普速鐵路電氣化改造隧道內(nèi)接觸網(wǎng)下錨補償方案研究

劉大勇

0 引言

隨著我國鐵路電氣化建設(shè)進程的加快，既有普速鐵路電氣化改造越來越向偏遠(yuǎn)山區(qū)規(guī)劃發(fā)展。進行接觸網(wǎng)設(shè)計時應(yīng)盡量避免在隧道內(nèi)下錨，但是受限于線路條件、隧道情況等，在隧道內(nèi)預(yù)留接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)及下錨的情況仍然很多[1]。本文以某鐵路電氣化改造工程為例對既有鐵路電氣化改造工程隧道內(nèi)下錨補償方式進行分析探討。

1 隧道內(nèi)接觸網(wǎng)下錨補償裝置

國內(nèi)外電氣化鐵路隧道內(nèi)普遍采用滑輪組+墜砣、棘輪+墜砣、彈簧補償、液壓補償4種下錨補償方式[2]，各種補償裝置現(xiàn)場安裝效果如圖1所示。

1.1 滑輪組補償

滑輪組補償裝置通過滑輪組的變比實現(xiàn)墜砣串重力與線索張力的平衡。在線索長度隨溫度的變化而發(fā)生變化時，動滑輪與靜滑輪間的距離伸長或縮短以及墜砣串上下移動，使施加于其上的張力仍維持在恒定狀態(tài)?；喗M補償裝置應(yīng)用于隧道內(nèi)時，需要在隧道頂部安裝重型錨臂，側(cè)面安裝動/定滑輪、支架、墜砣限制架及鐵墜砣串。

1.2 棘輪補償

棘輪補償裝置中棘輪本體的作用是調(diào)節(jié)墜砣串重力與連接的線索張力之間的機械變比。在線索長度隨溫度的變化而發(fā)生變化時，棘輪隨之發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動，使得施加于其上的張力仍維持在恒定狀態(tài)。棘輪補償裝置應(yīng)用于隧道內(nèi)時，一般在隧道壁上預(yù)留的槽道內(nèi)安裝棘輪下錨底座及棘輪補償裝置，在槽道下方隧道壁安裝小車式墜砣限制架及方形鐵墜砣串。

1.3 彈簧補償

彈簧補償裝置因彈簧結(jié)構(gòu)形狀不同，分為渦卷式彈簧補償和柱式彈簧補償兩種。

1.3.1 渦卷式彈簧補償裝置

渦卷式彈簧補償裝置基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其本體由若干組平面渦卷彈簧并聯(lián)組成，中間由軸承連接并與本體外兩側(cè)的漸開線輪連接，漸開線輪與外筒形成一個整體，補償繩纏繞在漸開線輪上。當(dāng)連接的線索因環(huán)境溫度變化伸長或收縮時，帶動漸開線輪旋轉(zhuǎn)，漸開線輪驅(qū)動預(yù)緊儲能的平面渦卷彈簧卷緊或釋放，促使補償繩縮短或伸長，即實現(xiàn)張力補償。

圖1 渦卷式彈簧補償裝置（單位：mm）

1.3.2 柱式彈簧補償裝置

柱式彈簧補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，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，彈簧材質(zhì)為高強度彈簧鋼，其性能是彈簧裝置性能的決定因素[3]。受到線索張力的作用后，柱式彈簧補償裝置套筒被拉出，通過套筒、彈簧間的載荷傳遞，內(nèi)、外彈簧均處于軸向受壓狀態(tài)。當(dāng)環(huán)境溫度變化時，線索受熱脹冷縮作用長度發(fā)生變化，此時柱式彈簧也隨之伸長或縮短以提供張力。

1.4 液壓補償裝置

液壓補償裝置的結(jié)構(gòu)為一個單作用的動作缸外環(huán)套蓄能筒，兩端密封，活塞式動作桿安裝在動作缸內(nèi)，組成一個密閉的獨立循環(huán)系統(tǒng)。液壓式補償裝置采用無源自適應(yīng)技術(shù)，通常以惰性氣體作為蓄能介質(zhì)，以液壓油作為工作介質(zhì)，利用氣體的熱脹冷縮特性在環(huán)境溫度變化時推動液壓缸活塞，以活塞桿伸出或縮進對接觸網(wǎng)線索因環(huán)境溫度變化引起的長度變化進行自動補償并保持張力恒定。液壓補償原理如圖3所示。

圖3 液壓補償原理

2 補償裝置在隧道內(nèi)安裝技術(shù)性能對比

幾種補償裝置在隧道內(nèi)安裝時的技術(shù)性能對比如表1所示。

表1 隧道內(nèi)下錨補償方式技術(shù)性能對比

從以上技術(shù)指標(biāo)、應(yīng)用情況等對比可以看出，棘輪補償裝置以其優(yōu)越的性能，在新建客?；蚋咚勹F路隧道中應(yīng)用優(yōu)勢明顯；滑輪補償裝置適用于新建或已預(yù)留電化條件的普速電氣化鐵路隧道內(nèi)，用于未預(yù)留電化條件的老舊隧道時，必須對隧道下錨處局部斷面進行加寬、加高開挖；彈簧補償及液壓補償裝置外形尺寸較小，不需要平衡墜砣，不占隧道下部空間，適用于修建年代久遠(yuǎn)、凈空高度低、斷面較小的隧道內(nèi)。

