接触网课程设计

接触网技术课程设计报告

班

学

姓

2011 年 3 月7 日

1.基本题目

1.1 题目

张力自动补偿装置的分析与研究

1.2题目分析

电气化铁路接触网和普通意义上的输电线路有本质区别。输电线路在铺设时只需预留出热胀冷缩导致输电线内张力变化的裕量，而接触网的负载时高速移动的电力机车，为了确保受流质量，预留裕量的方法是不可取的。为了解决这一问题，一般在一个锚段的两端，在接触线及承力索内串接张力自动补偿装置后，再进行下锚。

2.题目：张力自动补偿装置的分析与研究

2.1 张力自动补偿装置的概念

张力自动补偿装置，又称张力自动补偿器，它是装在锚段的两端，并且串接在接触线和承力索内，它的作用是补偿线索内的张力变化，使张力保持恒定。因为在大气温度发生变化时，接触线或承力索也会发生伸长或缩短，从而使线索内的张力发生变化，这时就会影响到接触线或承力索的驰度也会发生变化，因而使受流条件恶化。为改变这种情况，一般在一个锚段的两端，在接触线及承力索内串接张力自动补偿装置后，再进行下锚。

对张力自动补偿装置的要求有二：其一，补偿装置应灵活，在线索内的张力发生缓慢变化时，应能及时补偿，传送效率要高；其二，具有快速制动作用，一旦发生断线事故或其他异常情况，线索内的张力迅速变化时，补偿装置还应有一种制动功能。一般对于全补偿的承力索内的补偿装置，如果不具备这种功能时，还需专门加有断线制动装置，以防止在一旦发生断线时，坠砣串落地而造成事故扩大、恢复困难。

张力自动补偿装置有许多种类，有滑轮式、棘轮式、鼓轮式、液压式及弹簧式等。

2.2 滑轮式张力自动补偿装置

我国电气化铁路广泛采用滑轮组式补偿装置，它是由补偿滑轮、补偿绳、杵环杆、锤铊杆、限制导管和坠砣组成。对于半补偿链形悬挂，承力索为硬锚，就是直接下锚，如图1所示；对于全补偿链形悬挂，接触线和承力索都通过滑轮组补偿装置后下锚，此时承力索采用三个滑轮，接触线采用两个滑轮，承力索张力为15kN，接触线张力为10kN，承力索采用的传动比为3:1，接触线采用的传动比为2:1，所以坠砣的重负载都是5kN，如图2所示。这种全补偿装置的断线制动装置是另外的加设的。

应该指出，各种线索的张力值不是任意选用的，而是根据线索的拉断力（抗拉应

力）除以安全系数决定的。

不同材质、不同截面线索，所选用的张力不同，因而坠砣重量和传动比都会有所变化。

图1 半补偿链形悬挂

图2 全补偿链形悬挂

2.3 鼓轮式张力自动补偿装置

我国在（北）京—秦（皇岛）线部分站场及正线上，试行装设无中心锚结、带变化鼓轮补偿装置的并联下锚方式，以便在无中心锚结状况下防止接触悬挂的窜动。

这种下锚方式的结构如图三3所示。从图中可明显看出，这种全补偿下锚方式的特点就在于用平衡板将承力索和接触线平行地“并联”在一起下锚，以便只利用一套特殊的补偿滑轮（鼓轮）装置就可以预防整个接触悬挂的窜动。利用锚段两端全补偿下锚装置的坠砣，通过补偿绳对整个锚段的接触悬挂施加规定的张力，此张力在悬挂中承力索与接触线之间的分配，决定于平衡板上中间与绝缘子串的联结点和两端与承力索、接触线的联结点之间两段距离的比值。

