石太客运专线接触网TENSOREX弹簧补偿器存在的问题分析及解决方案

李继荣,宋新江

(北京铁路局石家庄供电段,石家庄 050000)

石太客运专线是我国最早开工建设的高速客运专线,也是第一条开通运营的山区高速客运专线,其牵引供电系统采用了大量的新设备、新技术。接触网设计主要借鉴了法国技术,其中车站两侧咽喉区、隧道预留偏差处、无交叉线岔等下锚,采用了西班牙生产的弹簧补偿装置。该装置在我国为首次应用,其原理先进、整体结构小,安装维护方便等特性充分显示了其先进性,但在接触网整体配套使用以及使用环境等方面存在一些问题,具体分析如下。

1 TENSOREX弹簧补偿器结构及原理

TENSOREX弹簧补偿器可以在因日夜或冬夏温差引起的热胀冷缩的情况下保接触网的恒张力。TENSOREX弹簧补偿器通过一个拥有不变半径滑轮与另一个拥有可变半径的滑轮安装在同一个轴上,与接触悬挂相连。根据弹簧的总伸展长度在拉伸到1/2时预加负荷,弹簧预先加载了相当于弹簧行程总长1/2的力,这不断变化的弹力在其行程以内,由连接在线索上的可变半径滑轮来补偿,在滑轮系统中这2个力矩是相等的。线索张力在弹簧行程中保持不变。连接在接触悬挂上的滑轮半径变化补偿弹簧伸展时张力的变化,滑轮系统上的2个转矩保持平衡,从而实现接触悬挂上的张力在弹簧伸展时实际保持不变。

2 TENSOREX弹簧补偿器设计安装方案

石太客运专线设计中在无柱雨棚内接触网下锚、高速车站两侧咽喉区范围内、隧道预留偏差处或第三组辅助悬挂无交叉线岔布置引起的接触网对向下锚处,下锚补偿采用TENSOREX弹簧补偿器,石太客运专线共计设置26组,弹簧补偿器型号为TR1100/1500+TR1100/1250,并且给出了具体安装位置(表1),其他处所全部采用无油润滑铝合金大滑轮补偿装置。

表1 TENSOREX弹簧补偿器安装位置

3 TENSOREX弹簧补偿器运行过程中存在的问题及原因分析

3.1 TENSOREX弹簧补偿器运行中存在的问题

TENSOREX弹簧补偿器自投入运行以来出现了以下问题。一是接触悬挂整锚段向铝合金大滑轮补偿处严重偏移且中心锚结也跟随偏移的现象；二是在低温时观察TENSOREX弹簧补偿器面板上显示温度指针经常超出刻度范围；三是石太客运专线开通初期,发现所有TENSOREX弹簧补偿器弹簧行程不足,温度指针与环境温度相差甚远,造成整锚段接触悬挂不能有效进行张力补偿。

3.2 原因分析

(1)接触悬挂整锚段向铝合金大滑轮补偿处严重偏移且中心锚结也跟随偏移现象的原因分析

从设计方案上可知为节省投资,整个锚段的设计一端为TENSOREX弹簧补偿器，另一端为无油润滑铝合金大滑轮补偿装置,中心锚结采用三腕臂安装形式，如图1所示。

图1 三腕臂中心锚结安装形式

从图1中可知中锚处采用H形钢柱,此钢柱100%标准检验弯矩下的挠度为柱顶40 mm、柱中为18 mm；100%扭矩下的偏移量柱顶为34 mm。由于钢柱允许偏移量和挠度的存在,此钢柱在受到两侧不等的作用力时,其柱顶会发生偏移。厂家提供的安装使用说明上也明确指出补偿器在双端补偿时应成对使用,如采用防串、防断中心锚结时,可允许线索两端使用不同的补偿装置。也就是说当采用了三腕臂的中心锚结形式时,是不能一端使用TENSOREX弹簧补偿器另一端使用无油润滑铝合金大滑轮补偿装置的。

