劉大勇

0 引言

隨著我國(guó)鐵路電氣化建設(shè)進(jìn)程的加快，既有普速鐵路電氣化改造越來(lái)越向偏遠(yuǎn)山區(qū)規(guī)劃發(fā)展。進(jìn)行接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免在隧道內(nèi)下錨，但是受限于線路條件、隧道情況等，在隧道內(nèi)預(yù)留接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)及下錨的情況仍然很多[1]。本文以某鐵路電氣化改造工程為例對(duì)既有鐵路電氣化改造工程隧道內(nèi)下錨補(bǔ)償方式進(jìn)行分析探討。

1 隧道內(nèi)接觸網(wǎng)下錨補(bǔ)償裝置

國(guó)內(nèi)外電氣化鐵路隧道內(nèi)普遍采用滑輪組+墜砣、棘輪+墜砣、彈簧補(bǔ)償、液壓補(bǔ)償4種下錨補(bǔ)償方式[2]，各種補(bǔ)償裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝效果如圖1所示。

1.1 滑輪組補(bǔ)償

滑輪組補(bǔ)償裝置通過(guò)滑輪組的變比實(shí)現(xiàn)墜砣串重力與線索張力的平衡。在線索長(zhǎng)度隨溫度的變化而發(fā)生變化時(shí)，動(dòng)滑輪與靜滑輪間的距離伸長(zhǎng)或縮短以及墜砣串上下移動(dòng)，使施加于其上的張力仍維持在恒定狀態(tài)?；喗M補(bǔ)償裝置應(yīng)用于隧道內(nèi)時(shí)，需要在隧道頂部安裝重型錨臂，側(cè)面安裝動(dòng)/定滑輪、支架、墜砣限制架及鐵墜砣串。

1.2 棘輪補(bǔ)償

棘輪補(bǔ)償裝置中棘輪本體的作用是調(diào)節(jié)墜砣串重力與連接的線索張力之間的機(jī)械變比。在線索長(zhǎng)度隨溫度的變化而發(fā)生變化時(shí)，棘輪隨之發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得施加于其上的張力仍維持在恒定狀態(tài)。棘輪補(bǔ)償裝置應(yīng)用于隧道內(nèi)時(shí)，一般在隧道壁上預(yù)留的槽道內(nèi)安裝棘輪下錨底座及棘輪補(bǔ)償裝置，在槽道下方隧道壁安裝小車式墜砣限制架及方形鐵墜砣串。

1.3 彈簧補(bǔ)償

彈簧補(bǔ)償裝置因彈簧結(jié)構(gòu)形狀不同，分為渦卷式彈簧補(bǔ)償和柱式彈簧補(bǔ)償兩種。

1.3.1 渦卷式彈簧補(bǔ)償裝置

渦卷式彈簧補(bǔ)償裝置基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，其本體由若干組平面渦卷彈簧并聯(lián)組成，中間由軸承連接并與本體外兩側(cè)的漸開(kāi)線輪連接，漸開(kāi)線輪與外筒形成一個(gè)整體，補(bǔ)償繩纏繞在漸開(kāi)線輪上。當(dāng)連接的線索因環(huán)境溫度變化伸長(zhǎng)或收縮時(shí)，帶動(dòng)漸開(kāi)線輪旋轉(zhuǎn)，漸開(kāi)線輪驅(qū)動(dòng)預(yù)緊儲(chǔ)能的平面渦卷彈簧卷緊或釋放，促使補(bǔ)償繩縮短或伸長(zhǎng)，即實(shí)現(xiàn)張力補(bǔ)償。

圖1 渦卷式彈簧補(bǔ)償裝置（單位：mm）

1.3.2 柱式彈簧補(bǔ)償裝置

柱式彈簧補(bǔ)償裝置采用雙重或三重圓柱螺旋彈簧串聯(lián)組合結(jié)構(gòu)，配以內(nèi)、外套筒固定并連接，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，彈簧材質(zhì)為高強(qiáng)度彈簧鋼，其性能是彈簧裝置性能的決定因素[3]。受到線索張力的作用后，柱式彈簧補(bǔ)償裝置套筒被拉出，通過(guò)套筒、彈簧間的載荷傳遞，內(nèi)、外彈簧均處于軸向受壓狀態(tài)。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，線索受熱脹冷縮作用長(zhǎng)度發(fā)生變化，此時(shí)柱式彈簧也隨之伸長(zhǎng)或縮短以提供張力。

