接觸網(wǎng)柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置在低凈空隧道中的應(yīng)用

郭亮，盧炳楊，馮新戰(zhàn)

（1.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 北京工程項(xiàng)目管理部，北京 100038；2.中鐵電氣化局集團(tuán)第一工程有限公司 第一項(xiàng)目管理（石家莊）分公司，河北 石家莊 050000；3.漢和飛輪（北京）電氣化器材有限公司，陜西 西安 710086）

0 引言

隨著我國電氣化鐵路運(yùn)營里程的逐年增長，接觸網(wǎng)零部件制造技術(shù)隨之快速發(fā)展，各種接觸網(wǎng)下錨補(bǔ)償裝置趨于成熟。下錨補(bǔ)償裝置是鐵路接觸網(wǎng)在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)保持其張力穩(wěn)定的裝置，可確保電力機(jī)車受電弓與接觸線可靠接觸、受流良好；其性能的優(yōu)劣直接影響接觸網(wǎng)的工作彈性及線索在空間中的位置狀態(tài)等，對于降低接觸網(wǎng)故障率具有重要意義。補(bǔ)償裝置有滑輪補(bǔ)償、棘輪補(bǔ)償、彈簧補(bǔ)償、液壓補(bǔ)償?shù)阮愋停?種為重力式補(bǔ)償，后2種為設(shè)備類補(bǔ)償。目前，我國最常見的下錨補(bǔ)償裝置是重力式補(bǔ)償，但在低凈空隧道、橋梁和一些鐵路限界等空間受限的條件下，重力式補(bǔ)償裝置往往不能滿足安裝需求。既有鐵路特別是山區(qū)鐵路由于受低矮隧道和鐵路限界等狹小空間的客觀條件影響，接觸網(wǎng)傳統(tǒng)下錨懸掛補(bǔ)償墜砣的距離、空間等不能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，因此只能采用無墜砣的且能使接觸網(wǎng)在工作狀態(tài)下產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定張力的設(shè)備類補(bǔ)償裝置［1-5］。

1 工程概況

京原鐵路始建于1965年11月，于1972年7月通過初步驗(yàn)收，同年12月31日正式交付原北京鐵路局接管使用。京原鐵路電氣化改造工程中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司管段正線長233.971 km，主要工程為既有鐵路電氣化改造，其中既有隧道121座，總長75.977 km，隧線比32.47%，線路設(shè)計(jì)時(shí)速120 km。由于隧道建成年限較早，一方面是隧道運(yùn)用至今，已存在多種病害，不建議對隧道進(jìn)行擴(kuò)建；另一方面是在早期隧道建設(shè)過程中，沒有預(yù)留電氣化設(shè)備安裝條件，且無預(yù)留的落錨洞室，因此重力式補(bǔ)償落錨無法安裝，需考慮應(yīng)用彈簧補(bǔ)償裝置。

2 柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置

2.1 基本原理

柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置采用雙重或三重圓柱螺旋彈簧串聯(lián)組合結(jié)構(gòu)，配以內(nèi)、外套筒固定并連接，彈簧材質(zhì)為高強(qiáng)度彈簧鋼，彈簧材質(zhì)性能是彈簧裝置性能的決定因素。在端頭連接處施加接觸網(wǎng)線材張力后，套筒可被拉出，通過套筒、彈簧間的力傳導(dǎo)，內(nèi)、外彈簧均處于軸向受壓狀態(tài)，并承受荷載，其張力輸出與彈簧的軸向變形量基本為線性關(guān)系［6］。其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)

柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置在使用前應(yīng)進(jìn)行綜合評(píng)估，需要充分了解線路的使用環(huán)境，并根據(jù)線路使用的最長錨段的長度、線型、氣溫、設(shè)計(jì)張力、設(shè)計(jì)車速等條件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出彈簧補(bǔ)償器的必要標(biāo)準(zhǔn)伸縮量，然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定彈簧補(bǔ)償器的使用型號(hào)。柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置在使用前需要進(jìn)行安裝設(shè)計(jì)，一般分為隧道內(nèi)安裝和隧道外安裝，隧道內(nèi)安裝需要根據(jù)隧道角度設(shè)計(jì)錨臂和連接零部件；隧道外安裝需要根據(jù)柱型設(shè)計(jì)連接零部件，而設(shè)計(jì)連接零部件時(shí)，應(yīng)以簡單、可靠、安裝方便為原則。柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置主要規(guī)格及基本參數(shù)見表1，超出表1范圍的規(guī)格及基本參數(shù)可由供需雙方商定，彈簧補(bǔ)償裝置主要零部件組成見圖1（b）中零件編號(hào)1—7。

