地铁既有线接触网弹簧补偿方式改造研究

郑 杰，杨辉金，刘文韬，王 能

0 引言

在柔性接触网系统中，为保持接触网的张力和减小接触线的弛度，每个锚段均设置补偿装置。随着温度的变化，补偿装置自动调节从而维持接触网系统张力恒定，为电客车提供安全稳定的取流条件。我国地铁接触网一般采用弹簧补偿装置和棘轮补偿装置作为高架段接触网的张力补偿装置。

随着城市轨道交通的蓬勃发展, 补偿装置也在不断改进，早期的补偿装置采用滑轮补偿，滑轮轮径为130 mm，轮径过小，与补偿绳间配合不甚合理，补偿效果较差[1]。20世纪90年代后期，我国引进了法国铝合金补偿滑轮组、德国棘轮、日本弹簧补偿器等补偿装置。目前在地铁柔性接触网系统中，普遍采用弹簧补偿装置和棘轮补偿装置，本文就两者的性能进行比较，基于工程实际对弹簧补偿装置改造为棘轮补偿进行研究探讨。

1 地铁接触网补偿装置比较

1.1 弹簧补偿装置

目前在实际工程中应用的弹簧补偿装置分为卷簧和压簧两种形式，其原理是在套筒内置入恒张力弹簧片或弹簧，因环境温度变化而引起接触线张力改变时，依靠套筒内弹簧片或弹簧进行张力补 偿。弹簧补偿装置主要特点是体积小，占用空间小。以某品牌恒张力弹簧补偿装置为例，其主要由本体、补偿绳、固定销轴、平衡板等组成，见图1。

图1 弹簧补偿装置

恒张力弹簧补偿装置本体由若干组平面涡卷弹簧并联组成，中间由轴承连接并与本体外两侧的渐开线轮连接。接触网的承力索或接触线通过补偿绳连接在渐开线轮上，当环境温度变化时，承力索或接触线热胀冷缩，线索长度发生变化，渐开线轮驱动预紧储能的弹簧片回收或释放，促使补偿绳缩短或伸长[2]。弹簧片工作在最佳弹性变化范围内，在与渐开线轮配合后张力输出基本呈线性变化。当发生断线事故时，补偿端将会冲击回缩。为减小事故影响范围，利于尽快修复，基于楔形制动的原理设置了安全制动装置。由于采用恒张力补偿，运营维护人员需定期在环境温度下测量补偿绳长度及张力，从而了解掌握补偿装置的张力衰减情况。

1.2 棘轮补偿装置

棘轮补偿装置可以看作是一种绳-轮相互作用的系统，由棘轮和坠砣两部分组成。棘轮补偿装置主要由棘轮本体、棘轮轴、制动架、限制架、摇杆、补偿绳及平衡轮组成。图2所示为一种典型的棘轮补偿装置结构[4]。

图2 典型棘轮补偿装置结构

棘轮补偿装置工作时，小轮上缠绕的补偿绳连接到平衡轮，最终与接触线或承力索下锚绝缘子相连，大轮上缠绕的补偿绳连接至补偿坠砣。棘轮大轮和小轮的直径比通常为3∶1，大轮上带有棘齿，棘轮通过摇杆安装在连接架上。在正常工作状态，制动架与大轮之间保持一定的间隙，棘轮通过转动实现对接触线或承力索张力的自动补偿。当接触线或承力索发生断线时，棘轮下坠，制动架和棘齿的作用使棘轮不再转动，实现断线制动。

1.3 接触网下锚补偿装置对比

弹簧补偿装置和棘轮补偿装置性能对比如表1所示。

表1 弹簧补偿与棘轮补偿装置性能对比

由表1可知，棘轮补偿装置较弹簧补偿装置具有张力稳定、经济效益好的优点，且安装过程更加简便。

2 弹簧补偿装置实际应用分析

近年来，因为弹簧补偿装置体积小、占用空间少等特点被广泛应用于地铁接触网系统，但随着弹簧补偿装置使用年限的增加，其内部核心部件弹簧会发生张力衰减，当张力衰减过大，补偿装置将失效，接触网易发生吊弦偏移、定位偏移，甚至出现打弓、钻弓，造成弓网事故。

某城市地铁A线I-3锚段A035#下锚承力索、接触线弹簧补偿器平衡板在运行中出现错位，中锚偏移300 mm，随后运营人员在排查中发现枢纽综合场两端咽喉区弹簧补偿下锚处平衡板错位严重，且渐开线轮绕圈已超出其工作范围，同时其他7条股道的接触网也出现了锚段严重偏移的情况[3]。

某城市地铁B线高架段接触网采用恒张力弹簧补偿装置，在开通使用一年后，内部弹簧断裂引发撞弓故障。

某城市地铁C线高架段在开通7年后部分恒张力弹簧补偿装置出现了不同程度的张力衰减，其中12.5 kN弹簧补偿装置张力衰减超过6%的占比为31.9%，25 kN弹簧补偿装置张力衰减超过6%的占比为25.7%。

