(jié)約工程成本，本文便對現有的漏纜卡具結構進行優(yōu)化，并對其進行了力學性能分析，判定其是否滿足強度設計要求。

2 新型卡具設計

2.1 漏纜安裝位置

目前，高鐵隧道壁同側架設了鐵路GSM-R系統和公網三大運營商（電信、移動及聯通）的漏泄同軸電纜，分別掛設高約4.6 m和2.1 m處。高鐵專網和公網漏纜在高鐵隧道安裝如圖3所示。GSM-R系統以覆蓋車頂天線為機車臺服務為主，公網通信漏纜以透過車窗覆蓋車廂內部為車上旅客服務為主。

圖3 高鐵專網和公網漏纜在高鐵隧道安裝示意圖

2.2 早期漏纜卡具

早期漏纜卡具分為自承式漏纜卡具和非承式漏纜卡具。漏纜卡具分類如圖4所示。

圖4 漏纜卡具分類

非承式漏纜卡具——壓力自鎖性漏纜卡具如圖5所示，其由卡頭、圓筒形基座、長連桿螺釘和塑料錨栓組成。壓力自鎖性漏纜卡具卡頭的上部兩側由兩個半圓形夾緊臂組成，夾緊臂上有相向的卡扣結構（其中卡扣包含兩節(jié)形變，通過調節(jié)夾緊臂的形變量來適應漏纜上下差），通過夾緊臂與卡扣結構配合鎖緊漏。這樣的卡頭結構、安裝簡單方便、成型周期短，適合批量生產，但是壓力自鎖型卡具在夾持漏纜時有脫落的風險。這類漏纜卡具采用螺釘（塑料膨脹）+塑料底座的固定方式，在安裝時簡單快捷，其零部件少能有效避免漏裝、錯裝等現象，但是由于塑料卡座耐磨性較低，在列出高速通過引發(fā)活塞風時，卡具基座容易磨損，然后由于螺釘過于細長，抗疲勞性能較低，難以滿足鐵路15年的使用，大大增加了鐵路通信系統的維修成本，因此，需對現有的漏纜卡具結構進行優(yōu)化。漏纜卡具質量統計如圖6所示。

圖5 壓力自鎖性漏纜卡具

圖6 漏纜卡具質量統計

2.3 影響通信漏纜固定系統的因素及分析

影響通信漏纜固定系統的因素有以下四點。

2.3.1 漏纜信號敷設方向定位

泄漏同軸電纜是一種特殊的饋線，屬于纜化天線，信號輻射帶有方向性，漏纜卡具的一個重要作用就是通過卡具定位功能，將漏纜信號準確投送到機車天線區(qū)域。

2.3.2 卡具機械錨栓水平安裝

漏纜卡具采用螺釘（塑料膨脹）+塑料底座或車修錨栓固定，在滿足力學性能情況下，還需滿足漏纜卡具保障漏纜的水平固定。

2.3.3 隧道運行環(huán)境

隧道內由長期潮濕、滲水、凍融等自然因素造成的腐蝕環(huán)境，要求漏纜固定系統各組件均具有良好的耐腐蝕性能和耐久性能。此外，漏纜固定系統各組件必須具備耐火性能，以保證在隧道內火災意外發(fā)生時，無線通信能保證一定耐火時效。

2.3.4 漏纜自重載荷

通信漏纜一般由空心銅管的內導體、泡沫聚乙烯的絕緣體、疊層銅箔的外導體以及聚乙烯的護套四部分集成，漏纜自重很小。但列車高速行駛在隧道中時，由于空氣動力的活塞效應形成的壓力波和微氣壓波，對固定在隧道壁的漏纜產生很大的波動、振動及沖擊荷載（漏纜固定系統承載分析的主要考慮因素），因此，漏纜卡具應具有較好的機械性能。

2.4 技術突破及關鍵技術研究

本次新型卡具結構如圖7所示，其技術突破主要有以下五點。

圖7 新型卡具結構圖

2.4.1 雙蓋板安全結構

漏纜卡具的蓋板與卡座，是實現卡具對漏纜安全鎖閉的直接受力結構，在漏纜固定系統的實際應用中，不乏存在漏纜卡具因外力而撕裂尼龍蓋板、卡座的隔離現象，該現象對隧道內漏纜的整體安全固定造成了嚴重的安全隱患。本次新型卡具擬采用雙蓋板，進一步提高安全冗余度。

