地鐵既有線接觸網彈簧補償方式改造研究

鄭 杰，楊輝金，劉文韜，王 能

0 引言

在柔性接觸網系統中，為保持接觸網的張力和減小接觸線的弛度，每個錨段均設置補償裝置。隨著溫度的變化，補償裝置自動調節從而維持接觸網系統張力恒定，為電客車提供安全穩定的取流條件。我國地鐵接觸網一般采用彈簧補償裝置和棘輪補償裝置作為高架段接觸網的張力補償裝置。

隨著城市軌道交通的蓬勃發展, 補償裝置也在不斷改進，早期的補償裝置采用滑輪補償，滑輪輪徑為130 mm，輪徑過小，與補償繩間配合不甚合理，補償效果較差[1]。20世紀90年代后期，我國引進了法國鋁合金補償滑輪組、德國棘輪、日本彈簧補償器等補償裝置。目前在地鐵柔性接觸網系統中，普遍采用彈簧補償裝置和棘輪補償裝置，本文就兩者的性能進行比較，基于工程實際對彈簧補償裝置改造為棘輪補償進行研究探討。

1 地鐵接觸網補償裝置比較

1.1 彈簧補償裝置

目前在實際工程中應用的彈簧補償裝置分為卷簧和壓簧兩種形式，其原理是在套筒內置入恒張力彈簧片或彈簧，因環境溫度變化而引起接觸線張力改變時，依靠套筒內彈簧片或彈簧進行張力補 償。彈簧補償裝置主要特點是體積小，占用空間小。以某品牌恒張力彈簧補償裝置為例，其主要由本體、補償繩、固定銷軸、平衡板等組成，見圖1。

圖1 彈簧補償裝置

恒張力彈簧補償裝置本體由若干組平面渦卷彈簧并聯組成，中間由軸承連接并與本體外兩側的漸開線輪連接。接觸網的承力索或接觸線通過補償繩連接在漸開線輪上，當環境溫度變化時，承力索或接觸線熱脹冷縮，線索長度發生變化，漸開線輪驅動預緊儲能的彈簧片回收或釋放，促使補償繩縮短或伸長[2]。彈簧片工作在最佳彈性變化范圍內，在與漸開線輪配合后張力輸出基本呈線性變化。當發生斷線事故時，補償端將會沖擊回縮。為減小事故影響范圍，利于盡快修復，基于楔形制動的原理設置了安全制動裝置。由于采用恒張力補償，運營維護人員需定期在環境溫度下測量補償繩長度及張力，從而了解掌握補償裝置的張力衰減情況。

1.2 棘輪補償裝置

棘輪補償裝置可以看作是一種繩-輪相互作用的系統，由棘輪和墜砣兩部分組成。棘輪補償裝置主要由棘輪本體、棘輪軸、制動架、限制架、搖桿、補償繩及平衡輪組成。圖2所示為一種典型的棘輪補償裝置結構[4]。

圖2 典型棘輪補償裝置結構

棘輪補償裝置工作時，小輪上纏繞的補償繩連接到平衡輪，最終與接觸線或承力索下錨絕緣子相連，大輪上纏繞的補償繩連接至補償墜砣。棘輪大輪和小輪的直徑比通常為3∶1，大輪上帶有棘齒，棘輪通過搖桿安裝在連接架上。在正常工作狀態，制動架與大輪之間保持一定的間隙，棘輪通過轉動實現對接觸線或承力索張力的自動補償。當接觸線或承力索發生斷線時，棘輪下墜，制動架和棘齒的作用使棘輪不再轉動，實現斷線制動。

1.3 接觸網下錨補償裝置對比

彈簧補償裝置和棘輪補償裝置性能對比如表1所示。

表1 彈簧補償與棘輪補償裝置性能對比

由表1可知，棘輪補償裝置較彈簧補償裝置具有張力穩定、經濟效益好的優點，且安裝過程更加簡便。

2 彈簧補償裝置實際應用分析

近年來，因為彈簧補償裝置體積小、占用空間少等特點被廣泛應用于地鐵接觸網系統，但隨著彈簧補償裝置使用年限的增加，其內部核心部件彈簧會發生張力衰減，當張力衰減過大，補償裝置將失效，接觸網易發生吊弦偏移、定位偏移，甚至出現打弓、鉆弓，造成弓網事故。

某城市地鐵A線I-3錨段A035#下錨承力索、接觸線彈簧補償器平衡板在運行中出現錯位，中錨偏移300 mm，隨后運營人員在排查中發現樞紐綜合場兩端咽喉區彈簧補償下錨處平衡板錯位嚴重，且漸開線輪繞圈已超出其工作范圍，同時其他7條股道的接觸網也出現了錨段嚴重偏移的情況[3]。

某城市地鐵B線高架段接觸網采用恒張力彈簧補償裝置，在開通使用一年后，內部彈簧斷裂引發撞弓故障。

某城市地鐵C線高架段在開通7年后部分恒張力彈簧補償裝置出現了不同程度的張力衰減，其中12.5 kN彈簧補償裝置張力衰減超過6%的占比為31.9%，25 kN彈簧補償裝置張力衰減超過6%的占比為25.7%。

