彈簧補(bǔ)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(bǔ)償裝置安裝在錨段的兩端，它的作用是補(bǔ)償線索內(nèi)的張力變化，使張力保持恒定，以確保電力機(jī)車受電弓與接觸線可靠接觸受流良好。補(bǔ)償裝置有滑輪補(bǔ)償、棘輪補(bǔ)償、鼓輪補(bǔ)償、彈簧補(bǔ)償、液壓補(bǔ)償、氣壓補(bǔ)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(bǔ)償裝置主要有滑輪補(bǔ)償裝置、棘輪補(bǔ)償裝置、彈簧補(bǔ)償裝置三種自動(dòng)張力補(bǔ)償裝置。

2 彈簧補(bǔ)償裝置概述

彈簧補(bǔ)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(shí)，依靠套筒內(nèi)彈簧片的張力來補(bǔ)償接觸線的張力變化。其特點(diǎn)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(bǔ)償下錨采用的是DFJHB150型恒張力彈簧補(bǔ)償裝置。該彈簧補(bǔ)償裝置主要由本體、下錨角鋼、連接銷軸、制動(dòng)裝置、補(bǔ)償繩、雙耳楔形線夾、平衡板等幾部分組成。圖1為彈簧補(bǔ)償裝置外形結(jié)構(gòu)圖。

圖1 為彈簧補(bǔ)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(bǔ)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(shí)，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(dòng)預(yù)緊儲(chǔ)能的平面渦卷彈簧卷緊或釋放，促使補(bǔ)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(bǔ)償裝置故障概況

杭州供電段管內(nèi)共有532臺(tái)彈簧補(bǔ)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(cuò)位、錨段偏移、中錨偏移等現(xiàn)象。

3.1 虹橋樞紐虹高動(dòng)車A線

虹橋樞紐虹高動(dòng)車A線共有彈簧補(bǔ)償裝置18臺(tái)。

工區(qū)在巡視中發(fā)現(xiàn)虹高動(dòng)車A線Ⅰ-3錨段高A035#下錨承、導(dǎo)彈簧補(bǔ)償器平衡板錯(cuò)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(dòng)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(cuò)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(bǔ)償器下錨處平衡板錯(cuò)位嚴(yán)重，彈簧補(bǔ)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(shí)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(dòng)車所、上海站

工區(qū)在巡視中發(fā)現(xiàn)南翔動(dòng)車所0326#、0353#、X302#等多處彈簧補(bǔ)償裝置工作行程不足2圈，749#、764#、S096#、S098#等多處承、導(dǎo)彈簧補(bǔ)償裝置平衡板錯(cuò)位150 mm，同時(shí)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(bǔ)償裝置失效時(shí)發(fā)生吊弦偏移、錨段偏移，可能會(huì)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(huì)導(dǎo)致鉆弓現(xiàn)象。

4 彈簧補(bǔ)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(bǔ)償裝置的張力自動(dòng)補(bǔ)償功能失效，從而導(dǎo)致了承導(dǎo)平衡板錯(cuò)位、錨段偏移、中錨偏移等現(xiàn)象的發(fā)生，而張力自動(dòng)補(bǔ)償失效的根本原因則是裝置本體中的彈簧失效。

彈簧補(bǔ)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(bǔ)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(yàn)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(bǔ)償裝置京滬高速鐵路接觸網(wǎng)恒張力彈簧補(bǔ)償裝置技術(shù)條件進(jìn)行檢驗(yàn)，進(jìn)行了張力偏差試驗(yàn)、過負(fù)荷試驗(yàn)、破壞試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)，檢驗(yàn)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(shí)間的驗(yàn)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力小于某一數(shù)值時(shí)，這時(shí)撤除彈簧的外力，彈簧的內(nèi)應(yīng)力會(huì)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(shí)，即彈簧受到的外力達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，彈簧會(huì)產(chǎn)生塑性變形，這時(shí)即使撤除彈簧受到的外力，彈簧也不會(huì)回到原來的形狀。當(dāng)彈簧長期處于受力狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)應(yīng)力即使不超過某一數(shù)值也會(huì)隨著時(shí)間的推移而減小，在彈性變形范圍內(nèi)，由于承載時(shí)間的延長，材料內(nèi)部的微觀組織結(jié)構(gòu)通過錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)，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(shí)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(bǔ)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(bǔ)償裝置在發(fā)生斷線事故時(shí)如制動(dòng)效果不好的話平面渦卷彈簧還會(huì)受到突然的外力而失效。

5 彈簧補(bǔ)償裝置故障處理方案

彈簧補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償裝置更換為滑輪組補(bǔ)償裝置。

6 結(jié)束語

彈簧補(bǔ)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(shì)，但通過在京滬高鐵上的應(yīng)用來看，DFJHB150型恒張力彈簧補(bǔ)償裝置并不太適用于長錨段的下錨自動(dòng)張力補(bǔ)償。目前，彈簧補(bǔ)償裝置在實(shí)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(bǔ)償。