棘輪補償連接架卡滯對補償繩偏移的分析研究

潘南紅，張翔鷗

0 引言

接觸網棘輪補償裝置由于具有傳動效率高，快速斷線制動功能等優點，已越來越廣泛地應用在接觸網上，但同時棘輪補償裝置對安裝精度和施工質量要求較高，往往由于一些細節上的疏忽，會造成棘輪補償裝置投運后產生一系列缺陷。在對新建、改建六盤水至沾益復線電氣化鐵路梅花山至鳳凰山段接觸網的驗收中，發現其使用的棘輪補償裝置普遍存在連接架卡滯，使棘輪本體不能正對接觸網下錨支而形成夾角，給運行帶來安全隱患，本文據此展開分析研究。

1 棘輪補償裝置結構及安裝概況

棘輪補償裝置是張力自動補償裝置中的一種，安裝在錨段的兩端，并且串接在接觸線和承力索內，其作用是補償線索內的張力變化，使張力保持恒定[1]。棘輪補償裝置通過調節墜砣組重量實現接觸線（或承力索）張力恒定，其機械傳動變比一般為1∶3。棘輪補償裝置主要由棘輪本體、楔子、棘輪連接架、制動卡塊、補償繩、雙耳楔形線夾及平衡輪等組成，在六沾鐵路接觸網使用的棘輪補償裝置結構見圖1。

圖1 棘輪補償裝置示意圖

安裝棘輪補償裝置的錨柱同時兼作中間柱且垂直于線路，其棘輪底座框架平行于線路，由于棘輪連接架卡滯，使棘輪在橫線路方向不能自由轉動，在接觸網下錨支改變方向時，平衡輪及其與小輪間的工作補償繩也跟著發生偏移，如圖2所示，棘輪連接架如圖3所示。

在圖2所示的工作狀態下，田野側小輪與平衡輪間的補償繩向大輪輪齒偏移靠近，在線索伸長小輪收縮補償繩的過程中容易造成補償繩與大輪輪齒的安全距離不足而摩擦，形成安全隱患。

圖2 平衡輪與小輪補償繩工作圖

圖3 棘輪連接架示意圖

2 接觸網下錨支偏角對補償繩偏移量分析

2.1 偏移量關系式的確定

為了便于分析計算，以連接架卡滯使棘輪處于平行于線路的狀態進行推導，其棘輪在接觸網下錨支偏角的作用下幾何平面位置可簡化為圖4。

圖4 平衡輪及補償繩在下錨支偏角作用下平面位置圖

在圖4所示的三角形ACD 中CD 的長度d 即補償繩偏向大輪的偏移量，由三角函數可得：

由棘輪補償的傳動變比為1∶3 可得AB= 2/3R + h。則：

2.2 下錨支偏角θ 與補償繩偏角α 關系式的確定

在圖2所示的接觸網下錨支改變方向后，平衡輪在D 點位置發生變化，其D 的變化軌跡為一個橢圓，其中A，B 為2 個焦點，AD + DB 為長軸長度，AB 為焦距長度，其數學模型如圖5所示。

圖5 平衡輪偏移的數學模型圖

在圖5中，由平面幾何關系可知θ 即為接觸網下錨支向下錨方向的偏角，長半軸為a，短半軸為b，半焦距為c，則橢圓方程可以表示為

則其參數方程可以表述為

式中，t 為參數（為方便，t 為與y 軸順時針方向夾角）。

當小輪與平衡輪兩側補償繩平衡時，平衡輪在D(b,0)處，當接觸網下錨支改變方向產生夾角時，平衡輪在D′(X,Y)處，此時D 點與D′點出現一個偏角∠DAD′，即為田野側小輪補償繩向大輪輪齒偏移的角度，設其為a，在t= θ 時，代入式（3），有D′(X,Y)點的坐標為

由平面幾何關系并將式（4）代入，有：

由式（5），得到：

在圖2中，小棘輪與平衡輪間補償繩的單邊工作范圍為390～2 000 mm[2]，經測量對應的AB 距離分別為280、400 mm，則由橢圓方程式（2）中的參數關系得到：

