龔建剛

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渦式恒張力彈簧補償裝置的應用分析

龔建剛

對比國內(nèi)外電氣化鐵路接觸網(wǎng)彈簧補償裝置的優(yōu)缺點，提出了一種安全可靠，性能優(yōu)越，更適合于低凈空、狹窄空間內(nèi)安裝的恒張力彈簧補償結(jié)構(gòu)，描述了渦式恒張力彈簧補償裝置的性能要求、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理。

接觸網(wǎng)；渦式恒張力；彈簧補償；分析

0 引言

隨著我國高速鐵路建設的快速發(fā)展，接觸網(wǎng)零部件的制造技術也隨之取得了跨越式的發(fā)展，各種接觸網(wǎng)下錨補償裝置已比較成熟，最常用的是重力式補償裝置。但在機械、電氣安裝空間受限、有景觀要求及特殊氣候環(huán)境區(qū)段，重力式補償裝置往往不能滿足安裝要求。既有線路及部分新建電氣化鐵路隧道存在凈空較低、線路兩側(cè)供接觸網(wǎng)補償裝置安裝空間有限的情況，因懸掛補償墜砣的空間不足，只能采用無需墜砣也可使接觸網(wǎng)產(chǎn)生張力并在工作狀態(tài)下產(chǎn)生持續(xù)張力的補償裝置。為解決該難題，國內(nèi)外都在探索一種能夠儲蓄力的補償裝置，統(tǒng)稱為儲能補償裝置。

1 現(xiàn)有補償裝置優(yōu)缺點分析

目前，已出現(xiàn)螺柱彈簧式補償裝置、平板渦卷彈簧式補償裝置、液壓式蓄能補償裝置等，各種裝置都有其優(yōu)缺點：

（1）單螺柱彈簧式補償裝置，結(jié)構(gòu)簡單，便于觀察，易于制造；補償距離與其長度有關，補償距離越長其制造長度越長、重量也就越重，安裝使用很不方便。盡管具備輸出力矩轉(zhuǎn)換裝置，但由于結(jié)構(gòu)原因，其輸出張力不固定，輸出的張力偏差隨摩擦力的增大而增大。

（2）多組螺柱彈簧式復合補償裝置是基于單螺柱彈簧式補償裝置改進組合而成的。在長度上比單螺柱彈簧式補償裝置要短很多，但其摩擦力不固定，又無輸出力矩轉(zhuǎn)換裝置，所以輸出張力偏差比單螺柱彈簧式補償裝置大很多，但在安裝和使用方面則更為方便。

（3）平板渦卷式彈簧補償裝置，因其具備輸出力矩轉(zhuǎn)換裝置，摩擦力較穩(wěn)定，因而張力輸出較平穩(wěn)，張力偏差很小，在結(jié)構(gòu)上可以實現(xiàn)的補償距離較大。但從已使用的該類補償裝置的效果看，其結(jié)構(gòu)缺陷導致彈簧受力條件惡化，彈簧的卷制不盡合理，不能直接觀察筒內(nèi)彈簧狀況，失效時難以發(fā)現(xiàn)，制造難度很大。應用中已發(fā)生彈簧斷裂、結(jié)構(gòu)卡滯并導致線路補償力喪失等缺陷問題，給行車安全帶來很大的影響。

（4）液壓式蓄能補償裝置，張力輸出較平穩(wěn)，但補償距離較短，易漏油，使得蓄能很容易喪失，造成補償失效。

綜上分析得出上述幾種補償裝置在效果、壽命和安全等方面都存在一定的缺陷。所以，一種可以克服以上各種弊端、比較實用的補償裝置就成為了關注的重點，本文著重介紹的恒張力彈簧補償裝置能夠有效地改善上述幾種結(jié)構(gòu)存在的問題。

2 渦式恒張力彈簧補償裝置

2.1 性能描述

（1）最大工作荷重為額定張力的1.1倍。

（2）耐拉伸荷重：整機在1.5倍額定張力的作用下并保持荷載5 min后，仍能正常轉(zhuǎn)動，各部位均未出現(xiàn)變形或卡滯現(xiàn)象。

（3）彈簧補償裝置的破壞荷重不小于額定張力的3倍。

（4）工作行程中的張力偏差≤4%。

（5）彈簧補償裝置在穩(wěn)定性試驗中的往返次數(shù)為20 000次。

（6）張力偏差的最大負偏差比穩(wěn)定性試驗前的實測值降幅不大于2%。

（7）彈簧補償裝置的斷線制動距離不大于 70 mm。

2.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

為了彌補和避免現(xiàn)有彈簧補償裝置的缺陷，發(fā)揮棘輪補償裝置在制動方面的優(yōu)勢，考慮輸出恒定張力，便于安裝及調(diào)試等方面的因素，在結(jié)構(gòu)設計時增加一組滑輪使框架能夠承擔部分受力，以改善彈簧組的受力狀況；并采用直觀的棘齒制動?；窘Y(jié)構(gòu)設計如圖1所示。

