接触网柱式B型弹簧补偿装置在低净空隧道中的应用

郭亮，卢炳杨，冯新战

（1.中国铁路北京局集团有限公司 北京工程项目管理部，北京 100038；2.中铁电气化局集团第一工程有限公司 第一项目管理（石家庄）分公司，河北 石家庄 050000；3.汉和飞轮（北京）电气化器材有限公司，陕西 西安 710086）

0 引言

随着我国电气化铁路运营里程的逐年增长，接触网零部件制造技术随之快速发展，各种接触网下锚补偿装置趋于成熟。下锚补偿装置是铁路接触网在环境温度发生变化时保持其张力稳定的装置，可确保电力机车受电弓与接触线可靠接触、受流良好；其性能的优劣直接影响接触网的工作弹性及线索在空间中的位置状态等，对于降低接触网故障率具有重要意义。补偿装置有滑轮补偿、棘轮补偿、弹簧补偿、液压补偿等类型，前2种为重力式补偿，后2种为设备类补偿。目前，我国最常见的下锚补偿装置是重力式补偿，但在低净空隧道、桥梁和一些铁路限界等空间受限的条件下，重力式补偿装置往往不能满足安装需求。既有铁路特别是山区铁路由于受低矮隧道和铁路限界等狭小空间的客观条件影响，接触网传统下锚悬挂补偿坠砣的距离、空间等不能满足设计规范要求，因此只能采用无坠砣的且能使接触网在工作状态下产生持续稳定张力的设备类补偿装置［1-5］。

1 工程概况

京原铁路始建于1965年11月，于1972年7月通过初步验收，同年12月31日正式交付原北京铁路局接管使用。京原铁路电气化改造工程中国铁路北京局集团有限公司管段正线长233.971 km，主要工程为既有铁路电气化改造，其中既有隧道121座，总长75.977 km，隧线比32.47%，线路设计时速120 km。由于隧道建成年限较早，一方面是隧道运用至今，已存在多种病害，不建议对隧道进行扩建；另一方面是在早期隧道建设过程中，没有预留电气化设备安装条件，且无预留的落锚洞室，因此重力式补偿落锚无法安装，需考虑应用弹簧补偿装置。

2 柱式B型弹簧补偿装置

2.1 基本原理

柱式B型弹簧补偿装置采用双重或三重圆柱螺旋弹簧串联组合结构，配以内、外套筒固定并连接，弹簧材质为高强度弹簧钢，弹簧材质性能是弹簧装置性能的决定因素。在端头连接处施加接触网线材张力后，套筒可被拉出，通过套筒、弹簧间的力传导，内、外弹簧均处于轴向受压状态，并承受荷载，其张力输出与弹簧的轴向变形量基本为线性关系［6］。其结构见图1。

图1 柱式B型弹簧补偿装置结构

柱式B型弹簧补偿装置在使用前应进行综合评估，需要充分了解线路的使用环境，并根据线路使用的最长锚段的长度、线型、气温、设计张力、设计车速等条件进行计算，计算出弹簧补偿器的必要标准伸缩量，然后根据计算结果确定弹簧补偿器的使用型号。柱式B型弹簧补偿装置在使用前需要进行安装设计，一般分为隧道内安装和隧道外安装，隧道内安装需要根据隧道角度设计锚臂和连接零部件；隧道外安装需要根据柱型设计连接零部件，而设计连接零部件时，应以简单、可靠、安装方便为原则。柱式B型弹簧补偿装置主要规格及基本参数见表1，超出表1范围的规格及基本参数可由供需双方商定，弹簧补偿装置主要零部件组成见图1（b）中零件编号1—7。

表1 弹簧补偿装置主要规格及基本参数

2.2 装置特点

柱式B型弹簧补偿装置采用的原材料为高强度弹簧钢，每根弹簧在组装前都通过压力和稳定性试验，确认每根弹簧的张力范围和强度等级，以便分组配对组装。同时，弹簧补偿器是由2层或3层的多根弹簧组成，每根弹簧串联在小筒或中筒上，组装时将所有弹簧压缩在一起，如果出现弹簧断裂，相应的断裂位置在压缩力作用下密贴在一起，其张力及行程只会受到细微的变化，不影响线路正常运行。因此，每台弹簧补偿器的张力稳定性好、可靠性强，可长期使用。另外，这类装置具有结构简单、安装便捷的特点，无需占用很大空间，可在高度和空间受限的区域或隧道内安装使用。

柱式B型弹簧补偿装置在日本新干线中应用达3万台以上（见图2），截至2020年，日本市场占有率达58%。日本新干线30多年的应用实践证明这类装置具有免维护的特性。柱式B型弹簧装置自引进我国以来，不仅应用于普通环境状况下的线路（如宜万铁路），同时也应用于大风、低温、积雪等特殊环境状况下的线路（如中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司的精伊霍铁路、中国铁路哈尔滨局集团有限公司的滨洲铁路海拉尔段）。截至目前，柱式B型弹簧补偿装置在各线路上安装后运行稳定。

图2 柱式B型弹簧补偿装置在日本新干线的应用

2.3 性能要求

弹簧补偿装置外壳应保证色泽均匀，表面无明显碰伤、划痕；刻度牌刻度清晰，装配后无卡滞现象，各筒间间隙均匀，各连接件安全可靠。弹簧补偿装置在其额定工作行程范围内连续做2次张力偏差试验，2次结果均应符合TB/T 2073—2020的规定［7］。

