棘輪補(bǔ)償連接架卡滯對補(bǔ)償繩偏移的分析研究

潘南紅，張翔鷗

0 引言

接觸網(wǎng)棘輪補(bǔ)償裝置由于具有傳動(dòng)效率高，快速斷線制動(dòng)功能等優(yōu)點(diǎn)，已越來越廣泛地應(yīng)用在接觸網(wǎng)上，但同時(shí)棘輪補(bǔ)償裝置對安裝精度和施工質(zhì)量要求較高，往往由于一些細(xì)節(jié)上的疏忽，會(huì)造成棘輪補(bǔ)償裝置投運(yùn)后產(chǎn)生一系列缺陷。在對新建、改建六盤水至沾益復(fù)線電氣化鐵路梅花山至鳳凰山段接觸網(wǎng)的驗(yàn)收中，發(fā)現(xiàn)其使用的棘輪補(bǔ)償裝置普遍存在連接架卡滯，使棘輪本體不能正對接觸網(wǎng)下錨支而形成夾角，給運(yùn)行帶來安全隱患，本文據(jù)此展開分析研究。

1 棘輪補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)及安裝概況

棘輪補(bǔ)償裝置是張力自動(dòng)補(bǔ)償裝置中的一種，安裝在錨段的兩端，并且串接在接觸線和承力索內(nèi)，其作用是補(bǔ)償線索內(nèi)的張力變化，使張力保持恒定[1]。棘輪補(bǔ)償裝置通過調(diào)節(jié)墜砣組重量實(shí)現(xiàn)接觸線（或承力索）張力恒定，其機(jī)械傳動(dòng)變比一般為1∶3。棘輪補(bǔ)償裝置主要由棘輪本體、楔子、棘輪連接架、制動(dòng)卡塊、補(bǔ)償繩、雙耳楔形線夾及平衡輪等組成，在六沾鐵路接觸網(wǎng)使用的棘輪補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 棘輪補(bǔ)償裝置示意圖

安裝棘輪補(bǔ)償裝置的錨柱同時(shí)兼作中間柱且垂直于線路，其棘輪底座框架平行于線路，由于棘輪連接架卡滯，使棘輪在橫線路方向不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，在接觸網(wǎng)下錨支改變方向時(shí)，平衡輪及其與小輪間的工作補(bǔ)償繩也跟著發(fā)生偏移，如圖2所示，棘輪連接架如圖3所示。

在圖2所示的工作狀態(tài)下，田野側(cè)小輪與平衡輪間的補(bǔ)償繩向大輪輪齒偏移靠近，在線索伸長小輪收縮補(bǔ)償繩的過程中容易造成補(bǔ)償繩與大輪輪齒的安全距離不足而摩擦，形成安全隱患。

圖2 平衡輪與小輪補(bǔ)償繩工作圖

圖3 棘輪連接架示意圖

2 接觸網(wǎng)下錨支偏角對補(bǔ)償繩偏移量分析

2.1 偏移量關(guān)系式的確定

為了便于分析計(jì)算，以連接架卡滯使棘輪處于平行于線路的狀態(tài)進(jìn)行推導(dǎo)，其棘輪在接觸網(wǎng)下錨支偏角的作用下幾何平面位置可簡化為圖4。

圖4 平衡輪及補(bǔ)償繩在下錨支偏角作用下平面位置圖

在圖4所示的三角形ACD 中CD 的長度d 即補(bǔ)償繩偏向大輪的偏移量，由三角函數(shù)可得：

由棘輪補(bǔ)償?shù)膫鲃?dòng)變比為1∶3 可得AB= 2/3R + h。則：

2.2 下錨支偏角θ 與補(bǔ)償繩偏角α 關(guān)系式的確定

在圖2所示的接觸網(wǎng)下錨支改變方向后，平衡輪在D 點(diǎn)位置發(fā)生變化，其D 的變化軌跡為一個(gè)橢圓，其中A，B 為2 個(gè)焦點(diǎn)，AD + DB 為長軸長度，AB 為焦距長度，其數(shù)學(xué)模型如圖5所示。

圖5 平衡輪偏移的數(shù)學(xué)模型圖

在圖5中，由平面幾何關(guān)系可知θ 即為接觸網(wǎng)下錨支向下錨方向的偏角，長半軸為a，短半軸為b，半焦距為c，則橢圓方程可以表示為

則其參數(shù)方程可以表述為

式中，t 為參數(shù)（為方便，t 為與y 軸順時(shí)針方向夾角）。

當(dāng)小輪與平衡輪兩側(cè)補(bǔ)償繩平衡時(shí)，平衡輪在D(b,0)處，當(dāng)接觸網(wǎng)下錨支改變方向產(chǎn)生夾角時(shí)，平衡輪在D′(X,Y)處，此時(shí)D 點(diǎn)與D′點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)偏角∠DAD′，即為田野側(cè)小輪補(bǔ)償繩向大輪輪齒偏移的角度，設(shè)其為a，在t= θ 時(shí)，代入式（3），有D′(X,Y)點(diǎn)的坐標(biāo)為

由平面幾何關(guān)系并將式（4）代入，有：

由式（5），得到：

在圖2中，小棘輪與平衡輪間補(bǔ)償繩的單邊工作范圍為390～2 000 mm[2]，經(jīng)測量對應(yīng)的AB 距離分別為280、400 mm，則由橢圓方程式（2）中的參數(shù)關(guān)系得到：