这种方式中所用的特殊补偿滑轮（鼓轮）叫做变比补偿鼓轮，其外形如图3所示。这种补偿鼓轮中央有一根轴，轴的两端装有轴承，形成一体的鼓轮，靠其两端的轴承孔套于轴承外圈从而支撑于滚动轴承上，并可绕轴自由旋转。在鼓轮零件上，直径较小（ф127-ф137mm）的鼓轮部分具有由中间向两端缩小的锥度，鼓轮是和滑轮在一起的，滑轮直径约是鼓轮的4倍，滑轮上具有一个沟槽，补偿绳在沟槽内转动，具有沟槽形状的滑轮外廓为特制的涡状曲线形状。半径由263mm逐渐均匀增大至269mm、275mm，平均每隔30度增大1mm。该涡状曲线其实就是一段所谓的阿基米德螺线，其方程以极坐标表示时为

式中，（mm）、（度）为曲线的极坐标，、皆为常数。对于上述尺寸的滑轮，常数取值为263mm；a取值为1/30mm（度）。

图3 鼓轮并联全补偿装置

图4 阿基米德曲线

由于采用了阿基米德螺线形的滑轮沟部外廓，当补偿鼓轮回转时，鼓轮的传动比随着回转角的变化而变化，从而施加于接触悬挂的张力也将相应变化，即张力将随鼓轮的顺时针或逆时针回转而相应减少或增加，其回转角、传动比与施加于悬挂的张力三者之间的关系如表1所示。

表1 鼓轮传动比与接触悬挂张力的关系表

带变化鼓轮补偿装置具有防止接触悬挂窜动的作用。设由于某种原因，接触悬挂由左方补偿鼓轮一侧向右方补偿鼓轮一侧窜动了220mm，从而左方一侧鼓轮将回转

-180度，由表1可知，其对接触悬挂施加的张力（拉力）将由25.00kN增至25.625kN；而右方一侧鼓轮将回转+180度，其对悬挂的拉力将由25.00kN减至24.375kN，从而锚段两侧补偿装置间产生1.25kN的张力差，张力差的方向向着左方，从而将接触悬

挂曳向左方，直至消除此窜动、两侧张力平衡（皆为25kN）为止。

2.4 Re200C型非并联棘轮式补偿装置

我国哈（尔滨）—大（连）线电气化技术改造，引进了德国非并联棘轮补偿装置，外形及结构如图5所示。这种棘轮，从结构上看，接触线和承力索不是并联连接到补偿器上，而是分别连接到补偿器上，同时，棘轮的中间有一个齿轮，它是起断线制动作用的。这种补偿器的优点是不仅在承力索断线时具有快速制动功能，而且在发生事故后，能够较易于修复，影响面较小。

图5 Re200C型非并联棘轮式补偿装置

引进德国技术的Re200C型补偿装置，其安装结构如图5所示。承力索和接触线是分别通过棘轮装置固定到支柱上去的，支柱设有拉线。从图可以看出，承力索和接触线分别固定到支柱的两侧。为防止坠砣摆动，坠砣串上装有限制环，在温度发生变化时，限制环可以沿导杆上下移动。在结构上，接触线和承力索的补偿棘轮上都装有断线制动装置，以防在断线时，不致扩大事故范围，并易于恢复；同时还可以防止坠砣串受到破坏。安装曲线下面标注的300—800m数字是所使用的半个锚段的长度，右侧的数字从上至下为对应温度下坠砣的安装高度。安装曲线对应的安装温度为-40℃—+80℃，这一点与我国原来采用的计算最高温度的不一样，我国的最高温度从南方至北方一律采用+40℃。这里采用+80℃，实际上是在最高计算温度上加了40℃，它是考虑承力索和接触线在满电流负荷运行中，线索可能产生的最高温度。在这种情况下，承力索和接触线的伸长所形成的位移，不致使坠砣串的底部着地。

根据哈（尔滨）—大（连）线地理特点，选定20℃为标准安装温度，在此温度

下，坠砣串安装高度为3000mm，半个锚段长度为300—800m。在不同安装温度下，可根据半个锚段长度去查安装曲线。

这种棘轮式补偿装置的安装形式有两种，图5所示为接触线和承力索的下锚棘轮是上下布置，这样会增加支柱的高度和容量；另一种是接触线和承力索的下锚棘轮是水平布置，两个棘轮安装在支柱的两侧，这样，可相应降低支柱的高度。这两种下锚方式，在实际工程中都有采用。