3 与其他弹簧补偿装置对比分析

目前，我国应用的弹簧补偿装置除了柱式B型弹簧补偿装置，还有涡卷式弹簧补偿装置、液压式蓄能弹簧补偿装置等，不同接触网补偿装置各具特点。

3.1 涡卷式弹簧补偿装置

涡卷式弹簧补偿装置的张力输出比较平稳，偏差值较小，在结构上可实现的补偿距离较大；但从该装置的使用效果来看，其结构存在缺陷导致卷簧受力变化，造成弹簧卷制不合理，且不能直接观察筒内弹簧状况，失效时难以发现。针对涡卷式弹簧补偿装置中涡卷弹簧失效的问题，通过化学成分、断口形貌、金相组织、硬度测试等方法对其失效原因进行分析，并利用ABQUS软件对涡卷弹簧工作时的应力分布进行模拟仿真。结果表明，由于热处理工艺控制不当，涡卷弹簧表面出现脱碳层，硬度降低，以至难以承受周期性冲击载荷，导致过早失效；另外，脱碳层诱发内部裂纹，造成残余应力上升，也是该弹簧失效的主要原因。涡卷式弹簧补偿装置在应用中已经出现因弹簧断裂、结构卡滞导致线路补偿功能丧失等问题，给铁路运输带来了安全隐患［8］。

3.2 液压式蓄能弹簧补偿装置

液压式蓄能弹簧补偿装置是利用气缸内气体和液体体积变化来控制接触网中的张力，体积变化导致活塞的轴向运动，以此来调节接触网所要求的张力。该装置特点是张力输出平稳，但补偿距离较短，易漏油造成蓄能装置功能丧失，导致补偿功能失效［4］。另外其维护频繁，每年都需要调整缸内液体压力，给运维单位带来不少困扰。

3.3 装置对比分析

通过分析涡卷式弹簧补偿装置、液压式蓄能弹簧补偿装置，得出3种弹簧补偿装置对比分析结果（见表2）。

表2 弹簧补偿装置对比分析结果

4 柱式B型弹簧补偿装置应用

4.1 仿真分析

西南交通大学使用ANSYS搭建弓网动态仿真模型，开展仿真计算并进行结果分析［9］。分析承力索和接触线张力分别为额定工作张力的85%、100%、115%时3种情况，动态仿真结果见图3、图4。

图3 160 km/h张力变化对接触网弓网受流的影响

图4 250 km/h张力变化对接触网弓网受流的影响

依据西南交通大学试验动态仿真模拟得到的结论：（1）列车速度≤250 km/h时，±15%的张力变化率对接触网弓网正常受流没有影响；（2）列车速度在250～300 km/h时，±9%的张力变化率也对接触网弓网正常受流没有影响。同时，TB/T 2073—2020中也规定了B型弹簧补偿装置张力偏差≤10%的要求。

4.2 京原铁路电气化改造工程中的应用

对于京原铁路电气化改造工程中的隧道内架空接触网来说，应尽可能适应既有隧道断面，隧道内应设计较低的结构高度，并缩小跨距；隧道支持装置的选择取决于隧道横截面和隧道顶部的高度，支持装置应选用横向支持装置的类型。在任何工作条件下，接触网绞线、线索和其他部件所受的力必须在允许范围以内，如果侵入安全限界或最小限界将可能出现危险。在京原铁路电气化改造工程施工中，避免设备侵限是首先需要考虑的问题，因此传统重力式落锚补偿装置无法应用，需要采用弹簧补偿装置。

柱式B型弹簧补偿装置因其结构特点，空间需求主要为纵向，设备可在隧道上方沿铁路方向布置，能充分解决京原铁路既有隧道因空间不足所导致的基本限界和电气绝缘等问题。上述涡卷式弹簧补偿装置和液压式蓄能弹簧补偿装置虽然设备总体结构要比柱式B型弹簧补偿装置小，但对隧道内横向空间要求较高，对满足基本限界和电气绝缘距离有较高要求，不适用于京原铁路等老旧隧道。此外，对于落锚补偿效率要求不小于97%（效率即实际测量的张力与要达到的张力之比，该值要尽可能高），水平张力的变化值不超过3%。安装柱式B型弹簧补偿装置后，经耐拉伸荷载试验和现场安装实际检测后，落锚补偿效率均能满足设计要求。

5 结束语

柱式B型弹簧补偿装置是我国接触网中使用的一种较新型的弹簧补偿装置，具有安全可靠、使用寿命长、基本免维修维护等特点，解决了京原铁路电气化改造工程中低净空隧道接触网下锚安装存在的实际难题［10］。柱式B型弹簧补偿装置作为传统下锚补偿方式的补充，为受到地形或空间限制以及铁路限界制约区段的接触网下锚问题的解决提供了一种新的方式，具有较好的应用前景。

此外，柱式B型弹簧补偿装置本体较重，单纯依靠人力安装难度大，需要配合起重设备或施工机械进行安装。考虑到线路运营后，受天窗施工时间限制和起吊安装空间限制，维修更换柱式B型弹簧补偿装置本体不太方便。因此，柱式B型弹簧补偿装置进一步轻量化是其今后研究改进的方向。