整个锚段的设计一端为TENSOREX弹簧补偿器，另一端为无油润滑铝合金大滑轮补偿装置,由于无油润滑铝合金大滑轮补偿装置传动效率很高,《电气化铁道零部件》(TB/T2075.37—2002)标准要求:补偿坠砣上升时效率≥97%;补偿坠砣下降时效率≥98%；补偿滑轮组传动效率试验数据见图2,从图中数据可以看出,传动效率很高。而弹簧补偿的传动效率较低,在温度变化导致总是滑轮补偿装置先给补偿力,长期如此就造成了整锚段向滑轮补偿装置偏移。

图2 补偿滑轮组传动效率试验数据

(2)在低温度时观察TENSOREX弹簧补偿器面板上显示温度指针经常超出刻度范围的原因分析

厂家使用说明书规定：TENSOREX弹簧补偿器必须在弹簧补偿器凸轮刻度盘标刻的环境温度范围内进行施工、安装；连接接触线和承力索后,必须进行精调,保证弹簧凸轮指针与凸轮刻度盘标刻的跨距(中心锚结与线索连接点的距离)与温度交叉点重合；当弹簧补偿器凸轮刻度盘标注的温度范围,仅为了施工、安装使用,当现场环境温度超过弹簧补偿凸轮刻度盘标刻的温度时,在确认线索补偿量和弹簧补偿量相符的情况下,弹簧补偿器均能正常工作。但TENSOREX弹簧补偿器面板上显示温度范围为-25～45 ℃,而实测东陵井站站区的实际最低温度为-33 ℃,山西省气象局公布的气象资料显示阳曲县历史最低温度为-35.6 ℃,说明TENSOREX弹簧补偿器已经不适应在此区段使用。虽然生产厂家给出了弹簧补偿器凸轮刻度盘标注的温度范围,仅为了施工、安装使用,当现场环境温度超过弹簧补偿凸轮刻度盘标刻的温度时,在确认线索补偿量和弹簧补偿量相符的情况下,弹簧补偿器均能正常工作的说明,但是接触网故障大多数发生在恶劣天气下,一旦在凸轮刻度盘标注的温度范围外发生设备故障时将无法进行安装调试。

(3)石太客运专线开通初期,发现所有TENSOREX弹簧补偿器弹簧行程不足,温度指针与环境温度相差甚远,造成整锚段接触悬挂不能有效进行张力补偿的原因分析

《客运专线铁路电力牵引供电工程施工技术指南》(TZ208—2007)规定客运专线的接触线、承力索架设应采用恒张力架线,架线张力应根据线材的材质、额定张力等因素选取,且不应小于线盘绕线张力,架线张力偏差不大于8%,但银铜导线最小架线张力不宜小于8 kN,镁铜、锡铜导线最小架线张力不宜小于工作张力的70%。放线速度宜为3～5 km/h并应保持匀速恒定。客运专线采用坠砣超拉法时,应在起、下锚两端同时分级加坠砣,每次增加坠砣的重力为总重力的20%。卸载时两侧起落锚应同时进行。

以上规定是根据日本、法国、德国的经验,结合京郑线、广深线的施工经验,为保证施工中悬挂架设、一次调整到位和提高运营中接触悬挂的稳定性、减少维修的目的制定的,超拉张力的大小、时间与线材的性能,超拉环境等因素有关,并应考虑对线索相连的金具、支持结构、支柱、基础的强度、稳定性的影响。

石太客运专线因工期较紧大部分线索没有采用恒张力放线,也没有做线索的超拉,导致线索的初伸长没有克服。设备运行后由于线索初伸长的存在,造成TENSOREX弹簧补偿器行程相对不足,温度指针与环境温度相差甚远,整锚段接触悬挂不能有效进行张力补偿。

