弹簧补偿装置在高铁接触网中的应用分析

胡志慧 上海铁路局杭州供电段

1 前言

接触网张力补偿装置安装在锚段的两端，它的作用是补偿线索内的张力变化，使张力保持恒定，以确保电力机车受电弓与接触线可靠接触受流良好。补偿装置有滑轮补偿、棘轮补偿、鼓轮补偿、弹簧补偿、液压补偿、气压补偿等几种类型。在我国电气化铁道发展中，目前广泛应用的补偿装置主要有滑轮补偿装置、棘轮补偿装置、弹簧补偿装置三种自动张力补偿装置。

2 弹簧补偿装置概述

弹簧补偿装置是在套筒内置入恒张力弹簧片，在温度改变而引起接触线张力变化时，依靠套筒内弹簧片的张力来补偿接触线的张力变化。其特点是：结构紧凑、占用空间小，有更大的空间适应性。

京沪高速铁路高速正线以外区段接触悬挂补偿下锚采用的是DFJHB150型恒张力弹簧补偿装置。该弹簧补偿装置主要由本体、下锚角钢、连接销轴、制动装置、补偿绳、双耳楔形线夹、平衡板等几部分组成。图1为弹簧补偿装置外形结构图。

图1 为弹簧补偿装置外形结构图

本体由若干组平面涡卷弹簧并联组成，中间由轴承连接并和本体外两侧的渐开线轮连接。

通过补偿绳连接渐开线轮与接触网的承力索或接触线，当环境温度变化时，承力索或接触网热胀冷缩，导线长度发生变化，渐开线轮驱动预紧储能的平面涡卷弹簧卷紧或释放，促使补偿绳缩短和伸长。涡卷弹簧工作在最佳弹性变化范围内再与渐开线轮配合后，张力输出基本呈线性变化。

3 弹簧补偿装置故障概况

杭州供电段管内共有532台弹簧补偿装置，该装置从线路正式开通使用以来，先后出现过下锚处承导平衡板错位、锚段偏移、中锚偏移等现象。

3.1 虹桥枢纽虹高动车A线

虹桥枢纽虹高动车A线共有弹簧补偿装置18台。

工区在巡视中发现虹高动车A线Ⅰ-3锚段高A035#下锚承、导弹簧补偿器平衡板错位，随即检查发现中锚向京侧偏移300 mm。工区随即进行了调整处理。

工区在巡视中发现虹高动车A线Ⅰ-2锚段中锚A026#向京侧偏移350 mm。随即检查发现下锚支柱高A009#、高A040#下锚处承导平衡板错位，工区随即进行了调整处理。

3.2 虹桥枢纽综合场

工区在巡视中发现虹桥枢纽综合场两端咽喉区弹簧补偿器下锚处平衡板错位严重，弹簧补偿器渐开线轮绕圈已经超出其工作范围，随即检查中锚也出现偏移350 mm。随后开展了为期1周的设备集中整治。

工区在巡视中发现虹桥枢纽综合场22、25、29、30道锚段偏移严重，其相关中锚也偏移（300~400）mm。随后开展了为期2周的设备集中整治。

工区在巡视中发现虹桥枢纽综合场26、27、28道锚段偏移严重，相关中锚也偏移（300~350）mm。随后开展了为期1周的设备集中整治。

时隔半年后工区在巡视中又发现虹桥枢纽综合场22、27、29道锚段偏移严重，其相关中锚也偏移300 mm。随后开展了为期1周的设备集中整治。

3.3 南翔动车所、上海站

工区在巡视中发现南翔动车所0326#、0353#、X302#等多处弹簧补偿装置工作行程不足2圈，749#、764#、S096#、S098#等多处承、导弹簧补偿装置平衡板错位150 mm，同时检查发现中锚偏移260 mm。随即利用当日天窗进行了调整处理。

当张力补偿装置失效时发生吊弦偏移、锚段偏移，可能会导致导线高度变化，吊弦接触线上线夹上载流环低于导线，发生打弓；发生中锚偏移，中锚绳紧的一边吊弦不受力，松的一边导线中心锚结绳低于导线，造成打弓；线岔区段导线高度发生变化，会导致钻弓现象。

4 弹簧补偿装置故障原因分析

上述故障状况的发生是由于弹簧补偿装置的张力自动补偿功能失效，从而导致了承导平衡板错位、锚段偏移、中锚偏移等现象的发生，而张力自动补偿失效的根本原因则是装置本体中的弹簧失效。

弹簧补偿装置本体中的弹簧是一种平面涡卷弹簧，又名发条弹簧，是将等截面的细长材料绕制成平面螺旋线形的弹簧，它的刚度较小其一段固定而另一端作用有扭矩，在扭矩作用下弹簧材料产生弯曲弹性变形，使弹簧在平面内产生扭转。

DFJHB150型恒张力弹簧补偿装置在使用前依据TB/T2073-2010电气化铁路接触网零部件技术条件、TB/T2074-2010电气化铁路接触网零部件试验方法、TB/T2075.14-2010电气化铁路接触网零部件第14部分：弹簧补偿装置京沪高速铁路接触网恒张力弹簧补偿装置技术条件进行检验，进行了张力偏差试验、过负荷试验、破坏试验、疲劳试验，检验结果均符合标准要求。但是装置在现场安装并投入使用后，经过一段时间的验证，设备仍出现了弹簧失效的现象。

究其故障原因，从弹簧的工作特性中可以知道弹簧受到外力作用变形时，会产生内应力，当内应力小于某一数值时，这时撤除弹簧的外力，弹簧的内应力会使弹簧回到原来的形状，当内应力超过某一数值时，即弹簧受到的外力达到某一数值时，弹簧会产生塑性变形，这时即使撤除弹簧受到的外力，弹簧也不会回到原来的形状。当弹簧长期处于受力状态时，其内应力即使不超过某一数值也会随着时间的推移而减小，在弹性变形范围内，由于承载时间的延长，材料内部的微观组织结构通过错位运动，使弹性变形逐步转化为微塑性变形，微塑性变形逐步积累成为宏观的弹性减退。这时即使撤除外力，因内因力的减小弹簧也回不到原来的形状。

接触网弹簧补偿装置中的平面涡卷弹簧在日常使用中长期承载着长锚段内接触网设备的额定15 kN的工作张力，从上述弹簧塑性变形特性可知，这种平面涡卷弹簧在此种工作状况下易发生弹簧发生塑性变形而失效。这种弹簧补偿装置在发生断线事故时如制动效果不好的话平面涡卷弹簧还会受到突然的外力而失效。

5 弹簧补偿装置故障处理方案

弹簧补偿装置在出现弹簧失效后虽经过调整但效果不佳，为消除京沪高铁弹簧补偿器存在的安全隐患问题，并考虑到经济性，后将京沪高铁全线弹簧补偿装置更换为滑轮组补偿装置。

6 结束语

弹簧补偿装置在空间受限的地区上使用虽然具有一定的优势，但通过在京沪高铁上的应用来看，DFJHB150型恒张力弹簧补偿装置并不太适用于长锚段的下锚自动张力补偿。目前，弹簧补偿装置在实际应用中还是较多的应用于短锚段及软横跨承力索的补偿。