渦式恒張力彈簧補(bǔ)償裝置的應(yīng)用分析

龔建剛

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渦式恒張力彈簧補(bǔ)償裝置的應(yīng)用分析

龔建剛

對(duì)比國(guó)內(nèi)外電氣化鐵路接觸網(wǎng)彈簧補(bǔ)償裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種安全可靠，性能優(yōu)越，更適合于低凈空、狹窄空間內(nèi)安裝的恒張力彈簧補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，描述了渦式恒張力彈簧補(bǔ)償裝置的性能要求、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理。

接觸網(wǎng)；渦式恒張力；彈簧補(bǔ)償；分析

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，接觸網(wǎng)零部件的制造技術(shù)也隨之取得了跨越式的發(fā)展，各種接觸網(wǎng)下錨補(bǔ)償裝置已比較成熟，最常用的是重力式補(bǔ)償裝置。但在機(jī)械、電氣安裝空間受限、有景觀要求及特殊氣候環(huán)境區(qū)段，重力式補(bǔ)償裝置往往不能滿足安裝要求。既有線路及部分新建電氣化鐵路隧道存在凈空較低、線路兩側(cè)供接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置安裝空間有限的情況，因懸掛補(bǔ)償墜砣的空間不足，只能采用無(wú)需墜砣也可使接觸網(wǎng)產(chǎn)生張力并在工作狀態(tài)下產(chǎn)生持續(xù)張力的補(bǔ)償裝置。為解決該難題，國(guó)內(nèi)外都在探索一種能夠儲(chǔ)蓄力的補(bǔ)償裝置，統(tǒng)稱(chēng)為儲(chǔ)能補(bǔ)償裝置。

1 現(xiàn)有補(bǔ)償裝置優(yōu)缺點(diǎn)分析

目前，已出現(xiàn)螺柱彈簧式補(bǔ)償裝置、平板渦卷彈簧式補(bǔ)償裝置、液壓式蓄能補(bǔ)償裝置等，各種裝置都有其優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）單螺柱彈簧式補(bǔ)償裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于觀察，易于制造；補(bǔ)償距離與其長(zhǎng)度有關(guān)，補(bǔ)償距離越長(zhǎng)其制造長(zhǎng)度越長(zhǎng)、重量也就越重，安裝使用很不方便。盡管具備輸出力矩轉(zhuǎn)換裝置，但由于結(jié)構(gòu)原因，其輸出張力不固定，輸出的張力偏差隨摩擦力的增大而增大。

（2）多組螺柱彈簧式復(fù)合補(bǔ)償裝置是基于單螺柱彈簧式補(bǔ)償裝置改進(jìn)組合而成的。在長(zhǎng)度上比單螺柱彈簧式補(bǔ)償裝置要短很多，但其摩擦力不固定，又無(wú)輸出力矩轉(zhuǎn)換裝置，所以輸出張力偏差比單螺柱彈簧式補(bǔ)償裝置大很多，但在安裝和使用方面則更為方便。

（3）平板渦卷式彈簧補(bǔ)償裝置，因其具備輸出力矩轉(zhuǎn)換裝置，摩擦力較穩(wěn)定，因而張力輸出較平穩(wěn)，張力偏差很小，在結(jié)構(gòu)上可以實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)償距離較大。但從已使用的該類(lèi)補(bǔ)償裝置的效果看，其結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致彈簧受力條件惡化，彈簧的卷制不盡合理，不能直接觀察筒內(nèi)彈簧狀況，失效時(shí)難以發(fā)現(xiàn)，制造難度很大。應(yīng)用中已發(fā)生彈簧斷裂、結(jié)構(gòu)卡滯并導(dǎo)致線路補(bǔ)償力喪失等缺陷問(wèn)題，給行車(chē)安全帶來(lái)很大的影響。