對于時(shí)速v≤160 km 的線路，接觸網(wǎng)下錨支水平面內(nèi)改變方向的偏角其安全值≤12°[3]，因此以0≤θ≤20°的范圍來確定a 與θ 的關(guān)系，以ζ= θ - a表征兩角度的關(guān)系，將上述參數(shù)代入式（6）進(jìn)行計(jì)算，得出如圖6所示的θ 與ζ 的關(guān)系曲線。

圖6 θ 與ζ關(guān)系曲線圖

從圖6可知，在2 條曲線之間的區(qū)域?yàn)樾≥喤c平衡輪間補(bǔ)償繩工作范圍內(nèi)θ 與ζ 的曲線分布，其ζ 較小，近似的認(rèn)為θ= α。

2.3 田野側(cè)補(bǔ)償繩偏移量計(jì)算式的確定

由θ= α 并代入式（1），得出線路側(cè)小輪補(bǔ)償繩偏向大輪輪齒的關(guān)系計(jì)算式：

棘輪連接架卡滯，使得棘輪本體在橫線路方向不能擺動(dòng)或者擺動(dòng)不完全，其田野側(cè)補(bǔ)償繩向大輪輪齒的偏移角度應(yīng)減去棘輪本體自身偏轉(zhuǎn)的角度τ，則式（7）修正為

3 工程實(shí)例

在六沾鐵路背開柱車站78#柱，大輪的半徑R= 240 mm，大輪至輪齒的高度h= 30 mm，側(cè)面限界C= 3 300 mm，YGT70-350/12.5 獨(dú)立鋼錨柱的寬度k= 600 mm，轉(zhuǎn)換柱至棘輪中心的距離 L=50 000 mm，棘輪本體偏轉(zhuǎn)τ= 0°，其小輪田野側(cè)補(bǔ)償繩偏移d 的計(jì)算式如下：

θ= arctan[(C + k / 2)/L]= 4.12°

由圖4及橢圓方程式（2）中的參數(shù)關(guān)系計(jì)算可得tanβ≤0.25、tan(θ-τ)≤0.21，為了在工程上計(jì)算方便，近似認(rèn)為：

則小輪田野側(cè)補(bǔ)償繩向大輪偏移的距離：

d=(2 / 3R + h)×tan(θ - τ)= 13.7 mm

參見圖4、圖5，在棘輪與平衡輪的中心線重合的狀態(tài)下，2 小輪補(bǔ)償繩沿中心線對稱，平衡輪的直徑r= 100 mm，小棘輪與平衡輪間補(bǔ)償繩的單邊工作范圍為390～2 000 mm，其補(bǔ)償繩在對稱的狀態(tài)下偏向大輪的偏移距離d′可由式（9）計(jì)算：

將對應(yīng)的參數(shù)（b= 364 mm，c= 140 mm）、（b= 1 990 mm，c= 200 mm）、r= 100 mm 代入式（9）可得d′的范圍為47～14.3 mm。經(jīng)測量大輪半寬 83 mm，補(bǔ)償繩直徑φ= 10 mm，則兩小輪補(bǔ)償繩在正常對稱運(yùn)行狀況下與大輪輪齒的凈間距為5～97.7 mm。

由計(jì)算結(jié)果可知，棘輪連接架卡滯使兩側(cè)小輪補(bǔ)償繩在平面內(nèi)對大輪的間距不均衡，在線索伸長小輪收縮補(bǔ)償繩的過程中，容易造成田野側(cè)小輪補(bǔ)償與大輪輪齒的安全間距不足甚至發(fā)生摩擦，產(chǎn)生安全隱患，特別是在下錨支偏角相對較大的困難地段危害更加嚴(yán)重。

4 結(jié)語

綜上所述，棘輪連接架卡滯使得兩側(cè)小輪補(bǔ)償繩在平面內(nèi)對大輪的間距不均衡，其田野側(cè)小輪補(bǔ)償繩向大輪輪齒方向偏移，偏移量的大小受棘輪連接架卡滯程度和接觸網(wǎng)下錨支偏角大小的影響。田野側(cè)小輪補(bǔ)償繩向大輪輪齒方向偏移，在運(yùn)行中造成補(bǔ)償繩與大輪輪齒的安全距離不足，容易產(chǎn)生摩擦而形成安全隱患。 因此，在棘輪補(bǔ)償裝置的安裝中，要對連接架的卡滯高度重視，其措施是在安裝過程中嚴(yán)格執(zhí)行工藝標(biāo)準(zhǔn)，對長螺栓銷的螺帽不能擰得過緊，并確認(rèn)框架角鋼不壓迫連接架自由轉(zhuǎn)動(dòng)后，再進(jìn)行下一步安裝工序，以確保棘輪補(bǔ)償裝置投運(yùn)后安全運(yùn)行。

[1]于萬聚．高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M]．成都：西南交通大學(xué)出版社，2003．

[2]保定朝雄電氣化電力器材有限公司．棘輪補(bǔ)償安裝說明書[Z]．

[3]鐵運(yùn)[2007]69號．接觸網(wǎng)運(yùn)行檢修規(guī)程[S]．北京：中國鐵道出版社，2007．