淺談氣動式張力補償裝置的開發(fā)與應(yīng)用

孫晉敏

（寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司，浙江 寧波 315000）

0 前言

在電氣化鐵道供電系統(tǒng)中，為了保證機車受電弓的良好取流，接觸網(wǎng)線必須保持穩(wěn)定的張力，而張力補償裝置的作用就是及時補償環(huán)境溫度引起的網(wǎng)線張力變化，確保列車的正常運營[1]。現(xiàn)在用的接觸網(wǎng)張力補償裝置主要有2 種，分別是重力式（滑輪式和棘輪式）以及彈簧式的補償裝置，但不管是重力式還是彈簧式補償裝置都不同程度的存在著安裝維護復雜、成本高、造型及城市景觀差等方面的不足。在高速發(fā)展的電氣化軌道交通尤其是地鐵等城市軌道交通方面亟需改善[2]。氣動式補償裝置在涉及階段對其結(jié)構(gòu)及可靠性進行了充分的論證，并在試車線接觸網(wǎng)試用中性能滿足現(xiàn)場使用要求，在電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)推廣應(yīng)用上具有顯著的經(jīng)濟效益和廣泛的社會效益。

1 工作原理

氣動式張力補償裝置主要由儲氣筒、工作腔2 個部分組成，工作及儲能介質(zhì)采用高純度的氮氣。

氣動式張力補償裝置的工作原理是利用惰性氣體的熱脹冷縮特性帶動補償裝置中的活塞桿拉入或伸出，從而補償拉線隨溫度變化而伸長或收縮。氣動式張力補償裝置通過科學的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計使其變化過程始終是等時、等量進行。

在設(shè)計氣動式張力補償裝置時，它的結(jié)構(gòu)尺寸從以下3個方面考慮：強度要足夠、重量體積盡可能小以及滿足補償精度正負3%。

為了滿足城市軌道交通接觸網(wǎng)雙線24 kN 大張力的要求，活塞缸徑選90 系列的產(chǎn)品，即缸孔直徑為90 mm。活塞缸徑太大增加了整個裝置的重量和體積，缸徑太小會導致氣體壓力太大。缸筒壁厚及活塞桿通過強度核算分別定為5 mm和25 mm。

活塞行程尺寸根據(jù)設(shè)計技術(shù)要求環(huán)境溫度負20 至正46度（預留4 度），結(jié)合錨段長度，依據(jù)網(wǎng)線隨溫度變化而伸縮所遵循線性熱漲冷縮公式可直接算出。

其他尺寸的確定根據(jù)氣動補償裝置工作原理—環(huán)境溫度變化所引起的活塞桿位移和網(wǎng)線收縮或伸長要同時、等量來完成來進行。

對于網(wǎng)線，其變化遵循線性熱漲冷縮公式

式中： ΔL—伸縮量。

α—管材膨脹系數(shù)。

L—管材長度。

T1—管內(nèi)介質(zhì)最高溫度。

T2—安裝時環(huán)境溫度。

對于高純度惰性氣體氮氣，在常溫和常壓的情況下，可視其為理想狀態(tài)的氣體。同時張力恒定時氣體壓力保持不變，氣體隨環(huán)境溫度變化遵循蓋·呂薩克定律。

式中：V1—變化前氣體體積。

T1—變化前溫度。

V2—變化后氣體體積。

T2—變化后溫度。

由于氣體壓力比較高及冬天環(huán)境溫度低，所以用標準化氣態(tài)方程計算與實際是有一定出入的，為了使補償裝置補償精度更精準，在計算時我們引入了實際氣體狀態(tài)方程式。

式中：Z—壓縮因子。

T—氣體溫度。

V—氣體T 溫度下實際體積。

V0—氣體T 溫度下實際體積。

P—氣體壓強。

Pr—對比壓力。

Tr—對比溫度。

Pc—氣體臨界壓強。

Tc—臨界溫度。

f（）—函數(shù)關(guān)系：雙參數(shù)壓縮因子圖。

對氣動補償裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)進行科學有效的設(shè)計，思路分2 部分（整個計算略去）。1）對補償裝置結(jié)構(gòu)基本尺寸的確定。 依據(jù)公式（2），分2 種溫度狀態(tài)，第一種狀態(tài)為活塞位置右端面作為負20 度，第二種狀態(tài)為任意溫度，把體積公式展開帶入公式（2）中，推導出溫度變化所引起活塞位移量ΔH 計算公式。同樣把兩種溫度代入（1）ΔL=αL（T1-T2），然后ΔH=ΔL，可以分別計算出其他尺寸。2）補償裝置活塞行程量的修訂根據(jù)式（4），在補償溫度范圍內(nèi)相隔5 ℃分別計算出各溫度狀況時的Tr，再用（3）式求出Pr，然后，根據(jù)Pr 和各溫度狀況下的Tr 在雙參數(shù)壓縮因子圖里查出各溫度狀況下的Z 值。最后，從（3）式計算出各溫度狀況下的體積差并推導出活塞行程量差，再結(jié)合網(wǎng)線線脹系數(shù)在不同溫度間隔變化情況，對活塞行程量和溫度標尺刻度量進行修訂。

氣動式張力補償裝置在安裝使用前，參照鐵路行業(yè)標準以及氣體、液壓類產(chǎn)品的相關(guān)標準，根據(jù)該產(chǎn)品性能特性要求，對氣動式張力補償裝置進行了操作性能、靜態(tài)密封、動態(tài)密封、強度測試等8 個方面進行了測試（具體詳見表1）。測試目的就是確認產(chǎn)品具有較高的可靠性、穩(wěn)定性[3]。這8項測試中，前5 項每個階段的產(chǎn)品必須做，后面4 項是產(chǎn)品定型時僅做一次。

表1 詳細測試內(nèi)容

2 試用

氣動張力補償裝置外表面設(shè)計有溫度標尺，將網(wǎng)線隨溫度變化直觀地顯現(xiàn)出來。環(huán)境溫度變化時，為保持網(wǎng)線張力恒定，補償裝置外罩殼端部隨著活塞桿部移動壓在溫度刻度尺當時的溫度刻度線上。

為準確觀測裝置運行狀況，工作日每天跟蹤觀測兩次并做好記錄，主要記錄補償裝置刻度尺顯示溫度和觀測時環(huán)境溫度，兩者差值就是補償裝置補償誤差。

在此，把承力索補償裝置240 天的跟蹤數(shù)據(jù)（詳見表2）和氣動式補償裝置90 d 的跟蹤數(shù)據(jù)（詳見表3）作為錄用數(shù)據(jù)進行整理。

表2 承力索補償裝置跟蹤數(shù)據(jù)分析表

表3 氣動式補償裝置跟蹤數(shù)據(jù)分析表

綜上所述，氣動式張力補償裝置在試車線接觸網(wǎng)接觸線和承力索上，運行穩(wěn)定、性能優(yōu)越，完全符合設(shè)計要求，應(yīng)用效果顯著。

3 結(jié)語

氣動式張力補償裝置，以其獨特的設(shè)計、高可靠性、便捷的安裝維護等優(yōu)勢，在試車線接觸網(wǎng)線上得到成功的應(yīng)用，為我國電氣化鐵道接觸線張力補償裝置的創(chuàng)新應(yīng)用增加了一個新的支撐點，為適應(yīng)電氣化高速鐵路的發(fā)展提供了一個強有力的技術(shù)保障，具有在鐵道電氣化軌道接觸網(wǎng)上廣泛推廣、應(yīng)用的價值。