以上故障的原因主要是由于彈簧補償裝置的張力自動補償失效，從而導致平衡板錯位、錨段偏移或撞弓。張力自動補償失效的直接原因是裝置內部關鍵部件彈簧失效。文獻[5]對彈簧補償裝置彈簧失效的原因進行了研究，通過仿真分析得出彈簧失效的主要形式為表面或次表面的疲勞斷裂，主要原因有：（1）由于熱處理工藝不當，導致表面脫碳層的存在，造成彈簧表面硬度和強度急劇下降，難以承受周期性的沖擊載荷，脫碳層誘發內部產生裂紋；（2）彈簧脫碳層和內部魏氏組織的存在，造成彈簧在工作條件下內應力過大。

基于以上實際工程案例分析，彈簧補償裝置雖廣泛應用于地鐵接觸網系統，然而部分城市線路運用情況不佳，有必要針對既有線彈簧補償裝置實際運用情況進行改造。

3 改造可行性分析

針對既有線因建設初期確定的補償方式為彈簧補償的情況，為保障接觸網設備張力穩定及安全可靠，宜對其進行改造，可改造為棘輪補償方式。既有線路改造需要結合線路實際情況進行分析研究，彈簧補償裝置的改造涉及原有補償裝置的拆除，同時需考慮棘輪補償裝置的安裝參數要求，特別是線路支柱在疏散平臺之間、上下行同桿的情況，需要解決墜砣安裝空間與疏散空間的沖突；還需要考慮接觸線與承力索下錨對導高的影響。本文以某城市地鐵D線高架接觸網為研究對象，對CH型彈簧補償裝置改造為棘輪補償裝置進行分析。

3.1 接觸網參數

D線高架接觸網采用柔性接觸網，全補償簡單鏈形懸掛，具體參數見表2。

表2 D線高架接觸網參數

3.2 安裝形式的選取

對于同桿下錨的承力索和接觸線，棘輪補償裝置有兩種安裝形式：一種是上下布置，承力索位于接觸線上方，該布置會增加支柱的高度和容量；另一種為接觸線和承力索下錨棘輪水平布置，兩個棘輪安裝在支柱的兩側，該布置可以降低支柱的高度。上述兩種安裝形式在工程中皆有應用，為保持D線前期設計的拉出值布置以及補償裝置安裝方式的一致性，本次改造選擇第一種方式，即上下布置的安裝方式，安裝圖見圖3。

圖3 棘輪補償裝置安裝示意圖

3.3 棘輪補償裝置及墜砣參數

3.3.1 棘輪補償裝置主要參數

棘輪補償裝置主要參數包含補償繩長度（a值、b值）、本體大輪/小輪半徑、工作行程、限制架長度，具體參數見表3。

表3 棘輪補償裝置主要參數

改造前彈簧補償裝置工作行程為0～1300 mm，為保證改造前后接觸網線索參數一致性，需要將棘輪補償裝置的行程進行折算，計算棘輪補償裝置工作行程L1為

式中：k為傳動比，k= 3；L選擇最長錨段長度（半錨），該錨段無中錨，因此取L= 822 m；α為膨脹系數；Tmax為最大計算溫度；Tmin為最小計算溫度。由此可得限制架長度L2為

3.3.2 墜砣參數

為減小墜砣對疏散平臺的影響，需盡量減小墜砣串的長度，選擇采用體積小、密度大的鉛墜砣，單片墜砣質量40 kg，直徑460 mm，厚度35 mm。承力索棘輪補償墜砣串長度為

式中：l為單個墜砣厚度，為35 mm；F1為承力索補償張力，為12 kN；G為單個墜砣重力，為400 N。

由此可得承力索補償串長度L3= 350 mm，接觸線補償串長度L4= 700 mm。

3.4 疏散平臺改造

經現場勘測，D線疏散平臺距軌平面的最大距離h2= 882 mm。按接觸線高度為5000 mm計算，疏散平臺至棘輪補償裝置下沿的最小距離h1為

式中：H為接觸線高度，R1為棘輪本體大輪半徑283 mm，R2為棘輪本體小輪半徑85 mm，h2為疏散平臺高度。由此可得h1= 3750 mm。

限制架長度L2取整設置為3600 mm，因此疏散平臺與固定支架最小距離h為

由此得h為150 mm，h＜bmin，為保證墜砣串的工作行程和安全距離，需對疏散平臺進行改造，具體應拆除棘輪下方的疏散平臺，并向軌行區側安裝步梯。改造后不影響應急情況下人員疏散，如圖4所示。

圖4 改造后的疏散平臺

3.5 設備限界

為保障改造后棘輪補償裝置不超限界，選擇改造后墜砣串距離線路中心最近的Y14支柱進行驗算。改造前設備限界1965.43 mm，改造后設備限界為1825.15 mm，大于B2型車輛設備限界（1581 mm）要求，本次改造不會造成設備侵限，不會對行車造成影響。

4 結語

本文介紹了地鐵接觸網下錨補償方式，分別闡述了彈簧補償裝置和棘輪補償裝置的工作原理及優缺點；針對接觸網彈簧補償裝置的彈簧張力衰減頻發問題，對某地鐵既有線彈簧補償裝置進行了改造研究，該改造方案可為同類項目補償裝置的改造提供參考借鑒。