1.4 液壓補(bǔ)償裝置

液壓補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)為一個(gè)單作用的動(dòng)作缸外環(huán)套蓄能筒，兩端密封，活塞式動(dòng)作桿安裝在動(dòng)作缸內(nèi)，組成一個(gè)密閉的獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)。液壓式補(bǔ)償裝置采用無(wú)源自適應(yīng)技術(shù)，通常以惰性氣體作為蓄能介質(zhì)，以液壓油作為工作介質(zhì)，利用氣體的熱脹冷縮特性在環(huán)境溫度變化時(shí)推動(dòng)液壓缸活塞，以活塞桿伸出或縮進(jìn)對(duì)接觸網(wǎng)線索因環(huán)境溫度變化引起的長(zhǎng)度變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償并保持張力恒定。液壓補(bǔ)償原理如圖3所示。

圖3 液壓補(bǔ)償原理

2 補(bǔ)償裝置在隧道內(nèi)安裝技術(shù)性能對(duì)比

幾種補(bǔ)償裝置在隧道內(nèi)安裝時(shí)的技術(shù)性能對(duì)比如表1所示。

表1 隧道內(nèi)下錨補(bǔ)償方式技術(shù)性能對(duì)比

從以上技術(shù)指標(biāo)、應(yīng)用情況等對(duì)比可以看出，棘輪補(bǔ)償裝置以其優(yōu)越的性能，在新建客?；蚋咚勹F路隧道中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯；滑輪補(bǔ)償裝置適用于新建或已預(yù)留電化條件的普速電氣化鐵路隧道內(nèi)，用于未預(yù)留電化條件的老舊隧道時(shí)，必須對(duì)隧道下錨處局部斷面進(jìn)行加寬、加高開(kāi)挖；彈簧補(bǔ)償及液壓補(bǔ)償裝置外形尺寸較小，不需要平衡墜砣，不占隧道下部空間，適用于修建年代久遠(yuǎn)、凈空高度低、斷面較小的隧道內(nèi)。

3 隧道內(nèi)接觸網(wǎng)下錨方式選擇

本節(jié)以某普速鐵路電氣化改造工程為例，闡述隧道內(nèi)接觸網(wǎng)下錨方式選擇。該普速鐵路修建于20世紀(jì)六七十年代，位于山區(qū)，曲線多，曲線半徑小，坡度大，設(shè)計(jì)速度 80 km/h，其中隧道 47座，總長(zhǎng)16.14 km（最長(zhǎng)的崔家溝隧道3.84 km），隧道斷面小、凈空高度較低（6 000～6 500 mm），且未預(yù)留接觸網(wǎng)下錨洞。該鐵路電氣化改造工程隧道內(nèi)共設(shè)錨段關(guān)節(jié)8處；隧道內(nèi)下錨補(bǔ)償裝置32套，同一錨段一端位于隧道內(nèi)另一端位于隧道外的共有5個(gè)錨段；基于同一個(gè)錨段兩端補(bǔ)償裝置應(yīng)一致原則，隧道外采用隧道內(nèi)下錨補(bǔ)償裝置10套。

3.1 補(bǔ)償裝置經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

針對(duì)該鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)下錨補(bǔ)償設(shè)置情況，對(duì)滑輪補(bǔ)償、彈簧補(bǔ)償及液壓補(bǔ)償方式進(jìn)行30年全壽命周期經(jīng)濟(jì)性比較，見(jiàn)表2。

表2 補(bǔ)償裝置經(jīng)濟(jì)性比較

從表2可以看出，滑輪補(bǔ)償裝置采購(gòu)費(fèi)用最低，但是用于低凈空隧道內(nèi)時(shí)需對(duì)隧道下錨處斷面進(jìn)行開(kāi)挖，總費(fèi)用遠(yuǎn)高于其他幾種補(bǔ)償裝置；液壓補(bǔ)償裝置費(fèi)用較彈簧補(bǔ)償裝置高，渦卷式彈簧補(bǔ)償和柱式彈簧補(bǔ)償費(fèi)用基本相當(dāng)。