2.4.2 翻蓋式自鎖防盜

市面上漏纜卡具尼龍卡束，均采用蓋板與底座分離的自由卡接設計思路，該設計方案在實際項目運行中，存在漏纜及卡具在隧道內長期風洞疲勞震動后，卡具蓋板脫離尼龍底座、卡具扎帶連接帶斷裂蓋板飛出限界等因結構設計引起的疲勞應用風險。本次新型漏纜卡具旨在設計一款卡具尼龍卡束底座與蓋板一體式的結構方案（取消蓋板與底座之間連接扎帶，蓋板改為翻蓋式結構，蓋板活動開啟端在鎖閉后增設尼龍插銷，通過雙重鎖扣實現卡具蓋板與底座的一體化完全自鎖），以從根本上規(guī)避卡具蓋板及卡具連接扎帶因風洞疲勞震動而脫扣或斷裂飛脫風險。同時，相較于傳統卡扣分離式漏纜卡具，自鎖型漏纜卡具在不借助工具的情況下，難以用收拆卸蓋板，這有效避免了隧道內漏纜的偷盜問題。

2.4.3 偏置式結構

傳統的漏纜卡具尼龍卡束在承載漏纜后，尼龍卡束與金屬固定件之間的連接螺栓被漏纜遮擋，造成了卡具在安裝、更換時必須先掰動漏纜，才能漏出沉頭螺栓以拆卸更換卡具，既不便于安裝施工，也不便于運營單位維護保養(yǎng)。本次新型漏纜卡具在漏纜承載后，可以不掰動漏纜便漏出沉頭螺栓可直接使用工具拆卸與安裝漏纜卡具的偏置式結構功能，以更好地滿足施工與維護的需要。

2.4.4 漏纜外徑自適應

隨著漏泄同軸電纜技術指標的迭代（GSM、LTE），MIMO窄帶漏纜等新技術的問世，不同技術標準下漏纜內導體銅帶、發(fā)泡塑料配比的差異，以及相同技術指標下不同廠家間漏纜技術的差異，漏纜實際外徑與漏纜國標之間存在相應的差值。漏纜外徑的變化與差異要求漏纜卡具必須具備內徑自適應功能。本次新型漏纜卡具旨在設計一款具備能自適應漏纜內直徑變化范圍為2 mm以上功能的創(chuàng)新結構。

2.4.5 風洞疲勞抗震性

漏纜卡具分為普通卡具與防火卡具，防火卡具一般采用尼龍卡束、防火環(huán)及金屬安裝組件組成，防火卡具是為了滿足隧道內發(fā)生火災情況下，尼龍卡束脫落后金屬防火環(huán)依然能保障漏纜在隧道壁上的安全承載而存在。當前市場中防火環(huán)通常為騎馬卡上下半環(huán)蓋板結構，防火環(huán)上下蓋板通過防火環(huán)上鉆孔攻螺紋采用小型螺栓直接鎖定錨固，該結構不具備抗震功能，在隧道內長期風動疲勞作用下，防火環(huán)常呈開啟狀態(tài)。當隧道內火災發(fā)生時，防火卡具不再具備安全承載漏纜的基本功能。本次新型漏纜卡具采用翻蓋式防火環(huán)設計，防火環(huán)開啟端采用防松螺母+螺栓配套鎖閉的新型技術方案，以實現漏纜防火卡具的抗震抗疲勞安全運行。

3 仿真分析

3.1 氣動力仿真分析工況

氣動力仿真計算共有8種工況，如表1所示。

3.2 卡具氣動耦合力

本文將漏纜受到的氣動力耦合到卡具上，經過仿真計算得到卡具所受的氣動耦合力峰值，結果如表2所示。其中工況4、6、7、8都是選取的位于隧道中部、高度2.1 m（鐵路公網漏纜吊掛高度）卡具；在進行數據處理時已忽略力的方向，選取絕對值的最大值作為峰值，故表中數據均為正。計算結果表明工況8卡具的氣動耦合力均大于其他工況下卡具的氣動耦合力，說明在列車運行速度為500 km/h、隧道斷面形式為雙線隧道以及隧道長度為600 m的條件下卡具的氣動耦合力均大于列車運行速度為350 km/h、隧道斷面形式為單線隧道以及隧道長度為200 m條件下卡具的氣動耦合力[4]。

