棘轮补偿连接架卡滞对补偿绳偏移的分析研究

潘南红，张翔鸥

0 引言

接触网棘轮补偿装置由于具有传动效率高，快速断线制动功能等优点，已越来越广泛地应用在接触网上，但同时棘轮补偿装置对安装精度和施工质量要求较高，往往由于一些细节上的疏忽，会造成棘轮补偿装置投运后产生一系列缺陷。在对新建、改建六盘水至沾益复线电气化铁路梅花山至凤凰山段接触网的验收中，发现其使用的棘轮补偿装置普遍存在连接架卡滞，使棘轮本体不能正对接触网下锚支而形成夹角，给运行带来安全隐患，本文据此展开分析研究。

1 棘轮补偿装置结构及安装概况

棘轮补偿装置是张力自动补偿装置中的一种，安装在锚段的两端，并且串接在接触线和承力索内，其作用是补偿线索内的张力变化，使张力保持恒定[1]。棘轮补偿装置通过调节坠砣组重量实现接触线（或承力索）张力恒定，其机械传动变比一般为1∶3。棘轮补偿装置主要由棘轮本体、楔子、棘轮连接架、制动卡块、补偿绳、双耳楔形线夹及平衡轮等组成，在六沾铁路接触网使用的棘轮补偿装置结构见图1。

图1 棘轮补偿装置示意图

安装棘轮补偿装置的锚柱同时兼作中间柱且垂直于线路，其棘轮底座框架平行于线路，由于棘轮连接架卡滞，使棘轮在横线路方向不能自由转动，在接触网下锚支改变方向时，平衡轮及其与小轮间的工作补偿绳也跟着发生偏移，如图2所示，棘轮连接架如图3所示。

在图2所示的工作状态下，田野侧小轮与平衡轮间的补偿绳向大轮轮齿偏移靠近，在线索伸长小轮收缩补偿绳的过程中容易造成补偿绳与大轮轮齿的安全距离不足而摩擦，形成安全隐患。

图2 平衡轮与小轮补偿绳工作图

图3 棘轮连接架示意图

2 接触网下锚支偏角对补偿绳偏移量分析

2.1 偏移量关系式的确定

为了便于分析计算，以连接架卡滞使棘轮处于平行于线路的状态进行推导，其棘轮在接触网下锚支偏角的作用下几何平面位置可简化为图4。

图4 平衡轮及补偿绳在下锚支偏角作用下平面位置图

在图4所示的三角形ACD 中CD 的长度d 即补偿绳偏向大轮的偏移量，由三角函数可得：

由棘轮补偿的传动变比为1∶3 可得AB= 2/3R + h。则：

2.2 下锚支偏角θ 与补偿绳偏角α 关系式的确定

在图2所示的接触网下锚支改变方向后，平衡轮在D 点位置发生变化，其D 的变化轨迹为一个椭圆，其中A，B 为2 个焦点，AD + DB 为长轴长度，AB 为焦距长度，其数学模型如图5所示。

图5 平衡轮偏移的数学模型图

在图5中，由平面几何关系可知θ 即为接触网下锚支向下锚方向的偏角，长半轴为a，短半轴为b，半焦距为c，则椭圆方程可以表示为

则其参数方程可以表述为

式中，t 为参数（为方便，t 为与y 轴顺时针方向夹角）。

当小轮与平衡轮两侧补偿绳平衡时，平衡轮在D(b,0)处，当接触网下锚支改变方向产生夹角时，平衡轮在D′(X,Y)处，此时D 点与D′点出现一个偏角∠DAD′，即为田野侧小轮补偿绳向大轮轮齿偏移的角度，设其为a，在t= θ 时，代入式（3），有D′(X,Y)点的坐标为

由平面几何关系并将式（4）代入，有：

由式（5），得到：

在图2中，小棘轮与平衡轮间补偿绳的单边工作范围为390～2 000 mm[2]，经测量对应的AB 距离分别为280、400 mm，则由椭圆方程式（2）中的参数关系得到：