3.2 補(bǔ)償方式比選

結(jié)合該線路隧道內(nèi)下錨處凈空高度實(shí)際情況對(duì)補(bǔ)償裝置進(jìn)行分析，凈空高度如表3所示。

表3 隧道下錨處凈空高度

3.2.1 滑輪補(bǔ)償裝置

如果采用滑輪補(bǔ)償裝置，隧道內(nèi)和隧道外下錨補(bǔ)償方式一致，便于維修，且每套成本較低。但為滿足平衡墜砣工作需求，必須對(duì)隧道接觸網(wǎng)下錨位置處局部斷面進(jìn)行開(kāi)挖，從一側(cè)邊墻開(kāi)挖至隧道拱頂，開(kāi)挖尺寸為3 000 mm×900 mm。由于該隧道為老舊隧道，既有線隧道內(nèi)開(kāi)挖施工受營(yíng)業(yè)線運(yùn)營(yíng)影響，天窗點(diǎn)內(nèi)施工進(jìn)度緩慢，費(fèi)用較高，對(duì)行車運(yùn)輸影響大，且需要施工開(kāi)挖既有隧道襯砌，有發(fā)生隧道坍塌、長(zhǎng)時(shí)間中斷行車的風(fēng)險(xiǎn)。綜合考慮，不建議采用滑輪補(bǔ)償方式。

3.2.2 液壓補(bǔ)償裝置

液壓補(bǔ)償裝置可用于低凈空隧道內(nèi)下錨補(bǔ)償，但其使用壽命較短，30年全壽命周期內(nèi)總費(fèi)用高于彈簧補(bǔ)償裝置，特別是液壓補(bǔ)償使用過(guò)程中易出現(xiàn)部分設(shè)備密封不嚴(yán)、滲油導(dǎo)致補(bǔ)償失效等問(wèn)題，近年來(lái)在新建電氣化鐵路及城市軌道交通中均未采用，故不考慮采用液壓補(bǔ)償下錨形式。

3.2.3 彈簧補(bǔ)償裝置

渦卷式彈簧補(bǔ)償裝置在補(bǔ)償精度、斷線制動(dòng)功能以及投資方面均優(yōu)于柱式彈簧補(bǔ)償裝置，但是柱式彈簧補(bǔ)償裝置外形尺寸小，更適用于隧道凈空高度更低的情況[4]。

隧道內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)導(dǎo)高5 400 mm，困難情況下不小于5 300 mm，最小結(jié)構(gòu)高度為350 mm，懸掛點(diǎn)承力索最低高度為5 650 mm，帶電體距隧道壁的絕緣距離不小于300 mm。線材張力15 kN，對(duì)應(yīng)柱式彈補(bǔ)型號(hào)為CH150-710，尺寸為Φ245×1 974，對(duì)應(yīng)的渦卷式彈補(bǔ)型號(hào)為A15型，尺寸為535 mm×732 mm×510 mm（長(zhǎng)×寬×高）。

承力索下錨高度最低為5 800 mm（下錨抬升150 mm），當(dāng)采用柱式彈簧補(bǔ)償時(shí)，隧道凈空高度大于5 800 + 300 = 6 100 mm即可選用；當(dāng)采用渦卷式彈簧補(bǔ)償時(shí)，隧道凈空高度大于5 800 +(510 -120) = 6 190 mm即可選用。導(dǎo)線下錨錨臂及彈簧補(bǔ)償本體應(yīng)同時(shí)滿足比工作支導(dǎo)線抬高 320 mm（受電弓抬升120 mm，動(dòng)態(tài)絕緣間隙200 mm）和距承力索水平絕緣距離300 mm，工作支拉出值200 mm，柱式彈簧補(bǔ)償裝置中心拉出值滿足200 + 300+ 245/2 = 623 mm即可；渦卷式彈簧補(bǔ)償裝置錨臂中心拉出值滿足200 + 300 + 732/2 = 866 mm方可。由于隧道斷面小，拉出值越大，對(duì)應(yīng)位置的隧道凈空越低，實(shí)測(cè)呂渠河—柳林鎮(zhèn)區(qū)間SD76下錨處不同拉出值時(shí)對(duì)應(yīng)隧道高度如圖4所示（橫坐標(biāo)為拉值，縱坐標(biāo)為隧道凈空高度）。當(dāng)隧道中心凈空高度6 322 mm，拉出值623 mm時(shí)，高度6 218 mm＞6 100 mm，拉出值866 mm時(shí)，高度6 099 mm＜6 190 mm，故此時(shí)隧道凈空能夠滿足柱式彈簧補(bǔ)償安裝要求，無(wú)法滿足渦卷式彈簧補(bǔ)償安裝要求。