2.5 弹簧式张力补偿装置

世界各国电气化铁路所采用的张力自动补偿装置都大同小异，但在类别上，唯有日本采用的形式较多，如滑轮式、鼓轮式。棘轮式等，除此之外还有液压式和弹簧式。在结构上还用过弹簧和鼓轮串联式。图6为弹簧式补偿装置。这种补偿装置能较好地保持张力恒定，但是动作范围受限。弹簧补偿结构也有承力索和接触线是并联在一起的，也有广泛采用的承力索和接触线非并联的。非并联的优点是在发生故障时，恢复起来相对容易。

图6 弹簧式补偿装置安装结构图

日本在新干线以及在速度超过200km/h的电气化线路上，普遍采用变比鼓轮作为补偿装置，其结构如图6所示。日本变鼓轮的大轮是用扁钢轧制成的，轮辐是用扁钢焊接成的，小轮采用铸铁浇铸而成，小轮两边轮槽是车成阿基米德螺线形式，补偿绳用油芯钢丝绳。变比为1:3.8—1:4.2。该装置轮径较大，质量较重，同时由于采用了两套向心球轴承，从而减小了磨耗、传动效率高、补偿灵活。但是阿基米德螺线和大直径的轮缘需要特殊加工制造，其工序较为复杂。另外，承力索和接触线是通过并

联平衡板与补偿绳连接，因此要求承力索和接触线最好采用同材质的。如果采用异质的，需要对并联的平衡板进行计算。

鼓轮式补偿装置，其承力索和接触线同时连接到平衡板上，平衡板可以调节承力索和接触线内的张力。承力索和接触线因热胀冷缩造成伸长（缩短）的变化大小靠平衡板的比例来控制，其比例的大小是按承力索和接触线材质的线胀系数值计算出来的。

2.6YB型液压张力补偿装置

施工中利用坠砣对接触线和承力索进行张力补偿，虽然结构简单，但容易出现滑轮偏磨、卡滞、坠砣摆动等不安全因素。而且由于占用空间大，在线路周围空间受限的情况下无法使用。在长达隧道和隧道群地段，接触网往往需要在隧道内下锚，而传统的补偿方式将大大增加新线隧道开挖的工作量；对既有线则需要扩大原有隧道断面，可能破坏隧道原有衬砌的承载结构，而YB型液压补偿装置不仅能够满足接触网补偿的要求，还能在低矮狭窄净空条件下安装。

图7为“YB型液压张力补偿装置”的工作原理简图，该装置由一个单作用的油缸通过油管和一个气囊式储能器连通，组成一个封闭的独立液压系统。储能器的气囊中充有一定压力的气体，油缸和储能器中注有液压油。油缸拉力的大小由储能器中气体压力的大小决定。

图7 YB型液压张力自动补偿装置的结构

接触线或承力索的自动张力补偿，是一个缓慢变化的动态过程，在每一个固定时刻，线索的张力和补偿装置对线索施加的拉力相等，系统处于力的平衡状态。当环境

温度自平衡点升高时，线索膨胀伸长，张力减小，则储能器内具有一定压力的气体挤压液压油通过油管向油缸内补充，使油缸活塞杆回缩，并达到新的力平衡位置，当环境温度自平衡点降低，线索回收，张力加大，则带动活塞油缸活塞杆伸出，将油缸内部分液压油压回储能器，储能器气体体积压缩，并达到新的平衡位置。在活塞杆伸缩的过程中，储能器内气体的体积、压力和温度三个参数之间的关系应基本符合理想气体状态方程。

对接触网系统来说，当环境温度达到最低温度时，即，线索产生最大收缩，油缸活塞杆拉出至最大位移，储能器中气体被压缩，体积为最小，即，压力最大，即。反之，当环境温度达到最高，即，则储能器中体积最大，即，压力最小，即，则有理想气体的状态方程可得：

