孫晉敏

（寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，浙江 寧波 315000）

0 前言

在電氣化鐵道供電系統(tǒng)中，為了保證機(jī)車(chē)受電弓的良好取流，接觸網(wǎng)線(xiàn)必須保持穩(wěn)定的張力，而張力補(bǔ)償裝置的作用就是及時(shí)補(bǔ)償環(huán)境溫度引起的網(wǎng)線(xiàn)張力變化，確保列車(chē)的正常運(yùn)營(yíng)[1]。現(xiàn)在用的接觸網(wǎng)張力補(bǔ)償裝置主要有2 種，分別是重力式（滑輪式和棘輪式）以及彈簧式的補(bǔ)償裝置，但不管是重力式還是彈簧式補(bǔ)償裝置都不同程度的存在著安裝維護(hù)復(fù)雜、成本高、造型及城市景觀差等方面的不足。在高速發(fā)展的電氣化軌道交通尤其是地鐵等城市軌道交通方面亟需改善[2]。氣動(dòng)式補(bǔ)償裝置在涉及階段對(duì)其結(jié)構(gòu)及可靠性進(jìn)行了充分的論證，并在試車(chē)線(xiàn)接觸網(wǎng)試用中性能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)使用要求，在電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)推廣應(yīng)用上具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的社會(huì)效益。

1 工作原理

氣動(dòng)式張力補(bǔ)償裝置主要由儲(chǔ)氣筒、工作腔2 個(gè)部分組成，工作及儲(chǔ)能介質(zhì)采用高純度的氮?dú)狻?/p>

氣動(dòng)式張力補(bǔ)償裝置的工作原理是利用惰性氣體的熱脹冷縮特性帶動(dòng)補(bǔ)償裝置中的活塞桿拉入或伸出，從而補(bǔ)償拉線(xiàn)隨溫度變化而伸長(zhǎng)或收縮。氣動(dòng)式張力補(bǔ)償裝置通過(guò)科學(xué)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)使其變化過(guò)程始終是等時(shí)、等量進(jìn)行。

在設(shè)計(jì)氣動(dòng)式張力補(bǔ)償裝置時(shí)，它的結(jié)構(gòu)尺寸從以下3個(gè)方面考慮：強(qiáng)度要足夠、重量體積盡可能小以及滿(mǎn)足補(bǔ)償精度正負(fù)3%。

為了滿(mǎn)足城市軌道交通接觸網(wǎng)雙線(xiàn)24 kN 大張力的要求，活塞缸徑選90 系列的產(chǎn)品，即缸孔直徑為90 mm?；钊讖教笤黾恿苏麄€(gè)裝置的重量和體積，缸徑太小會(huì)導(dǎo)致氣體壓力太大。缸筒壁厚及活塞桿通過(guò)強(qiáng)度核算分別定為5 mm和25 mm。

活塞行程尺寸根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求環(huán)境溫度負(fù)20 至正46度（預(yù)留4 度），結(jié)合錨段長(zhǎng)度，依據(jù)網(wǎng)線(xiàn)隨溫度變化而伸縮所遵循線(xiàn)性熱漲冷縮公式可直接算出。

其他尺寸的確定根據(jù)氣動(dòng)補(bǔ)償裝置工作原理—環(huán)境溫度變化所引起的活塞桿位移和網(wǎng)線(xiàn)收縮或伸長(zhǎng)要同時(shí)、等量來(lái)完成來(lái)進(jìn)行。

對(duì)于網(wǎng)線(xiàn)，其變化遵循線(xiàn)性熱漲冷縮公式

式中： ΔL—伸縮量。

α—管材膨脹系數(shù)。

L—管材長(zhǎng)度。

T1—管內(nèi)介質(zhì)最高溫度。

T2—安裝時(shí)環(huán)境溫度。

對(duì)于高純度惰性氣體氮?dú)?，在常溫和常壓的情況下，可視其為理想狀態(tài)的氣體。同時(shí)張力恒定時(shí)氣體壓力保持不變，氣體隨環(huán)境溫度變化遵循蓋·呂薩克定律。

式中：V1—變化前氣體體積。

T1—變化前溫度。

V2—變化后氣體體積。

T2—變化后溫度。

由于氣體壓力比較高及冬天環(huán)境溫度低，所以用標(biāo)準(zhǔn)化氣態(tài)方程計(jì)算與實(shí)際是有一定出入的，為了使補(bǔ)償裝置補(bǔ)償精度更精準(zhǔn)，在計(jì)算時(shí)我們引入了實(shí)際氣體狀態(tài)方程式。