圖4 呂渠河—柳林鎮(zhèn)區(qū)間SD76隧道斷面（單位：mm）

綜上，對(duì)表3中凈空高度數(shù)據(jù)分析比較可以看出，渦卷式彈簧補(bǔ)償不能滿足該鐵路所有低凈空隧道內(nèi)安裝要求，外形尺寸更小的柱式彈簧補(bǔ)償裝置可滿足其低凈空隧道內(nèi)下錨補(bǔ)償安裝要求。

3.2.4 柱式彈簧補(bǔ)償裝置

柱式彈簧補(bǔ)償裝置補(bǔ)償行程與線索的伸縮量存在直接關(guān)系，下文通過(guò)計(jì)算柱式彈簧補(bǔ)償裝置行程分析CH150-710型補(bǔ)償裝置的適用性。

柱式彈簧補(bǔ)償裝置補(bǔ)償時(shí)接觸線的伸縮量除取決于接觸網(wǎng)錨段長(zhǎng)度及補(bǔ)償裝置使用地區(qū)的溫差外，還取決于接觸線隨金屬的荷重產(chǎn)生的形變以及接觸線松弛的伸長(zhǎng)量[5]。

接觸線受錨段長(zhǎng)度及溫差影響的伸縮量l1計(jì)算式：

接觸線荷重產(chǎn)生形變的伸長(zhǎng)量Δl1計(jì)算式：

接觸線松弛的伸長(zhǎng)量計(jì)算式：

以上各式中參數(shù)及取值詳見(jiàn)表4。

表4 接觸線有關(guān)參數(shù)說(shuō)明

綜上，接觸線伸縮量l為

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

因CH150-710型補(bǔ)償裝置行程范圍為710(±355) mm＞584(±292) mm，故該裝置能滿足該鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)最大張力補(bǔ)償要求。

綜上所述，由于同一條線路隧道內(nèi)應(yīng)采用同一種下錨補(bǔ)償方式，因此該鐵路電氣化改造推薦采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外形尺寸更小、使用壽命長(zhǎng)、可靠性高、基本免維護(hù)的柱式彈簧補(bǔ)償裝置。

4 柱式彈簧補(bǔ)償裝置安裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）隧道內(nèi)錨臂順線路定位時(shí)，應(yīng)遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)換懸掛點(diǎn)以減少線索折角，減少?gòu)椥匝a(bǔ)償裝置向線路中心方向的偏斜；錨臂垂直線路定位時(shí)，錨臂中心拉出值應(yīng)在理論數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上增大100 mm，以保證彈簧補(bǔ)償器受力后與接觸網(wǎng)的絕緣距離。

（2）進(jìn)行新線路安裝時(shí)，在安裝前應(yīng)對(duì)線索進(jìn)行超拉，線索超拉時(shí)，兩側(cè)應(yīng)接張力計(jì)并同時(shí)進(jìn)行超拉。

（3）彈簧補(bǔ)償裝置拉出量的確定應(yīng)查看該彈簧補(bǔ)償裝置伸縮量計(jì)算結(jié)果表，拉伸量調(diào)整時(shí)需根據(jù)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐奶鞖鉁囟炔檎页鰧?duì)應(yīng)的伸縮量，再與實(shí)際標(biāo)尺拉出量進(jìn)行比較并調(diào)整，誤差不應(yīng)大于±20 mm。

（4）調(diào)整彈簧補(bǔ)償裝置本體上方斜拉調(diào)節(jié)螺栓，使得本體與線索方向保持一致，垂直方向上要求彈簧補(bǔ)償裝置與線索的角度誤差范圍不超過(guò)2°，嚴(yán)禁彈簧補(bǔ)償裝置連接線索端抬頭。

5 結(jié)語(yǔ)

目前柱式彈簧補(bǔ)償裝置的核心組件螺旋彈簧主要依靠國(guó)外進(jìn)口，成本較高，隨著我國(guó)高強(qiáng)度彈簧鋼生產(chǎn)技術(shù)的不斷進(jìn)步，性能不斷提升，柱式彈簧補(bǔ)償裝置將是我國(guó)接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置未來(lái)發(fā)展方向之一。

本文對(duì)隧道內(nèi)常用的幾種接觸網(wǎng)下錨補(bǔ)償裝置從工作原理、技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行了探討，以某鐵路電氣化改造為例詳細(xì)分析了接觸網(wǎng)下錨補(bǔ)償裝置在既有普速鐵路電氣化改造工程隧道內(nèi)的應(yīng)用，重點(diǎn)分析了柱式彈簧補(bǔ)償裝置的應(yīng)用及安裝要求。隧道內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)施工中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用合適的補(bǔ)償裝置。