普速铁路电气化改造隧道内接触网下锚补偿方案研究

刘大勇

0 引言

随着我国铁路电气化建设进程的加快，既有普速铁路电气化改造越来越向偏远山区规划发展。进行接触网设计时应尽量避免在隧道内下锚，但是受限于线路条件、隧道情况等，在隧道内预留接触网锚段关节及下锚的情况仍然很多[1]。本文以某铁路电气化改造工程为例对既有铁路电气化改造工程隧道内下锚补偿方式进行分析探讨。

1 隧道内接触网下锚补偿装置

国内外电气化铁路隧道内普遍采用滑轮组+坠砣、棘轮+坠砣、弹簧补偿、液压补偿4种下锚补偿方式[2]，各种补偿装置现场安装效果如图1所示。

1.1 滑轮组补偿

滑轮组补偿装置通过滑轮组的变比实现坠砣串重力与线索张力的平衡。在线索长度随温度的变化而发生变化时，动滑轮与静滑轮间的距离伸长或缩短以及坠砣串上下移动，使施加于其上的张力仍维持在恒定状态。滑轮组补偿装置应用于隧道内时，需要在隧道顶部安装重型锚臂，侧面安装动/定滑轮、支架、坠砣限制架及铁坠砣串。

1.2 棘轮补偿

棘轮补偿装置中棘轮本体的作用是调节坠砣串重力与连接的线索张力之间的机械变比。在线索长度随温度的变化而发生变化时，棘轮随之发生相应转动，使得施加于其上的张力仍维持在恒定状态。棘轮补偿装置应用于隧道内时，一般在隧道壁上预留的槽道内安装棘轮下锚底座及棘轮补偿装置，在槽道下方隧道壁安装小车式坠砣限制架及方形铁坠砣串。

1.3 弹簧补偿

弹簧补偿装置因弹簧结构形状不同，分为涡卷式弹簧补偿和柱式弹簧补偿两种。

1.3.1 涡卷式弹簧补偿装置

涡卷式弹簧补偿装置基本结构如图1所示，其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，渐开线轮与外筒形成一个整体，补偿绳缠绕在渐开线轮上。当连接的线索因环境温度变化伸长或收缩时，带动渐开线轮旋转，渐开线轮驱动预紧储能的平面涡卷弹簧卷紧或释放，促使补偿绳缩短或伸长，即实现张力补偿。

图1 涡卷式弹簧补偿装置（单位：mm）

1.3.2 柱式弹簧补偿装置

柱式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，其内部结构如图2所示，弹簧材质为高强度弹簧钢，其性能是弹簧装置性能的决定因素[3]。受到线索张力的作用后，柱式弹簧补偿装置套筒被拉出，通过套筒、弹簧间的载荷传递，内、外弹簧均处于轴向受压状态。当环境温度变化时，线索受热胀冷缩作用长度发生变化，此时柱式弹簧也随之伸长或缩短以提供张力。

1.4 液压补偿装置

液压补偿装置的结构为一个单作用的动作缸外环套蓄能筒，两端密封，活塞式动作杆安装在动作缸内，组成一个密闭的独立循环系统。液压式补偿装置采用无源自适应技术，通常以惰性气体作为蓄能介质，以液压油作为工作介质，利用气体的热胀冷缩特性在环境温度变化时推动液压缸活塞，以活塞杆伸出或缩进对接触网线索因环境温度变化引起的长度变化进行自动补偿并保持张力恒定。液压补偿原理如图3所示。

图3 液压补偿原理

2 补偿装置在隧道内安装技术性能对比

几种补偿装置在隧道内安装时的技术性能对比如表1所示。

表1 隧道内下锚补偿方式技术性能对比

从以上技术指标、应用情况等对比可以看出，棘轮补偿装置以其优越的性能，在新建客专或高速铁路隧道中应用优势明显；滑轮补偿装置适用于新建或已预留电化条件的普速电气化铁路隧道内，用于未预留电化条件的老旧隧道时，必须对隧道下锚处局部断面进行加宽、加高开挖；弹簧补偿及液压补偿装置外形尺寸较小，不需要平衡坠砣，不占隧道下部空间，适用于修建年代久远、净空高度低、断面较小的隧道内。

