彈簧補償裝置在高鐵接觸網(wǎng)中的應(yīng)用分析

胡志慧 上海鐵路局杭州供電段

1 前言

接觸網(wǎng)張力補償裝置安裝在錨段的兩端，它的作用是補償線索內(nèi)的張力變化，使張力保持恒定，以確保電力機車受電弓與接觸線可靠接觸受流良好。補償裝置有滑輪補償、棘輪補償、鼓輪補償、彈簧補償、液壓補償、氣壓補償?shù)葞追N類型。在我國電氣化鐵道發(fā)展中，目前廣泛應(yīng)用的補償裝置主要有滑輪補償裝置、棘輪補償裝置、彈簧補償裝置三種自動張力補償裝置。

2 彈簧補償裝置概述

彈簧補償裝置是在套筒內(nèi)置入恒張力彈簧片，在溫度改變而引起接觸線張力變化時，依靠套筒內(nèi)彈簧片的張力來補償接觸線的張力變化。其特點是：結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小，有更大的空間適應(yīng)性。

京滬高速鐵路高速正線以外區(qū)段接觸懸掛補償下錨采用的是DFJHB150型恒張力彈簧補償裝置。該彈簧補償裝置主要由本體、下錨角鋼、連接銷軸、制動裝置、補償繩、雙耳楔形線夾、平衡板等幾部分組成。圖1為彈簧補償裝置外形結(jié)構(gòu)圖。

圖1 為彈簧補償裝置外形結(jié)構(gòu)圖

本體由若干組平面渦卷彈簧并聯(lián)組成，中間由軸承連接并和本體外兩側(cè)的漸開線輪連接。

通過補償繩連接漸開線輪與接觸網(wǎng)的承力索或接觸線，當(dāng)環(huán)境溫度變化時，承力索或接觸網(wǎng)熱脹冷縮，導(dǎo)線長度發(fā)生變化，漸開線輪驅(qū)動預(yù)緊儲能的平面渦卷彈簧卷緊或釋放，促使補償繩縮短和伸長。渦卷彈簧工作在最佳彈性變化范圍內(nèi)再與漸開線輪配合后，張力輸出基本呈線性變化。

3 彈簧補償裝置故障概況

杭州供電段管內(nèi)共有532臺彈簧補償裝置，該裝置從線路正式開通使用以來，先后出現(xiàn)過下錨處承導(dǎo)平衡板錯位、錨段偏移、中錨偏移等現(xiàn)象。

3.1 虹橋樞紐虹高動車A線

虹橋樞紐虹高動車A線共有彈簧補償裝置18臺。

工區(qū)在巡視中發(fā)現(xiàn)虹高動車A線Ⅰ-3錨段高A035#下錨承、導(dǎo)彈簧補償器平衡板錯位，隨即檢查發(fā)現(xiàn)中錨向京側(cè)偏移300 mm。工區(qū)隨即進(jìn)行了調(diào)整處理。

工區(qū)在巡視中發(fā)現(xiàn)虹高動車A線Ⅰ-2錨段中錨A026#向京側(cè)偏移350 mm。隨即檢查發(fā)現(xiàn)下錨支柱高A009#、高A040#下錨處承導(dǎo)平衡板錯位，工區(qū)隨即進(jìn)行了調(diào)整處理。

3.2 虹橋樞紐綜合場

工區(qū)在巡視中發(fā)現(xiàn)虹橋樞紐綜合場兩端咽喉區(qū)彈簧補償器下錨處平衡板錯位嚴(yán)重，彈簧補償器漸開線輪繞圈已經(jīng)超出其工作范圍，隨即檢查中錨也出現(xiàn)偏移350 mm。隨后開展了為期1周的設(shè)備集中整治。

工區(qū)在巡視中發(fā)現(xiàn)虹橋樞紐綜合場22、25、29、30道錨段偏移嚴(yán)重，其相關(guān)中錨也偏移（300~400）mm。隨后開展了為期2周的設(shè)備集中整治。

工區(qū)在巡視中發(fā)現(xiàn)虹橋樞紐綜合場26、27、28道錨段偏移嚴(yán)重，相關(guān)中錨也偏移（300~350）mm。隨后開展了為期1周的設(shè)備集中整治。

時隔半年后工區(qū)在巡視中又發(fā)現(xiàn)虹橋樞紐綜合場22、27、29道錨段偏移嚴(yán)重，其相關(guān)中錨也偏移300 mm。隨后開展了為期1周的設(shè)備集中整治。

