涡式恒张力弹簧补偿装置的应用分析

龚建刚



涡式恒张力弹簧补偿装置的应用分析

龚建刚

对比国内外电气化铁路接触网弹簧补偿装置的优缺点，提出了一种安全可靠，性能优越，更适合于低净空、狭窄空间内安装的恒张力弹簧补偿结构，描述了涡式恒张力弹簧补偿装置的性能要求、产品结构和工作原理。

接触网；涡式恒张力；弹簧补偿；分析

0 引言

随着我国高速铁路建设的快速发展，接触网零部件的制造技术也随之取得了跨越式的发展，各种接触网下锚补偿装置已比较成熟，最常用的是重力式补偿装置。但在机械、电气安装空间受限、有景观要求及特殊气候环境区段，重力式补偿装置往往不能满足安装要求。既有线路及部分新建电气化铁路隧道存在净空较低、线路两侧供接触网补偿装置安装空间有限的情况，因悬挂补偿坠砣的空间不足，只能采用无需坠砣也可使接触网产生张力并在工作状态下产生持续张力的补偿装置。为解决该难题，国内外都在探索一种能够储蓄力的补偿装置，统称为储能补偿装置。

1 现有补偿装置优缺点分析

目前，已出现螺柱弹簧式补偿装置、平板涡卷弹簧式补偿装置、液压式蓄能补偿装置等，各种装置都有其优缺点：

（1）单螺柱弹簧式补偿装置，结构简单，便于观察，易于制造；补偿距离与其长度有关，补偿距离越长其制造长度越长、重量也就越重，安装使用很不方便。尽管具备输出力矩转换装置，但由于结构原因，其输出张力不固定，输出的张力偏差随摩擦力的增大而增大。

（2）多组螺柱弹簧式复合补偿装置是基于单螺柱弹簧式补偿装置改进组合而成的。在长度上比单螺柱弹簧式补偿装置要短很多，但其摩擦力不固定，又无输出力矩转换装置，所以输出张力偏差比单螺柱弹簧式补偿装置大很多，但在安装和使用方面则更为方便。

（3）平板涡卷式弹簧补偿装置，因其具备输出力矩转换装置，摩擦力较稳定，因而张力输出较平稳，张力偏差很小，在结构上可以实现的补偿距离较大。但从已使用的该类补偿装置的效果看，其结构缺陷导致弹簧受力条件恶化，弹簧的卷制不尽合理，不能直接观察筒内弹簧状况，失效时难以发现，制造难度很大。应用中已发生弹簧断裂、结构卡滞并导致线路补偿力丧失等缺陷问题，给行车安全带来很大的影响。

（4）液压式蓄能补偿装置，张力输出较平稳，但补偿距离较短，易漏油，使得蓄能很容易丧失，造成补偿失效。

综上分析得出上述几种补偿装置在效果、寿命和安全等方面都存在一定的缺陷。所以，一种可以克服以上各种弊端、比较实用的补偿装置就成为了关注的重点，本文着重介绍的恒张力弹簧补偿装置能够有效地改善上述几种结构存在的问题。

2 涡式恒张力弹簧补偿装置

2.1 性能描述

（1）最大工作荷重为额定张力的1.1倍。

（2）耐拉伸荷重：整机在1.5倍额定张力的作用下并保持荷载5 min后，仍能正常转动，各部位均未出现变形或卡滞现象。

（3）弹簧补偿装置的破坏荷重不小于额定张力的3倍。

（4）工作行程中的张力偏差≤4%。

（5）弹簧补偿装置在稳定性试验中的往返次数为20 000次。

（6）张力偏差的最大负偏差比稳定性试验前的实测值降幅不大于2%。

（7）弹簧补偿装置的断线制动距离不大于 70 mm。

2.2 产品结构

为了弥补和避免现有弹簧补偿装置的缺陷，发挥棘轮补偿装置在制动方面的优势，考虑输出恒定张力，便于安装及调试等方面的因素，在结构设计时增加一组滑轮使框架能够承担部分受力，以改善弹簧组的受力状况；并采用直观的棘齿制动。基本结构设计如图1所示。