3 隧道内接触网下锚方式选择

本节以某普速铁路电气化改造工程为例，阐述隧道内接触网下锚方式选择。该普速铁路修建于20世纪六七十年代，位于山区，曲线多，曲线半径小，坡度大，设计速度 80 km/h，其中隧道 47座，总长16.14 km（最长的崔家沟隧道3.84 km），隧道断面小、净空高度较低（6 000～6 500 mm），且未预留接触网下锚洞。该铁路电气化改造工程隧道内共设锚段关节8处；隧道内下锚补偿装置32套，同一锚段一端位于隧道内另一端位于隧道外的共有5个锚段；基于同一个锚段两端补偿装置应一致原则，隧道外采用隧道内下锚补偿装置10套。

3.1 补偿装置经济性对比

针对该铁路隧道内接触网下锚补偿设置情况，对滑轮补偿、弹簧补偿及液压补偿方式进行30年全寿命周期经济性比较，见表2。

表2 补偿装置经济性比较

从表2可以看出，滑轮补偿装置采购费用最低，但是用于低净空隧道内时需对隧道下锚处断面进行开挖，总费用远高于其他几种补偿装置；液压补偿装置费用较弹簧补偿装置高，涡卷式弹簧补偿和柱式弹簧补偿费用基本相当。

3.2 补偿方式比选

结合该线路隧道内下锚处净空高度实际情况对补偿装置进行分析，净空高度如表3所示。

表3 隧道下锚处净空高度

3.2.1 滑轮补偿装置

如果采用滑轮补偿装置，隧道内和隧道外下锚补偿方式一致，便于维修，且每套成本较低。但为满足平衡坠砣工作需求，必须对隧道接触网下锚位置处局部断面进行开挖，从一侧边墙开挖至隧道拱顶，开挖尺寸为3 000 mm×900 mm。由于该隧道为老旧隧道，既有线隧道内开挖施工受营业线运营影响，天窗点内施工进度缓慢，费用较高，对行车运输影响大，且需要施工开挖既有隧道衬砌，有发生隧道坍塌、长时间中断行车的风险。综合考虑，不建议采用滑轮补偿方式。

3.2.2 液压补偿装置

液压补偿装置可用于低净空隧道内下锚补偿，但其使用寿命较短，30年全寿命周期内总费用高于弹簧补偿装置，特别是液压补偿使用过程中易出现部分设备密封不严、渗油导致补偿失效等问题，近年来在新建电气化铁路及城市轨道交通中均未采用，故不考虑采用液压补偿下锚形式。

3.2.3 弹簧补偿装置

涡卷式弹簧补偿装置在补偿精度、断线制动功能以及投资方面均优于柱式弹簧补偿装置，但是柱式弹簧补偿装置外形尺寸小，更适用于隧道净空高度更低的情况[4]。

隧道内接触网设计导高5 400 mm，困难情况下不小于5 300 mm，最小结构高度为350 mm，悬挂点承力索最低高度为5 650 mm，带电体距隧道壁的绝缘距离不小于300 mm。线材张力15 kN，对应柱式弹补型号为CH150-710，尺寸为Φ245×1 974，对应的涡卷式弹补型号为A15型，尺寸为535 mm×732 mm×510 mm（长×宽×高）。