表2 卡具氣動耦合力峰值表（單位：N）

3.3 卡具周圍流場風速

數值計算得到8種工況下，當卡具氣動力達到峰值時卡具周圍的風速峰值如表3所示，根據之前仿真結果可知，位于隧道中部、高度2.1 m（鐵路公網漏纜吊掛高度）卡具所受氣動力最大，因此同樣選取該位置卡具對其周圍氣動力風速峰值進行研究。由表3可知，工況8卡具的周圍氣動力風速峰值均大于其他工況下卡具的氣動力風速峰值，說明在列車運行速度為500 km/h、隧道斷面形式為雙線隧道以及隧道長度為600 m的條件下卡具的氣動力風速峰值均大于列車運行速度為350 km/h、隧道斷面形式為單線隧道以及隧道長度為200 m條件下卡具的氣動力風速峰值[5-6]。

表3 卡具周圍流場氣動力風速峰值表（單位：m/s）

3.4 卡具結構靜力分析

3.4.1 漏纜卡具計算模型

本次仿真模型為圖7的新設計結構[7]。鑒于其尺寸相對于列車及隧道尺寸來說較小，故對其進行一定程度的簡化，去除了表面的較小弧面和倒角以保證網格質量。

3.4.2 材料屬性

卡具的材料為改良尼龍，其楊氏模量為3.5e+3 MPa，泊松比為0.4，密度為1.2 kg/m3，阻尼值為5，壓縮強度極限為52 MPa，彎曲強度為71 MPa，拉伸強度為52 MPa。

固定螺桿采用鋼材料鑄造，其密度為7.9 kg/m3，楊氏模量為2.1e+5 MPa，泊松比為0.3。

3.4.3 載荷與邊界條件給定

由氣動力分析可知，工況8卡具受到氣動力最大，因此以距離地面高度2.1 m與4.6 m兩處卡具與電纜的氣動力峰值為載荷條件，對其進行靜力學分析，以高度2.1 m為工況A，高度4.6 m為工況B，工況編號及具體的載荷條件如表4所示。

表4 靜力分析計算工況表

3.5 數值計算結果分析

3.5.1 卡具分析

計算得到工況A、B中卡具表面的Mises應力云圖，如圖8所示。由圖8可知，兩種不同載荷條件下卡具的應力分布情況較為相似，應力集中區(qū)均為底座與電纜接觸的邊緣位置，工況B的均布載荷數值和集中載荷數值均較小，卡具的最大應力值也略小于工況A。

圖8 卡具Mises應力云圖（單位：MPa）

工況A、B中卡具表面的形變云圖如圖9所示。由圖9可知，卡具的最大形變位置為蓋板彈片的末端，但由于工況B中電纜的橫向力方向為遠離隧道壁面，因而其最大形變量略大于工況A。

圖9 卡具形變云圖（單位：mm）

3.5.2 固定螺桿分析

因卡具通過固定螺桿固定在隧道壁面，應同時確保卡具、固定螺桿的安全性。下面對固定螺桿進行分析。

繪制固定螺桿的Mises應力云圖，如圖10所示。由圖10可知，工況A固定螺桿的應力集中在靠近隧道壁面的位置，最大應力達到了45 MPa；而工況B中螺桿的最大應力值則達到了37.322 MPa。

圖10 固定螺桿Mises應力云圖（單位：MPa）

工況A、B中固定螺桿表面的形變云圖如圖11所示。由圖11可知，工況A螺桿的最大變形量較小，僅0.2 mm，螺桿的主變形為頂部向上彎曲；因工況B中電纜的升力方向為向下，固定螺桿的主變形為向下彎曲。

圖11 固定螺桿形變云圖（單位：mm）

3.5.3 強度分析結論

通過對卡具進行結構靜力分析，得到卡具及螺桿的Mises應力最大值，如表5所示。由表5中數據可知，兩種工況下卡具和螺桿的應力均小于屈服強度，說明其剛強度能夠滿足設計要求。

表5 各結構所受的最大應力值（單位：MPa）

4 結論

本文首先對傳統的漏纜卡具結構進行利弊分析，提出了優(yōu)化設計方案，其次詳細闡述新結構的設計特點及優(yōu)點，最后對其進行仿真計算分析評估剛強度，結論如下：①針對傳統漏纜卡具的缺點，提出新卡具的設計概要，從而實現了對卡具結構的優(yōu)化設計；②對新漏纜卡具進行力學分析，得出漏纜卡具在列車活塞風下的流場分布，可知卡具表面風速達到27.95 m/s，與相關文獻數據較為吻合；③在氣動結果的基礎上對新漏纜卡具進行結構應力計算，結果表明卡具所受的最大應力為37.322 MPa，遠小于屈服強度，因此，新設計的卡具結構剛強度能滿足設計要求。