4 TENSOREX弹簧补偿器设置改进方案

4.1 针对上述问题一的改进方案

整个锚段的设计一端为TENSOREX弹簧补偿器另一端为无油润滑铝合金大滑轮补偿装置,出现的接触悬挂整锚段向铝合金大滑轮补偿处严重偏移且中心锚结也跟随偏移的整改方案如下。

针对中心锚结为三腕臂的安装形式,由于现场限界条件受限又不能改造为即防断又防串的两跨式中心锚结的锚段,处理方案是将一端的铝合金大滑轮补偿更换为与另一端同型号的TENSOREX弹簧补偿器,或将一端的TENSOREX弹簧补偿器更换为与另一端同型号铝合金大滑轮补偿装置,保证两端补偿的一致性。

针对中心锚结为三腕臂的安装形式,现场限界条件不受限的锚段,处理方案是：首先将一端的铝合金大滑轮补偿更换为与另一端同型号的TENSOREX弹簧补偿器,或将一端的TENSOREX弹簧补偿器更换为与另一端同型号铝合金大滑轮补偿装置,保证两端补偿的一致性。其次改变其中锚安装方式,将三腕臂中心锚结改变成两跨式防断、防串安装方式如图3所示。

图3 两跨式中心锚结安装

从图3中可知两跨式中锚在中锚支柱相邻的两棵支柱上分别增加了辅助绳,即使在两端补偿力存在一定的差异时，其柱顶也不会发生偏移现象。解决了中锚钢柱在受到两侧不等的作用力时发生偏移的现象。

4.2 针对上述问题二的改进方案

一旦在凸轮刻度盘标注的温度范围外发生设备故障时TENSOREX弹簧补偿器将无法进行安装调试的改进方案如下。

针对现场环境温度超过TENSOREX弹簧补偿器凸轮刻度盘标注的温度范围的区段,一旦在凸轮刻度盘标注的温度范围外发生设备故障时将无法进行安装调试的实际情况,采取直接拆除不适用区段的TENSOREX弹簧补偿器,更换为无油润滑铝合金大滑轮补偿装置的处理方案。

4.3 针对上述问题三的改进方案

石太客运专线开通初期,所有TENSOREX弹簧补偿器弹簧行程不足,温度指针与环境温度相差甚远,造成整锚段接触悬挂不能有效进行张力补偿的改进方案如下。

由于石太客运专线的线索全部为新设备,存在线索蠕变初伸长问题,而TENSOREX弹簧补偿器安装时无法考虑这种因素,造成补偿张力和补偿范围不足。针对这种情况,对使用TENSOREX弹簧补偿器发生偏移和TENSOREX弹簧补偿器补偿绳余量不足的锚段线索均采用掐线法重新做落锚的方法进行精调。首先确认弹簧补偿器型号规格是否正确,保证弹簧凸轮指针与凸轮刻度盘标刻的跨距(中心锚结与线索连接点的距离)与温度交叉点重合。其次是必须在弹簧补偿器凸轮刻度盘标刻的环境温度范围内进行调整、安装。

5 改进后的效果

经过对改造后的锚段的监测,没有发现整锚段偏移现象,也没有发现中心锚结偏移现象,通过接触网动态检测车的监测数据分析,改造后的锚段弓网受流情况良好。当温度变化幅度过大时,没有出现因弹簧张力变化不及时,造成弹簧补偿不动作的现象。没有出现因TENSOREX弹簧补偿器变化不及时造成接触线出现负弛度,影响受电弓正常取流的情况。

[1]于万聚.交流电气化铁道接触网设计基础[M].北京：中国铁道出版社,1980.

[2]电气化勘测设计院.高速铁路牵引供电技术研究[M].北京：中国铁道出版社,1995.

[3]Kiebling,Puschmann,Schmieder.电气化铁道接触网[M].中铁电气化局集团，译.北京：中国电力出版社,2004.

[4]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,1992.

[5]朱飞雄.《客运专线铁路电力牵引供电工程施工质量验收暂行标准》(接触网部分)宣贯要点[J].铁道标准设计,2006(3)：88-92.