承力索下锚高度最低为5 800 mm（下锚抬升150 mm），当采用柱式弹簧补偿时，隧道净空高度大于5 800 + 300 = 6 100 mm即可选用；当采用涡卷式弹簧补偿时，隧道净空高度大于5 800 +(510 -120) = 6 190 mm即可选用。导线下锚锚臂及弹簧补偿本体应同时满足比工作支导线抬高 320 mm（受电弓抬升120 mm，动态绝缘间隙200 mm）和距承力索水平绝缘距离300 mm，工作支拉出值200 mm，柱式弹簧补偿装置中心拉出值满足200 + 300+ 245/2 = 623 mm即可；涡卷式弹簧补偿装置锚臂中心拉出值满足200 + 300 + 732/2 = 866 mm方可。由于隧道断面小，拉出值越大，对应位置的隧道净空越低，实测吕渠河—柳林镇区间SD76下锚处不同拉出值时对应隧道高度如图4所示（横坐标为拉值，纵坐标为隧道净空高度）。当隧道中心净空高度6 322 mm，拉出值623 mm时，高度6 218 mm＞6 100 mm，拉出值866 mm时，高度6 099 mm＜6 190 mm，故此时隧道净空能够满足柱式弹簧补偿安装要求，无法满足涡卷式弹簧补偿安装要求。

图4 吕渠河—柳林镇区间SD76隧道断面（单位：mm）

综上，对表3中净空高度数据分析比较可以看出，涡卷式弹簧补偿不能满足该铁路所有低净空隧道内安装要求，外形尺寸更小的柱式弹簧补偿装置可满足其低净空隧道内下锚补偿安装要求。

3.2.4 柱式弹簧补偿装置

柱式弹簧补偿装置补偿行程与线索的伸缩量存在直接关系，下文通过计算柱式弹簧补偿装置行程分析CH150-710型补偿装置的适用性。

柱式弹簧补偿装置补偿时接触线的伸缩量除取决于接触网锚段长度及补偿装置使用地区的温差外，还取决于接触线随金属的荷重产生的形变以及接触线松弛的伸长量[5]。

接触线受锚段长度及温差影响的伸缩量l1计算式：

接触线荷重产生形变的伸长量Δl1计算式：

接触线松弛的伸长量计算式：

以上各式中参数及取值详见表4。

表4 接触线有关参数说明

综上，接触线伸缩量l为

l=l1+Δl1+ Δl2= 0.765 - 0.177 - 0.004 = 0.584m，即最大行程为584(±292) mm。

因CH150-710型补偿装置行程范围为710(±355) mm＞584(±292) mm，故该装置能满足该铁路隧道内接触网最大张力补偿要求。

综上所述，由于同一条线路隧道内应采用同一种下锚补偿方式，因此该铁路电气化改造推荐采用结构简单、外形尺寸更小、使用寿命长、可靠性高、基本免维护的柱式弹簧补偿装置。

4 柱式弹簧补偿装置安装技术标准

（1）隧道内锚臂顺线路定位时，应远离转换悬挂点以减少线索折角，减少弹性补偿装置向线路中心方向的偏斜；锚臂垂直线路定位时，锚臂中心拉出值应在理论数据基础上增大100 mm，以保证弹簧补偿器受力后与接触网的绝缘距离。

（2）进行新线路安装时，在安装前应对线索进行超拉，线索超拉时，两侧应接张力计并同时进行超拉。

（3）弹簧补偿装置拉出量的确定应查看该弹簧补偿装置伸缩量计算结果表，拉伸量调整时需根据当时当地的天气温度查找出对应的伸缩量，再与实际标尺拉出量进行比较并调整，误差不应大于±20 mm。

（4）调整弹簧补偿装置本体上方斜拉调节螺栓，使得本体与线索方向保持一致，垂直方向上要求弹簧补偿装置与线索的角度误差范围不超过2°，严禁弹簧补偿装置连接线索端抬头。

5 结语

目前柱式弹簧补偿装置的核心组件螺旋弹簧主要依靠国外进口，成本较高，随着我国高强度弹簧钢生产技术的不断进步，性能不断提升，柱式弹簧补偿装置将是我国接触网补偿装置未来发展方向之一。

本文对隧道内常用的几种接触网下锚补偿装置从工作原理、技术性能、经济性等方面进行了探讨，以某铁路电气化改造为例详细分析了接触网下锚补偿装置在既有普速铁路电气化改造工程隧道内的应用，重点分析了柱式弹簧补偿装置的应用及安装要求。隧道内接触网设计施工中应根据实际情况选用合适的补偿装置。