3 隧道內(nèi)接觸網(wǎng)下錨方式選擇

本節(jié)以某普速鐵路電氣化改造工程為例，闡述隧道內(nèi)接觸網(wǎng)下錨方式選擇。該普速鐵路修建于20世紀(jì)六七十年代，位于山區(qū)，曲線多，曲線半徑小，坡度大，設(shè)計速度 80 km/h，其中隧道 47座，總長16.14 km（最長的崔家溝隧道3.84 km），隧道斷面小、凈空高度較低（6 000～6 500 mm），且未預(yù)留接觸網(wǎng)下錨洞。該鐵路電氣化改造工程隧道內(nèi)共設(shè)錨段關(guān)節(jié)8處；隧道內(nèi)下錨補償裝置32套，同一錨段一端位于隧道內(nèi)另一端位于隧道外的共有5個錨段；基于同一個錨段兩端補償裝置應(yīng)一致原則，隧道外采用隧道內(nèi)下錨補償裝置10套。

3.1 補償裝置經(jīng)濟性對比

針對該鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)下錨補償設(shè)置情況，對滑輪補償、彈簧補償及液壓補償方式進行30年全壽命周期經(jīng)濟性比較，見表2。

表2 補償裝置經(jīng)濟性比較

從表2可以看出，滑輪補償裝置采購費用最低，但是用于低凈空隧道內(nèi)時需對隧道下錨處斷面進行開挖，總費用遠(yuǎn)高于其他幾種補償裝置；液壓補償裝置費用較彈簧補償裝置高，渦卷式彈簧補償和柱式彈簧補償費用基本相當(dāng)。

3.2 補償方式比選

結(jié)合該線路隧道內(nèi)下錨處凈空高度實際情況對補償裝置進行分析，凈空高度如表3所示。

表3 隧道下錨處凈空高度

3.2.1 滑輪補償裝置

如果采用滑輪補償裝置，隧道內(nèi)和隧道外下錨補償方式一致，便于維修，且每套成本較低。但為滿足平衡墜砣工作需求，必須對隧道接觸網(wǎng)下錨位置處局部斷面進行開挖，從一側(cè)邊墻開挖至隧道拱頂，開挖尺寸為3 000 mm×900 mm。由于該隧道為老舊隧道，既有線隧道內(nèi)開挖施工受營業(yè)線運營影響，天窗點內(nèi)施工進度緩慢，費用較高，對行車運輸影響大，且需要施工開挖既有隧道襯砌，有發(fā)生隧道坍塌、長時間中斷行車的風(fēng)險。綜合考慮，不建議采用滑輪補償方式。

3.2.2 液壓補償裝置

液壓補償裝置可用于低凈空隧道內(nèi)下錨補償，但其使用壽命較短，30年全壽命周期內(nèi)總費用高于彈簧補償裝置，特別是液壓補償使用過程中易出現(xiàn)部分設(shè)備密封不嚴(yán)、滲油導(dǎo)致補償失效等問題，近年來在新建電氣化鐵路及城市軌道交通中均未采用，故不考慮采用液壓補償下錨形式。

3.2.3 彈簧補償裝置

渦卷式彈簧補償裝置在補償精度、斷線制動功能以及投資方面均優(yōu)于柱式彈簧補償裝置，但是柱式彈簧補償裝置外形尺寸小，更適用于隧道凈空高度更低的情況[4]。

隧道內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)計導(dǎo)高5 400 mm，困難情況下不小于5 300 mm，最小結(jié)構(gòu)高度為350 mm，懸掛點承力索最低高度為5 650 mm，帶電體距隧道壁的絕緣距離不小于300 mm。線材張力15 kN，對應(yīng)柱式彈補型號為CH150-710，尺寸為Φ245×1 974，對應(yīng)的渦卷式彈補型號為A15型，尺寸為535 mm×732 mm×510 mm（長×寬×高）。