3.3 南翔動車所、上海站

工區(qū)在巡視中發(fā)現(xiàn)南翔動車所0326#、0353#、X302#等多處彈簧補償裝置工作行程不足2圈，749#、764#、S096#、S098#等多處承、導(dǎo)彈簧補償裝置平衡板錯位150 mm，同時檢查發(fā)現(xiàn)中錨偏移260 mm。隨即利用當(dāng)日天窗進(jìn)行了調(diào)整處理。

當(dāng)張力補償裝置失效時發(fā)生吊弦偏移、錨段偏移，可能會導(dǎo)致導(dǎo)線高度變化，吊弦接觸線上線夾上載流環(huán)低于導(dǎo)線，發(fā)生打弓；發(fā)生中錨偏移，中錨繩緊的一邊吊弦不受力，松的一邊導(dǎo)線中心錨結(jié)繩低于導(dǎo)線，造成打弓；線岔區(qū)段導(dǎo)線高度發(fā)生變化，會導(dǎo)致鉆弓現(xiàn)象。

4 彈簧補償裝置故障原因分析

上述故障狀況的發(fā)生是由于彈簧補償裝置的張力自動補償功能失效，從而導(dǎo)致了承導(dǎo)平衡板錯位、錨段偏移、中錨偏移等現(xiàn)象的發(fā)生，而張力自動補償失效的根本原因則是裝置本體中的彈簧失效。

彈簧補償裝置本體中的彈簧是一種平面渦卷彈簧，又名發(fā)條彈簧，是將等截面的細(xì)長材料繞制成平面螺旋線形的彈簧，它的剛度較小其一段固定而另一端作用有扭矩，在扭矩作用下彈簧材料產(chǎn)生彎曲彈性變形，使彈簧在平面內(nèi)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。

DFJHB150型恒張力彈簧補償裝置在使用前依據(jù)TB/T2073-2010電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件、TB/T2074-2010電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗方法、TB/T2075.14-2010電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件第14部分：彈簧補償裝置京滬高速鐵路接觸網(wǎng)恒張力彈簧補償裝置技術(shù)條件進(jìn)行檢驗，進(jìn)行了張力偏差試驗、過負(fù)荷試驗、破壞試驗、疲勞試驗，檢驗結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。但是裝置在現(xiàn)場安裝并投入使用后，經(jīng)過一段時間的驗證，設(shè)備仍出現(xiàn)了彈簧失效的現(xiàn)象。

究其故障原因，從彈簧的工作特性中可以知道彈簧受到外力作用變形時，會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力小于某一數(shù)值時，這時撤除彈簧的外力，彈簧的內(nèi)應(yīng)力會使彈簧回到原來的形狀，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過某一數(shù)值時，即彈簧受到的外力達(dá)到某一數(shù)值時，彈簧會產(chǎn)生塑性變形，這時即使撤除彈簧受到的外力，彈簧也不會回到原來的形狀。當(dāng)彈簧長期處于受力狀態(tài)時，其內(nèi)應(yīng)力即使不超過某一數(shù)值也會隨著時間的推移而減小，在彈性變形范圍內(nèi)，由于承載時間的延長，材料內(nèi)部的微觀組織結(jié)構(gòu)通過錯位運動，使彈性變形逐步轉(zhuǎn)化為微塑性變形，微塑性變形逐步積累成為宏觀的彈性減退。這時即使撤除外力，因內(nèi)因力的減小彈簧也回不到原來的形狀。

接觸網(wǎng)彈簧補償裝置中的平面渦卷彈簧在日常使用中長期承載著長錨段內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)備的額定15 kN的工作張力，從上述彈簧塑性變形特性可知，這種平面渦卷彈簧在此種工作狀況下易發(fā)生彈簧發(fā)生塑性變形而失效。這種彈簧補償裝置在發(fā)生斷線事故時如制動效果不好的話平面渦卷彈簧還會受到突然的外力而失效。

5 彈簧補償裝置故障處理方案

彈簧補償裝置在出現(xiàn)彈簧失效后雖經(jīng)過調(diào)整但效果不佳，為消除京滬高鐵彈簧補償器存在的安全隱患問題，并考慮到經(jīng)濟(jì)性，后將京滬高鐵全線彈簧補償裝置更換為滑輪組補償裝置。

6 結(jié)束語

彈簧補償裝置在空間受限的地區(qū)上使用雖然具有一定的優(yōu)勢，但通過在京滬高鐵上的應(yīng)用來看，DFJHB150型恒張力彈簧補償裝置并不太適用于長錨段的下錨自動張力補償。目前，彈簧補償裝置在實際應(yīng)用中還是較多的應(yīng)用于短錨段及軟橫跨承力索的補償。