对于时速v≤160 km 的线路，接触网下锚支水平面内改变方向的偏角其安全值≤12°[3]，因此以0≤θ≤20°的范围来确定a 与θ 的关系，以ζ= θ - a表征两角度的关系，将上述参数代入式（6）进行计算，得出如图6所示的θ 与ζ 的关系曲线。

图6 θ 与ζ关系曲线图

从图6可知，在2 条曲线之间的区域为小轮与平衡轮间补偿绳工作范围内θ 与ζ 的曲线分布，其ζ 较小，近似的认为θ= α。

2.3 田野侧补偿绳偏移量计算式的确定

由θ= α 并代入式（1），得出线路侧小轮补偿绳偏向大轮轮齿的关系计算式：

棘轮连接架卡滞，使得棘轮本体在横线路方向不能摆动或者摆动不完全，其田野侧补偿绳向大轮轮齿的偏移角度应减去棘轮本体自身偏转的角度τ，则式（7）修正为

3 工程实例

在六沾铁路背开柱车站78#柱，大轮的半径R= 240 mm，大轮至轮齿的高度h= 30 mm，侧面限界C= 3 300 mm，YGT70-350/12.5 独立钢锚柱的宽度k= 600 mm，转换柱至棘轮中心的距离 L=50 000 mm，棘轮本体偏转τ= 0°，其小轮田野侧补偿绳偏移d 的计算式如下：

θ= arctan[(C + k / 2)/L]= 4.12°

由图4及椭圆方程式（2）中的参数关系计算可得tanβ≤0.25、tan(θ-τ)≤0.21，为了在工程上计算方便，近似认为：

则小轮田野侧补偿绳向大轮偏移的距离：

d=(2 / 3R + h)×tan(θ - τ)= 13.7 mm

参见图4、图5，在棘轮与平衡轮的中心线重合的状态下，2 小轮补偿绳沿中心线对称，平衡轮的直径r= 100 mm，小棘轮与平衡轮间补偿绳的单边工作范围为390～2 000 mm，其补偿绳在对称的状态下偏向大轮的偏移距离d′可由式（9）计算：

将对应的参数（b= 364 mm，c= 140 mm）、（b= 1 990 mm，c= 200 mm）、r= 100 mm 代入式（9）可得d′的范围为47～14.3 mm。经测量大轮半宽 83 mm，补偿绳直径φ= 10 mm，则两小轮补偿绳在正常对称运行状况下与大轮轮齿的净间距为5～97.7 mm。

由计算结果可知，棘轮连接架卡滞使两侧小轮补偿绳在平面内对大轮的间距不均衡，在线索伸长小轮收缩补偿绳的过程中，容易造成田野侧小轮补偿与大轮轮齿的安全间距不足甚至发生摩擦，产生安全隐患，特别是在下锚支偏角相对较大的困难地段危害更加严重。

4 结语

综上所述，棘轮连接架卡滞使得两侧小轮补偿绳在平面内对大轮的间距不均衡，其田野侧小轮补偿绳向大轮轮齿方向偏移，偏移量的大小受棘轮连接架卡滞程度和接触网下锚支偏角大小的影响。田野侧小轮补偿绳向大轮轮齿方向偏移，在运行中造成补偿绳与大轮轮齿的安全距离不足，容易产生摩擦而形成安全隐患。 因此，在棘轮补偿装置的安装中，要对连接架的卡滞高度重视，其措施是在安装过程中严格执行工艺标准，对长螺栓销的螺帽不能拧得过紧，并确认框架角钢不压迫连接架自由转动后，再进行下一步安装工序，以确保棘轮补偿装置投运后安全运行。

[1]于万聚．高速电气化铁路接触网[M]．成都：西南交通大学出版社，2003．

[2]保定朝雄电气化电力器材有限公司．棘轮补偿安装说明书[Z]．

[3]铁运[2007]69号．接触网运行检修规程[S]．北京：中国铁道出版社，2007．