图1 基本结构图

根据接触式平面涡卷弹簧的特点，为了延长弹簧的使用寿命，转动结构采用了外筒转动方式，即将弹簧卷轴固定在框架上，框架与底座直接连接到锚柱上。力矩转换装置与外筒形成一个整体，补偿绳缠绕在力矩转换装置上，当连接的接触线或承力索伸长或收缩时，带动外筒旋转，保证接触线或承力索因外部温度变化而发生的长度变化能得到及时补偿，筒内弹簧组上存储的能量始终作用在外筒上，外筒旋转可收紧补偿绳，这样可始终保证补偿绳、接触线和承力索上的拉力，即补偿张力。

利用棘轮补偿装置棘齿制动的优点，在外筒和框架上制作一个棘齿式制动机构。如果出现断绳现象，外筒在自重的作用下下落促使制动机构发生作用，卡住外筒，整个装置将停止转动，接触网不会继续被破坏，缩小了事故范围，从而缩短了接触网维护、恢复的时间。

2.3 基本原理

装置输出恒张力是通过力矩转换装置使弹簧呈现几何规律变化的扭矩，转换成恒定的张力输出。图2为弹簧扭矩变化曲线示意图。

图2 弹簧扭矩变化曲线示意图

弹簧装置的优劣主要取决于弹簧及维护弹簧工作性能辅助结构的质量。弹簧决定产品的主要性能，如张力偏差、输出张力的稳定性，更决定整个装置的使用寿命。因此，弹簧从原材料到产品的整个制造过程均须严格控制，补偿器的结构设计必须满足弹簧的工作条件，使弹簧始终在可靠的范围内工作，防止失效。

2.4 弹簧的设计与参数计算

弹簧是该补偿装置中的主要部件，其质量、性能和寿命直接决定整套装置的使用性能。

平面涡卷弹簧的卷制方式有2种：非接触式和接触式（见图3、图4）。非接触式弹簧通常用来产生反作用力矩，转动圈数有限，不宜进行较长距离的长度补偿，所以选择采用了接触式平面涡卷弹簧的卷制形式。

接触式平面涡卷弹簧可以旋转多圈，满足长距离补偿要求，其特性曲线见图5。卷紧力矩与中心轴上弹簧的卷紧圈数基本成正比，故可以选择接触式平面涡卷弹簧作为弹簧补偿装置的卷制形式。

图3 非接触式弹簧卷制示意图

图4 接触式弹簧卷制示意图

图5 接触式平面涡簧特性曲线图

根据弹簧的特性，输出力矩随卷紧圈数增加而增大，当需要一个平衡力矩时，就需要一个外力（要求的外力）与输出力矩相关联的装置形成一个相等的反作用力矩，能够通过一个恒定的力去平衡弹簧卷紧力，这个装置就是输出力矩转换装置。

=·=

式中，为反作用力矩；为卷紧力矩；为反作用力臂；为反作用力。反作用力就是施加在接触网线索上的力。

由于要求恒定张力，所以当卷紧力矩变化时，应随之变化，以确保不变，即=/；在实际卷制过程中的变化源于变径轮槽，其变化曲线见图6。

图6 力臂R的特性曲线图

根据涡卷弹簧特性，将弹簧卷紧，所产生的能量就会存储于卷紧的弹簧中。使弹簧保持该卷紧状态则须对其施加拉力，该力就是所要求的张力。涡卷弹簧补偿装置就是基于这个原理设计制造的。

3 结语

从设计制造到产品的各种测试、试验及现场使用状况，均可说明该涡式恒张力弹簧补偿装置的结构设计合理，性能优越，张力输出稳定，外形美观，安装使用快捷方便，能够满足接触网的终端下锚补偿要求。与使用坠砣施加张力的补偿装置相比，其优势主要是特别适合于低净空、窄空间隧道内无法使用坠砣加力的地方进行接触网下锚补偿。

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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

龚建刚.中铁电气化局集团宝鸡器材有限公司，工程师，电话：18109172883。

2016-07-07