以上故障的原因主要是由于弹簧补偿装置的张力自动补偿失效，从而导致平衡板错位、锚段偏移或撞弓。张力自动补偿失效的直接原因是装置内部关键部件弹簧失效。文献[5]对弹簧补偿装置弹簧失效的原因进行了研究，通过仿真分析得出弹簧失效的主要形式为表面或次表面的疲劳断裂，主要原因有：（1）由于热处理工艺不当，导致表面脱碳层的存在，造成弹簧表面硬度和强度急剧下降，难以承受周期性的冲击载荷，脱碳层诱发内部产生裂纹；（2）弹簧脱碳层和内部魏氏组织的存在，造成弹簧在工作条件下内应力过大。

基于以上实际工程案例分析，弹簧补偿装置虽广泛应用于地铁接触网系统，然而部分城市线路运用情况不佳，有必要针对既有线弹簧补偿装置实际运用情况进行改造。

3 改造可行性分析

针对既有线因建设初期确定的补偿方式为弹簧补偿的情况，为保障接触网设备张力稳定及安全可靠，宜对其进行改造，可改造为棘轮补偿方式。既有线路改造需要结合线路实际情况进行分析研究，弹簧补偿装置的改造涉及原有补偿装置的拆除，同时需考虑棘轮补偿装置的安装参数要求，特别是线路支柱在疏散平台之间、上下行同杆的情况，需要解决坠砣安装空间与疏散空间的冲突；还需要考虑接触线与承力索下锚对导高的影响。本文以某城市地铁D线高架接触网为研究对象，对CH型弹簧补偿装置改造为棘轮补偿装置进行分析。

3.1 接触网参数

D线高架接触网采用柔性接触网，全补偿简单链形悬挂，具体参数见表2。

表2 D线高架接触网参数

3.2 安装形式的选取

对于同杆下锚的承力索和接触线，棘轮补偿装置有两种安装形式：一种是上下布置，承力索位于接触线上方，该布置会增加支柱的高度和容量；另一种为接触线和承力索下锚棘轮水平布置，两个棘轮安装在支柱的两侧，该布置可以降低支柱的高度。上述两种安装形式在工程中皆有应用，为保持D线前期设计的拉出值布置以及补偿装置安装方式的一致性，本次改造选择第一种方式，即上下布置的安装方式，安装图见图3。

图3 棘轮补偿装置安装示意图

3.3 棘轮补偿装置及坠砣参数

3.3.1 棘轮补偿装置主要参数

棘轮补偿装置主要参数包含补偿绳长度（a值、b值）、本体大轮/小轮半径、工作行程、限制架长度，具体参数见表3。

表3 棘轮补偿装置主要参数

改造前弹簧补偿装置工作行程为0～1300 mm，为保证改造前后接触网线索参数一致性，需要将棘轮补偿装置的行程进行折算，计算棘轮补偿装置工作行程L1为

式中：k为传动比，k= 3；L选择最长锚段长度（半锚），该锚段无中锚，因此取L= 822 m；α为膨胀系数；Tmax为最大计算温度；Tmin为最小计算温度。由此可得限制架长度L2为

3.3.2 坠砣参数

为减小坠砣对疏散平台的影响，需尽量减小坠砣串的长度，选择采用体积小、密度大的铅坠砣，单片坠砣质量40 kg，直径460 mm，厚度35 mm。承力索棘轮补偿坠砣串长度为

式中：l为单个坠砣厚度，为35 mm；F1为承力索补偿张力，为12 kN；G为单个坠砣重力，为400 N。

由此可得承力索补偿串长度L3= 350 mm，接触线补偿串长度L4= 700 mm。

3.4 疏散平台改造

经现场勘测，D线疏散平台距轨平面的最大距离h2= 882 mm。按接触线高度为5000 mm计算，疏散平台至棘轮补偿装置下沿的最小距离h1为

式中：H为接触线高度，R1为棘轮本体大轮半径283 mm，R2为棘轮本体小轮半径85 mm，h2为疏散平台高度。由此可得h1= 3750 mm。

限制架长度L2取整设置为3600 mm，因此疏散平台与固定支架最小距离h为

由此得h为150 mm，h＜bmin，为保证坠砣串的工作行程和安全距离，需对疏散平台进行改造，具体应拆除棘轮下方的疏散平台，并向轨行区侧安装步梯。改造后不影响应急情况下人员疏散，如图4所示。

图4 改造后的疏散平台

3.5 设备限界

为保障改造后棘轮补偿装置不超限界，选择改造后坠砣串距离线路中心最近的Y14支柱进行验算。改造前设备限界1965.43 mm，改造后设备限界为1825.15 mm，大于B2型车辆设备限界（1581 mm）要求，本次改造不会造成设备侵限，不会对行车造成影响。

4 结语

本文介绍了地铁接触网下锚补偿方式，分别阐述了弹簧补偿装置和棘轮补偿装置的工作原理及优缺点；针对接触网弹簧补偿装置的弹簧张力衰减频发问题，对某地铁既有线弹簧补偿装置进行了改造研究，该改造方案可为同类项目补偿装置的改造提供参考借鉴。