表1 彈簧補(bǔ)償裝置主要規(guī)格及基本參數(shù)

2.2 裝置特點(diǎn)

柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置采用的原材料為高強(qiáng)度彈簧鋼，每根彈簧在組裝前都通過壓力和穩(wěn)定性試驗(yàn)，確認(rèn)每根彈簧的張力范圍和強(qiáng)度等級(jí)，以便分組配對組裝。同時(shí)，彈簧補(bǔ)償器是由2層或3層的多根彈簧組成，每根彈簧串聯(lián)在小筒或中筒上，組裝時(shí)將所有彈簧壓縮在一起，如果出現(xiàn)彈簧斷裂，相應(yīng)的斷裂位置在壓縮力作用下密貼在一起，其張力及行程只會(huì)受到細(xì)微的變化，不影響線路正常運(yùn)行。因此，每臺(tái)彈簧補(bǔ)償器的張力穩(wěn)定性好、可靠性強(qiáng)，可長期使用。另外，這類裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝便捷的特點(diǎn)，無需占用很大空間，可在高度和空間受限的區(qū)域或隧道內(nèi)安裝使用。

柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置在日本新干線中應(yīng)用達(dá)3萬臺(tái)以上（見圖2），截至2020年，日本市場占有率達(dá)58%。日本新干線30多年的應(yīng)用實(shí)踐證明這類裝置具有免維護(hù)的特性。柱式B型彈簧裝置自引進(jìn)我國以來，不僅應(yīng)用于普通環(huán)境狀況下的線路（如宜萬鐵路），同時(shí)也應(yīng)用于大風(fēng)、低溫、積雪等特殊環(huán)境狀況下的線路（如中國鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司的精伊霍鐵路、中國鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司的濱洲鐵路海拉爾段）。截至目前，柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置在各線路上安裝后運(yùn)行穩(wěn)定。

圖2 柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置在日本新干線的應(yīng)用

2.3 性能要求

彈簧補(bǔ)償裝置外殼應(yīng)保證色澤均勻，表面無明顯碰傷、劃痕；刻度牌刻度清晰，裝配后無卡滯現(xiàn)象，各筒間間隙均勻，各連接件安全可靠。彈簧補(bǔ)償裝置在其額定工作行程范圍內(nèi)連續(xù)做2次張力偏差試驗(yàn)，2次結(jié)果均應(yīng)符合TB/T 2073—2020的規(guī)定［7］。

3 與其他彈簧補(bǔ)償裝置對比分析

目前，我國應(yīng)用的彈簧補(bǔ)償裝置除了柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置，還有渦卷式彈簧補(bǔ)償裝置、液壓式蓄能彈簧補(bǔ)償裝置等，不同接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置各具特點(diǎn)。

3.1 渦卷式彈簧補(bǔ)償裝置

渦卷式彈簧補(bǔ)償裝置的張力輸出比較平穩(wěn)，偏差值較小，在結(jié)構(gòu)上可實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)償距離較大；但從該裝置的使用效果來看，其結(jié)構(gòu)存在缺陷導(dǎo)致卷簧受力變化，造成彈簧卷制不合理，且不能直接觀察筒內(nèi)彈簧狀況，失效時(shí)難以發(fā)現(xiàn)。針對渦卷式彈簧補(bǔ)償裝置中渦卷彈簧失效的問題，通過化學(xué)成分、斷口形貌、金相組織、硬度測試等方法對其失效原因進(jìn)行分析，并利用ABQUS軟件對渦卷彈簧工作時(shí)的應(yīng)力分布進(jìn)行模擬仿真。結(jié)果表明，由于熱處理工藝控制不當(dāng)，渦卷彈簧表面出現(xiàn)脫碳層，硬度降低，以至難以承受周期性沖擊載荷，導(dǎo)致過早失效；另外，脫碳層誘發(fā)內(nèi)部裂紋，造成殘余應(yīng)力上升，也是該彈簧失效的主要原因。渦卷式彈簧補(bǔ)償裝置在應(yīng)用中已經(jīng)出現(xiàn)因彈簧斷裂、結(jié)構(gòu)卡滯導(dǎo)致線路補(bǔ)償功能喪失等問題，給鐵路運(yùn)輸帶來了安全隱患［8］。

3.2 液壓式蓄能彈簧補(bǔ)償裝置

液壓式蓄能彈簧補(bǔ)償裝置是利用氣缸內(nèi)氣體和液體體積變化來控制接觸網(wǎng)中的張力，體積變化導(dǎo)致活塞的軸向運(yùn)動(dòng)，以此來調(diào)節(jié)接觸網(wǎng)所要求的張力。該裝置特點(diǎn)是張力輸出平穩(wěn)，但補(bǔ)償距離較短，易漏油造成蓄能裝置功能喪失，導(dǎo)致補(bǔ)償功能失效［4］。另外其維護(hù)頻繁，每年都需要調(diào)整缸內(nèi)液體壓力，給運(yùn)維單位帶來不少困擾。