對于時速v≤160 km 的線路，接觸網下錨支水平面內改變方向的偏角其安全值≤12°[3]，因此以0≤θ≤20°的范圍來確定a 與θ 的關系，以ζ= θ - a表征兩角度的關系，將上述參數代入式（6）進行計算，得出如圖6所示的θ 與ζ 的關系曲線。

圖6 θ 與ζ關系曲線圖

從圖6可知，在2 條曲線之間的區域為小輪與平衡輪間補償繩工作范圍內θ 與ζ 的曲線分布，其ζ 較小，近似的認為θ= α。

2.3 田野側補償繩偏移量計算式的確定

由θ= α 并代入式（1），得出線路側小輪補償繩偏向大輪輪齒的關系計算式：

棘輪連接架卡滯，使得棘輪本體在橫線路方向不能擺動或者擺動不完全，其田野側補償繩向大輪輪齒的偏移角度應減去棘輪本體自身偏轉的角度τ，則式（7）修正為

3 工程實例

在六沾鐵路背開柱車站78#柱，大輪的半徑R= 240 mm，大輪至輪齒的高度h= 30 mm，側面限界C= 3 300 mm，YGT70-350/12.5 獨立鋼錨柱的寬度k= 600 mm，轉換柱至棘輪中心的距離 L=50 000 mm，棘輪本體偏轉τ= 0°，其小輪田野側補償繩偏移d 的計算式如下：

θ= arctan[(C + k / 2)/L]= 4.12°

由圖4及橢圓方程式（2）中的參數關系計算可得tanβ≤0.25、tan(θ-τ)≤0.21，為了在工程上計算方便，近似認為：

則小輪田野側補償繩向大輪偏移的距離：

d=(2 / 3R + h)×tan(θ - τ)= 13.7 mm

參見圖4、圖5，在棘輪與平衡輪的中心線重合的狀態下，2 小輪補償繩沿中心線對稱，平衡輪的直徑r= 100 mm，小棘輪與平衡輪間補償繩的單邊工作范圍為390～2 000 mm，其補償繩在對稱的狀態下偏向大輪的偏移距離d′可由式（9）計算：

將對應的參數（b= 364 mm，c= 140 mm）、（b= 1 990 mm，c= 200 mm）、r= 100 mm 代入式（9）可得d′的范圍為47～14.3 mm。經測量大輪半寬 83 mm，補償繩直徑φ= 10 mm，則兩小輪補償繩在正常對稱運行狀況下與大輪輪齒的凈間距為5～97.7 mm。

由計算結果可知，棘輪連接架卡滯使兩側小輪補償繩在平面內對大輪的間距不均衡，在線索伸長小輪收縮補償繩的過程中，容易造成田野側小輪補償與大輪輪齒的安全間距不足甚至發生摩擦，產生安全隱患，特別是在下錨支偏角相對較大的困難地段危害更加嚴重。

4 結語

綜上所述，棘輪連接架卡滯使得兩側小輪補償繩在平面內對大輪的間距不均衡，其田野側小輪補償繩向大輪輪齒方向偏移，偏移量的大小受棘輪連接架卡滯程度和接觸網下錨支偏角大小的影響。田野側小輪補償繩向大輪輪齒方向偏移，在運行中造成補償繩與大輪輪齒的安全距離不足，容易產生摩擦而形成安全隱患。 因此，在棘輪補償裝置的安裝中，要對連接架的卡滯高度重視，其措施是在安裝過程中嚴格執行工藝標準，對長螺栓銷的螺帽不能擰得過緊，并確認框架角鋼不壓迫連接架自由轉動后，再進行下一步安裝工序，以確保棘輪補償裝置投運后安全運行。

[1]于萬聚．高速電氣化鐵路接觸網[M]．成都：西南交通大學出版社，2003．

[2]保定朝雄電氣化電力器材有限公司．棘輪補償安裝說明書[Z]．

[3]鐵運[2007]69號．接觸網運行檢修規程[S]．北京：中國鐵道出版社，2007．