承力索下錨高度最低為5 800 mm（下錨抬升150 mm），當(dāng)采用柱式彈簧補償時，隧道凈空高度大于5 800 + 300 = 6 100 mm即可選用；當(dāng)采用渦卷式彈簧補償時，隧道凈空高度大于5 800 +(510 -120) = 6 190 mm即可選用。導(dǎo)線下錨錨臂及彈簧補償本體應(yīng)同時滿足比工作支導(dǎo)線抬高 320 mm（受電弓抬升120 mm，動態(tài)絕緣間隙200 mm）和距承力索水平絕緣距離300 mm，工作支拉出值200 mm，柱式彈簧補償裝置中心拉出值滿足200 + 300+ 245/2 = 623 mm即可；渦卷式彈簧補償裝置錨臂中心拉出值滿足200 + 300 + 732/2 = 866 mm方可。由于隧道斷面小，拉出值越大，對應(yīng)位置的隧道凈空越低，實測呂渠河—柳林鎮(zhèn)區(qū)間SD76下錨處不同拉出值時對應(yīng)隧道高度如圖4所示（橫坐標(biāo)為拉值，縱坐標(biāo)為隧道凈空高度）。當(dāng)隧道中心凈空高度6 322 mm，拉出值623 mm時，高度6 218 mm＞6 100 mm，拉出值866 mm時，高度6 099 mm＜6 190 mm，故此時隧道凈空能夠滿足柱式彈簧補償安裝要求，無法滿足渦卷式彈簧補償安裝要求。

圖4 呂渠河—柳林鎮(zhèn)區(qū)間SD76隧道斷面（單位：mm）

綜上，對表3中凈空高度數(shù)據(jù)分析比較可以看出，渦卷式彈簧補償不能滿足該鐵路所有低凈空隧道內(nèi)安裝要求，外形尺寸更小的柱式彈簧補償裝置可滿足其低凈空隧道內(nèi)下錨補償安裝要求。

3.2.4 柱式彈簧補償裝置

柱式彈簧補償裝置補償行程與線索的伸縮量存在直接關(guān)系，下文通過計算柱式彈簧補償裝置行程分析CH150-710型補償裝置的適用性。

柱式彈簧補償裝置補償時接觸線的伸縮量除取決于接觸網(wǎng)錨段長度及補償裝置使用地區(qū)的溫差外，還取決于接觸線隨金屬的荷重產(chǎn)生的形變以及接觸線松弛的伸長量[5]。

接觸線受錨段長度及溫差影響的伸縮量l1計算式：

接觸線荷重產(chǎn)生形變的伸長量Δl1計算式：

接觸線松弛的伸長量計算式：

以上各式中參數(shù)及取值詳見表4。

表4 接觸線有關(guān)參數(shù)說明

綜上，接觸線伸縮量l為

l=l1+Δl1+ Δl2= 0.765 - 0.177 - 0.004 = 0.584m，即最大行程為584(±292) mm。

因CH150-710型補償裝置行程范圍為710(±355) mm＞584(±292) mm，故該裝置能滿足該鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)最大張力補償要求。

綜上所述，由于同一條線路隧道內(nèi)應(yīng)采用同一種下錨補償方式，因此該鐵路電氣化改造推薦采用結(jié)構(gòu)簡單、外形尺寸更小、使用壽命長、可靠性高、基本免維護的柱式彈簧補償裝置。

4 柱式彈簧補償裝置安裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）隧道內(nèi)錨臂順線路定位時，應(yīng)遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)換懸掛點以減少線索折角，減少彈性補償裝置向線路中心方向的偏斜；錨臂垂直線路定位時，錨臂中心拉出值應(yīng)在理論數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上增大100 mm，以保證彈簧補償器受力后與接觸網(wǎng)的絕緣距離。

（2）進行新線路安裝時，在安裝前應(yīng)對線索進行超拉，線索超拉時，兩側(cè)應(yīng)接張力計并同時進行超拉。

（3）彈簧補償裝置拉出量的確定應(yīng)查看該彈簧補償裝置伸縮量計算結(jié)果表，拉伸量調(diào)整時需根據(jù)當(dāng)時當(dāng)?shù)氐奶鞖鉁囟炔檎页鰧?yīng)的伸縮量，再與實際標(biāo)尺拉出量進行比較并調(diào)整，誤差不應(yīng)大于±20 mm。

（4）調(diào)整彈簧補償裝置本體上方斜拉調(diào)節(jié)螺栓，使得本體與線索方向保持一致，垂直方向上要求彈簧補償裝置與線索的角度誤差范圍不超過2°，嚴(yán)禁彈簧補償裝置連接線索端抬頭。

5 結(jié)語

目前柱式彈簧補償裝置的核心組件螺旋彈簧主要依靠國外進口，成本較高，隨著我國高強度彈簧鋼生產(chǎn)技術(shù)的不斷進步，性能不斷提升，柱式彈簧補償裝置將是我國接觸網(wǎng)補償裝置未來發(fā)展方向之一。

本文對隧道內(nèi)常用的幾種接觸網(wǎng)下錨補償裝置從工作原理、技術(shù)性能、經(jīng)濟性等方面進行了探討，以某鐵路電氣化改造為例詳細(xì)分析了接觸網(wǎng)下錨補償裝置在既有普速鐵路電氣化改造工程隧道內(nèi)的應(yīng)用，重點分析了柱式彈簧補償裝置的應(yīng)用及安裝要求。隧道內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)計施工中應(yīng)根據(jù)實際情況選用合適的補償裝置。