3.3 裝置對比分析

通過分析渦卷式彈簧補(bǔ)償裝置、液壓式蓄能彈簧補(bǔ)償裝置，得出3種彈簧補(bǔ)償裝置對比分析結(jié)果（見表2）。

表2 彈簧補(bǔ)償裝置對比分析結(jié)果

4 柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置應(yīng)用

4.1 仿真分析

西南交通大學(xué)使用ANSYS搭建弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真模型，開展仿真計(jì)算并進(jìn)行結(jié)果分析［9］。分析承力索和接觸線張力分別為額定工作張力的85%、100%、115%時(shí)3種情況，動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 160 km/h張力變化對接觸網(wǎng)弓網(wǎng)受流的影響

圖4 250 km/h張力變化對接觸網(wǎng)弓網(wǎng)受流的影響

依據(jù)西南交通大學(xué)試驗(yàn)動(dòng)態(tài)仿真模擬得到的結(jié)論：（1）列車速度≤250 km/h時(shí)，±15%的張力變化率對接觸網(wǎng)弓網(wǎng)正常受流沒有影響；（2）列車速度在250～300 km/h時(shí)，±9%的張力變化率也對接觸網(wǎng)弓網(wǎng)正常受流沒有影響。同時(shí)，TB/T 2073—2020中也規(guī)定了B型彈簧補(bǔ)償裝置張力偏差≤10%的要求。

4.2 京原鐵路電氣化改造工程中的應(yīng)用

對于京原鐵路電氣化改造工程中的隧道內(nèi)架空接觸網(wǎng)來說，應(yīng)盡可能適應(yīng)既有隧道斷面，隧道內(nèi)應(yīng)設(shè)計(jì)較低的結(jié)構(gòu)高度，并縮小跨距；隧道支持裝置的選擇取決于隧道橫截面和隧道頂部的高度，支持裝置應(yīng)選用橫向支持裝置的類型。在任何工作條件下，接觸網(wǎng)絞線、線索和其他部件所受的力必須在允許范圍以內(nèi)，如果侵入安全限界或最小限界將可能出現(xiàn)危險(xiǎn)。在京原鐵路電氣化改造工程施工中，避免設(shè)備侵限是首先需要考慮的問題，因此傳統(tǒng)重力式落錨補(bǔ)償裝置無法應(yīng)用，需要采用彈簧補(bǔ)償裝置。

柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，空間需求主要為縱向，設(shè)備可在隧道上方沿鐵路方向布置，能充分解決京原鐵路既有隧道因空間不足所導(dǎo)致的基本限界和電氣絕緣等問題。上述渦卷式彈簧補(bǔ)償裝置和液壓式蓄能彈簧補(bǔ)償裝置雖然設(shè)備總體結(jié)構(gòu)要比柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置小，但對隧道內(nèi)橫向空間要求較高，對滿足基本限界和電氣絕緣距離有較高要求，不適用于京原鐵路等老舊隧道。此外，對于落錨補(bǔ)償效率要求不小于97%（效率即實(shí)際測量的張力與要達(dá)到的張力之比，該值要盡可能高），水平張力的變化值不超過3%。安裝柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置后，經(jīng)耐拉伸荷載試驗(yàn)和現(xiàn)場安裝實(shí)際檢測后，落錨補(bǔ)償效率均能滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置是我國接觸網(wǎng)中使用的一種較新型的彈簧補(bǔ)償裝置，具有安全可靠、使用壽命長、基本免維修維護(hù)等特點(diǎn)，解決了京原鐵路電氣化改造工程中低凈空隧道接觸網(wǎng)下錨安裝存在的實(shí)際難題［10］。柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置作為傳統(tǒng)下錨補(bǔ)償方式的補(bǔ)充，為受到地形或空間限制以及鐵路限界制約區(qū)段的接觸網(wǎng)下錨問題的解決提供了一種新的方式，具有較好的應(yīng)用前景。

此外，柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置本體較重，單純依靠人力安裝難度大，需要配合起重設(shè)備或施工機(jī)械進(jìn)行安裝。考慮到線路運(yùn)營后，受天窗施工時(shí)間限制和起吊安裝空間限制，維修更換柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置本體不太方便。因此，柱式B型彈簧補(bǔ)償裝置進(jìn)一步輕量化是其今后研究改進(jìn)的方向。