（4）液壓式蓄能補(bǔ)償裝置，張力輸出較平穩(wěn)，但補(bǔ)償距離較短，易漏油，使得蓄能很容易喪失，造成補(bǔ)償失效。

綜上分析得出上述幾種補(bǔ)償裝置在效果、壽命和安全等方面都存在一定的缺陷。所以，一種可以克服以上各種弊端、比較實(shí)用的補(bǔ)償裝置就成為了關(guān)注的重點(diǎn)，本文著重介紹的恒張力彈簧補(bǔ)償裝置能夠有效地改善上述幾種結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題。

2 渦式恒張力彈簧補(bǔ)償裝置

2.1 性能描述

（1）最大工作荷重為額定張力的1.1倍。

（2）耐拉伸荷重：整機(jī)在1.5倍額定張力的作用下并保持荷載5 min后，仍能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，各部位均未出現(xiàn)變形或卡滯現(xiàn)象。

（3）彈簧補(bǔ)償裝置的破壞荷重不小于額定張力的3倍。

（4）工作行程中的張力偏差≤4%。

（5）彈簧補(bǔ)償裝置在穩(wěn)定性試驗(yàn)中的往返次數(shù)為20 000次。

（6）張力偏差的最大負(fù)偏差比穩(wěn)定性試驗(yàn)前的實(shí)測(cè)值降幅不大于2%。

（7）彈簧補(bǔ)償裝置的斷線制動(dòng)距離不大于 70 mm。

2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

為了彌補(bǔ)和避免現(xiàn)有彈簧補(bǔ)償裝置的缺陷，發(fā)揮棘輪補(bǔ)償裝置在制動(dòng)方面的優(yōu)勢(shì)，考慮輸出恒定張力，便于安裝及調(diào)試等方面的因素，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)增加一組滑輪使框架能夠承擔(dān)部分受力，以改善彈簧組的受力狀況；并采用直觀的棘齒制動(dòng)。基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 基本結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)接觸式平面渦卷彈簧的特點(diǎn)，為了延長(zhǎng)彈簧的使用壽命，轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用了外筒轉(zhuǎn)動(dòng)方式，即將彈簧卷軸固定在框架上，框架與底座直接連接到錨柱上。力矩轉(zhuǎn)換裝置與外筒形成一個(gè)整體，補(bǔ)償繩纏繞在力矩轉(zhuǎn)換裝置上，當(dāng)連接的接觸線或承力索伸長(zhǎng)或收縮時(shí)，帶動(dòng)外筒旋轉(zhuǎn)，保證接觸線或承力索因外部溫度變化而發(fā)生的長(zhǎng)度變化能得到及時(shí)補(bǔ)償，筒內(nèi)彈簧組上存儲(chǔ)的能量始終作用在外筒上，外筒旋轉(zhuǎn)可收緊補(bǔ)償繩，這樣可始終保證補(bǔ)償繩、接觸線和承力索上的拉力，即補(bǔ)償張力。

利用棘輪補(bǔ)償裝置棘齒制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，在外筒和框架上制作一個(gè)棘齒式制動(dòng)機(jī)構(gòu)。如果出現(xiàn)斷繩現(xiàn)象，外筒在自重的作用下下落促使制動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生作用，卡住外筒，整個(gè)裝置將停止轉(zhuǎn)動(dòng)，接觸網(wǎng)不會(huì)繼續(xù)被破壞，縮小了事故范圍，從而縮短了接觸網(wǎng)維護(hù)、恢復(fù)的時(shí)間。

2.3 基本原理

裝置輸出恒張力是通過(guò)力矩轉(zhuǎn)換裝置使彈簧呈現(xiàn)幾何規(guī)律變化的扭矩，轉(zhuǎn)換成恒定的張力輸出。圖2為彈簧扭矩變化曲線示意圖。

圖2 彈簧扭矩變化曲線示意圖

彈簧裝置的優(yōu)劣主要取決于彈簧及維護(hù)彈簧工作性能輔助結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。彈簧決定產(chǎn)品的主要性能，如張力偏差、輸出張力的穩(wěn)定性，更決定整個(gè)裝置的使用壽命。因此，彈簧從原材料到產(chǎn)品的整個(gè)制造過(guò)程均須嚴(yán)格控制，補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須滿足彈簧的工作條件，使彈簧始終在可靠的范圍內(nèi)工作，防止失效。