圖1 基本結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)接觸式平面渦卷彈簧的特點，為了延長彈簧的使用壽命，轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)采用了外筒轉(zhuǎn)動方式，即將彈簧卷軸固定在框架上，框架與底座直接連接到錨柱上。力矩轉(zhuǎn)換裝置與外筒形成一個整體，補償繩纏繞在力矩轉(zhuǎn)換裝置上，當連接的接觸線或承力索伸長或收縮時，帶動外筒旋轉(zhuǎn)，保證接觸線或承力索因外部溫度變化而發(fā)生的長度變化能得到及時補償，筒內(nèi)彈簧組上存儲的能量始終作用在外筒上，外筒旋轉(zhuǎn)可收緊補償繩，這樣可始終保證補償繩、接觸線和承力索上的拉力，即補償張力。

利用棘輪補償裝置棘齒制動的優(yōu)點，在外筒和框架上制作一個棘齒式制動機構(gòu)。如果出現(xiàn)斷繩現(xiàn)象，外筒在自重的作用下下落促使制動機構(gòu)發(fā)生作用，卡住外筒，整個裝置將停止轉(zhuǎn)動，接觸網(wǎng)不會繼續(xù)被破壞，縮小了事故范圍，從而縮短了接觸網(wǎng)維護、恢復的時間。

2.3 基本原理

裝置輸出恒張力是通過力矩轉(zhuǎn)換裝置使彈簧呈現(xiàn)幾何規(guī)律變化的扭矩，轉(zhuǎn)換成恒定的張力輸出。圖2為彈簧扭矩變化曲線示意圖。

圖2 彈簧扭矩變化曲線示意圖

彈簧裝置的優(yōu)劣主要取決于彈簧及維護彈簧工作性能輔助結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。彈簧決定產(chǎn)品的主要性能，如張力偏差、輸出張力的穩(wěn)定性，更決定整個裝置的使用壽命。因此，彈簧從原材料到產(chǎn)品的整個制造過程均須嚴格控制，補償器的結(jié)構(gòu)設計必須滿足彈簧的工作條件，使彈簧始終在可靠的范圍內(nèi)工作，防止失效。

2.4 彈簧的設計與參數(shù)計算

彈簧是該補償裝置中的主要部件，其質(zhì)量、性能和壽命直接決定整套裝置的使用性能。

平面渦卷彈簧的卷制方式有2種：非接觸式和接觸式（見圖3、圖4）。非接觸式彈簧通常用來產(chǎn)生反作用力矩，轉(zhuǎn)動圈數(shù)有限，不宜進行較長距離的長度補償，所以選擇采用了接觸式平面渦卷彈簧的卷制形式。

接觸式平面渦卷彈簧可以旋轉(zhuǎn)多圈，滿足長距離補償要求，其特性曲線見圖5。卷緊力矩與中心軸上彈簧的卷緊圈數(shù)基本成正比，故可以選擇接觸式平面渦卷彈簧作為彈簧補償裝置的卷制形式。

圖3 非接觸式彈簧卷制示意圖

圖4 接觸式彈簧卷制示意圖

圖5 接觸式平面渦簧特性曲線圖

根據(jù)彈簧的特性，輸出力矩隨卷緊圈數(shù)增加而增大，當需要一個平衡力矩時，就需要一個外力（要求的外力）與輸出力矩相關聯(lián)的裝置形成一個相等的反作用力矩，能夠通過一個恒定的力去平衡彈簧卷緊力，這個裝置就是輸出力矩轉(zhuǎn)換裝置。

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式中，為反作用力矩；為卷緊力矩；為反作用力臂；為反作用力。反作用力就是施加在接觸網(wǎng)線索上的力。

由于要求恒定張力，所以當卷緊力矩變化時，應隨之變化，以確保不變，即=/；在實際卷制過程中的變化源于變徑輪槽，其變化曲線見圖6。

圖6 力臂R的特性曲線圖

根據(jù)渦卷彈簧特性，將彈簧卷緊，所產(chǎn)生的能量就會存儲于卷緊的彈簧中。使彈簧保持該卷緊狀態(tài)則須對其施加拉力，該力就是所要求的張力。渦卷彈簧補償裝置就是基于這個原理設計制造的。

3 結(jié)語

從設計制造到產(chǎn)品的各種測試、試驗及現(xiàn)場使用狀況，均可說明該渦式恒張力彈簧補償裝置的結(jié)構(gòu)設計合理，性能優(yōu)越，張力輸出穩(wěn)定，外形美觀，安裝使用快捷方便，能夠滿足接觸網(wǎng)的終端下錨補償要求。與使用墜砣施加張力的補償裝置相比，其優(yōu)勢主要是特別適合于低凈空、窄空間隧道內(nèi)無法使用墜砣加力的地方進行接觸網(wǎng)下錨補償。

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On the basis of comparison of advantages and disadvantages of spring compensation devices for overhead contact system of electrified railway in China and abroad, the paper puts forward a safe and reliable spring compensation device with constant tension which is advantageous in its properties, more adaptable for installation within a narrow space with low clearance, describes the performance requirements, the product structures and working principles of coil spring compensation device with constant tension.

Overhead contact system; coil spring with constant tension; spring compensation; analysis

U225.4

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1007-936X(2017)02-0033-03

龔建剛.中鐵電氣化局集團寶雞器材有限公司，工程師，電話：18109172883。

2016-07-07