如果要求补偿张力保持恒定，即将代入上式可得：

设为到过程中V的增量，则，根据设计要求,可设

定补偿量（即活塞行程）为L，油缸活塞面积为f，则时上式成立，表明整个温度变化和全部补偿范围内，张力保持恒定。因而可以根据线索额定张力值来设计液压系统的标准压力，并将系统平衡点的温度设置在环境温度最大差值1/2的位置处，将系统平衡点的几何位置设置在油缸最大行程的中点。但实际应用条件和理论分析有一定的差别，如补偿器和线索的温度环境不一定完全一致；导线温度还受载流温升的影响装置动作过程中摩擦阻力的变化和影响等。因此将理论计算和大量的模拟必选相结合，优化选取了系统参数，以期缩小计算与实际的差距，尽量提高补偿精度。

“YB型液压张力自动补偿装置”在结构组合方式、密封形式和材料的选择、实验检测及安装方法等方面做了许多改进补偿精度进一步得到了提高温差范围可扩大到70℃，补偿量可达到1200mm，补偿张力可达到29.4kN，在关键区段、投资允许的条件下选择国外高等级的油缸和储能器组装，装置的工作寿命可达到15年以上。

近年来，该装置在襄渝线、大秦线、石怀线、西康线、宁西线、盘西线、南昆线、贵昆线宝兰二线以及上海市城市轨道交通线等多条既有线和新线上已推广应用了

300多套，运行状态稳定，使用效果良好，取得了显著的技术和经济效益。

3.结论与体会

接触网是一种复杂的供电设备，为了列车的安全运行，必须保证列车受流平稳，在技术上在要求接触线具有恒张力。然而接触网受温度和气象条件的影响很大，温度会使接触线和承力索的张力发生变化，不利于列车的安全运行。为了解决线索能够保持恒张力，在实际中采用了各种形式的张力自动补偿装置。在这次设计中依次论述了滑轮式张力补偿装置、鼓轮式张力补偿装置、德国Re200C型非并联棘轮式补偿装置、日本弹簧式张力补偿装置以及我国最新的YB型液压补偿装置，采用不同的补偿装置其张力补偿的效果也不同，由于我国幅员辽阔，各地气象温度差异很大，在施工过程中可以灵活采用各种形式的补偿装置。

此次设计过程中，我们查阅了大量国内外有关接触网张力补偿的文献，本文所罗列的各种补偿装置中既有传统的滑轮式补偿装置，又有国外先进的补偿装置，同时还详细介绍了我们最新的YB型液压补偿装置。通过不断查阅和学习，更深刻地了解了张力补偿装置的工作原理及其在实际使用中的重要性，加深了对课堂理论知识的理解。原本以为补偿装置仅仅是课本上所叙述的那几种，在做这次课程设计的工作中，我们得以接触到国内外各种更新更先进的补偿装置，所以课外探索式学习是课堂理论学习的重要补充，在今后的学习中，我们会着力培养这方面的能力，在知识深度和广度上得到更大的提升。另外，通过此次设计，我们学会了怎样去搜索资源，怎样去利用资源提出自己心的见解以及怎样向别人阐释自己的观点。在这个过程中，我们发现了自己的不足，明白了团队合作的重要性，今后将好的习惯继续培养努力改正自身的不足。

参考书目

[1] 于万聚著.高速电气化铁路接触网.成都:西南交通大学出版社,2002.

[2] 李爱敏主编.接触网生产实习指导.北京:中国铁道出版社,2000.

[3] 李伟主编.接触网.北京:中国铁道出版社,2000.

[4] 于万聚.电气化铁路接触网CAD系统.成都：西南交通大学出版社,1998.

[5] 蒋先国编著.电气化铁道接触网零部件设计与制造.北京:中国铁道出版社,2009.

[6] 吉鹏霄主编.接触网.北京:化学工业出版社,2006.

[7] 刘丽.接触网补偿装置的种类与应用[J].电气化铁道 2004年05期.

[8] 吴宝麟, 董世光.接触网YB型张力补偿装置的研究与应用[J]. 电气化铁道 2005年06期.

[9] 董昭德主编.接触网.北京:中国铁道出版社,2010.

[10]成吉安. 浅谈补偿装置在电气化铁道建设中的应用[J].黑龙江科技信息2009年 17期.