式中：Z—壓縮因子。

T—?dú)怏w溫度。

V—?dú)怏wT 溫度下實(shí)際體積。

V0—?dú)怏wT 溫度下實(shí)際體積。

P—?dú)怏w壓強(qiáng)。

Pr—對(duì)比壓力。

Tr—對(duì)比溫度。

Pc—?dú)怏w臨界壓強(qiáng)。

Tc—臨界溫度。

f（）—函數(shù)關(guān)系：雙參數(shù)壓縮因子圖。

對(duì)氣動(dòng)補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)有效的設(shè)計(jì)，思路分2 部分（整個(gè)計(jì)算略去）。1）對(duì)補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)基本尺寸的確定。 依據(jù)公式（2），分2 種溫度狀態(tài)，第一種狀態(tài)為活塞位置右端面作為負(fù)20 度，第二種狀態(tài)為任意溫度，把體積公式展開(kāi)帶入公式（2）中，推導(dǎo)出溫度變化所引起活塞位移量ΔH 計(jì)算公式。同樣把兩種溫度代入（1）ΔL=αL（T1-T2），然后ΔH=ΔL，可以分別計(jì)算出其他尺寸。2）補(bǔ)償裝置活塞行程量的修訂根據(jù)式（4），在補(bǔ)償溫度范圍內(nèi)相隔5 ℃分別計(jì)算出各溫度狀況時(shí)的Tr，再用（3）式求出Pr，然后，根據(jù)Pr 和各溫度狀況下的Tr 在雙參數(shù)壓縮因子圖里查出各溫度狀況下的Z 值。最后，從（3）式計(jì)算出各溫度狀況下的體積差并推導(dǎo)出活塞行程量差，再結(jié)合網(wǎng)線(xiàn)線(xiàn)脹系數(shù)在不同溫度間隔變化情況，對(duì)活塞行程量和溫度標(biāo)尺刻度量進(jìn)行修訂。

氣動(dòng)式張力補(bǔ)償裝置在安裝使用前，參照鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及氣體、液壓類(lèi)產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)該產(chǎn)品性能特性要求，對(duì)氣動(dòng)式張力補(bǔ)償裝置進(jìn)行了操作性能、靜態(tài)密封、動(dòng)態(tài)密封、強(qiáng)度測(cè)試等8 個(gè)方面進(jìn)行了測(cè)試（具體詳見(jiàn)表1）。測(cè)試目的就是確認(rèn)產(chǎn)品具有較高的可靠性、穩(wěn)定性[3]。這8項(xiàng)測(cè)試中，前5 項(xiàng)每個(gè)階段的產(chǎn)品必須做，后面4 項(xiàng)是產(chǎn)品定型時(shí)僅做一次。

表1 詳細(xì)測(cè)試內(nèi)容

2 試用

氣動(dòng)張力補(bǔ)償裝置外表面設(shè)計(jì)有溫度標(biāo)尺，將網(wǎng)線(xiàn)隨溫度變化直觀地顯現(xiàn)出來(lái)。環(huán)境溫度變化時(shí)，為保持網(wǎng)線(xiàn)張力恒定，補(bǔ)償裝置外罩殼端部隨著活塞桿部移動(dòng)壓在溫度刻度尺當(dāng)時(shí)的溫度刻度線(xiàn)上。

為準(zhǔn)確觀測(cè)裝置運(yùn)行狀況，工作日每天跟蹤觀測(cè)兩次并做好記錄，主要記錄補(bǔ)償裝置刻度尺顯示溫度和觀測(cè)時(shí)環(huán)境溫度，兩者差值就是補(bǔ)償裝置補(bǔ)償誤差。

在此，把承力索補(bǔ)償裝置240 天的跟蹤數(shù)據(jù)（詳見(jiàn)表2）和氣動(dòng)式補(bǔ)償裝置90 d 的跟蹤數(shù)據(jù)（詳見(jiàn)表3）作為錄用數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。

表2 承力索補(bǔ)償裝置跟蹤數(shù)據(jù)分析表

表3 氣動(dòng)式補(bǔ)償裝置跟蹤數(shù)據(jù)分析表

綜上所述，氣動(dòng)式張力補(bǔ)償裝置在試車(chē)線(xiàn)接觸網(wǎng)接觸線(xiàn)和承力索上，運(yùn)行穩(wěn)定、性能優(yōu)越，完全符合設(shè)計(jì)要求，應(yīng)用效果顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

氣動(dòng)式張力補(bǔ)償裝置，以其獨(dú)特的設(shè)計(jì)、高可靠性、便捷的安裝維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，在試車(chē)線(xiàn)接觸網(wǎng)線(xiàn)上得到成功的應(yīng)用，為我國(guó)電氣化鐵道接觸線(xiàn)張力補(bǔ)償裝置的創(chuàng)新應(yīng)用增加了一個(gè)新的支撐點(diǎn)，為適應(yīng)電氣化高速鐵路的發(fā)展提供了一個(gè)強(qiáng)有力的技術(shù)保障，具有在鐵道電氣化軌道接觸網(wǎng)上廣泛推廣、應(yīng)用的價(jià)值。