2.4 彈簧的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算

彈簧是該補(bǔ)償裝置中的主要部件，其質(zhì)量、性能和壽命直接決定整套裝置的使用性能。

平面渦卷彈簧的卷制方式有2種：非接觸式和接觸式（見(jiàn)圖3、圖4）。非接觸式彈簧通常用來(lái)產(chǎn)生反作用力矩，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)有限，不宜進(jìn)行較長(zhǎng)距離的長(zhǎng)度補(bǔ)償，所以選擇采用了接觸式平面渦卷彈簧的卷制形式。

接觸式平面渦卷彈簧可以旋轉(zhuǎn)多圈，滿足長(zhǎng)距離補(bǔ)償要求，其特性曲線見(jiàn)圖5。卷緊力矩與中心軸上彈簧的卷緊圈數(shù)基本成正比，故可以選擇接觸式平面渦卷彈簧作為彈簧補(bǔ)償裝置的卷制形式。

圖3 非接觸式彈簧卷制示意圖

圖4 接觸式彈簧卷制示意圖

圖5 接觸式平面渦簧特性曲線圖

根據(jù)彈簧的特性，輸出力矩隨卷緊圈數(shù)增加而增大，當(dāng)需要一個(gè)平衡力矩時(shí)，就需要一個(gè)外力（要求的外力）與輸出力矩相關(guān)聯(lián)的裝置形成一個(gè)相等的反作用力矩，能夠通過(guò)一個(gè)恒定的力去平衡彈簧卷緊力，這個(gè)裝置就是輸出力矩轉(zhuǎn)換裝置。

=·=

式中，為反作用力矩；為卷緊力矩；為反作用力臂；為反作用力。反作用力就是施加在接觸網(wǎng)線索上的力。

由于要求恒定張力，所以當(dāng)卷緊力矩變化時(shí)，應(yīng)隨之變化，以確保不變，即=/；在實(shí)際卷制過(guò)程中的變化源于變徑輪槽，其變化曲線見(jiàn)圖6。

圖6 力臂R的特性曲線圖

根據(jù)渦卷彈簧特性，將彈簧卷緊，所產(chǎn)生的能量就會(huì)存儲(chǔ)于卷緊的彈簧中。使彈簧保持該卷緊狀態(tài)則須對(duì)其施加拉力，該力就是所要求的張力。渦卷彈簧補(bǔ)償裝置就是基于這個(gè)原理設(shè)計(jì)制造的。

3 結(jié)語(yǔ)

從設(shè)計(jì)制造到產(chǎn)品的各種測(cè)試、試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)使用狀況，均可說(shuō)明該渦式恒張力彈簧補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，性能優(yōu)越，張力輸出穩(wěn)定，外形美觀，安裝使用快捷方便，能夠滿足接觸網(wǎng)的終端下錨補(bǔ)償要求。與使用墜砣施加張力的補(bǔ)償裝置相比，其優(yōu)勢(shì)主要是特別適合于低凈空、窄空間隧道內(nèi)無(wú)法使用墜砣加力的地方進(jìn)行接觸網(wǎng)下錨補(bǔ)償。

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On the basis of comparison of advantages and disadvantages of spring compensation devices for overhead contact system of electrified railway in China and abroad, the paper puts forward a safe and reliable spring compensation device with constant tension which is advantageous in its properties, more adaptable for installation within a narrow space with low clearance, describes the performance requirements, the product structures and working principles of coil spring compensation device with constant tension.

Overhead contact system; coil spring with constant tension; spring compensation; analysis

U225.4

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1007-936X(2017)02-0033-03

龔建剛.中鐵電氣化局集團(tuán)寶雞器材有限公司，工程師，電話：18109172883。

2016-07-07