棘輪下錨補(bǔ)償裝置斷線制動(dòng)研究與探討

魏 瑩

棘輪下錨補(bǔ)償裝置斷線制動(dòng)研究與探討

魏 瑩

斷線制動(dòng)是棘輪下錨補(bǔ)償裝置最主要的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一；分析其結(jié)構(gòu)、工作及運(yùn)動(dòng)原理，通過(guò)深入計(jì)算研究、CAD軟件動(dòng)態(tài)放樣，更精確計(jì)算棘輪制動(dòng)卡板位置，以提高高速接觸網(wǎng)運(yùn)行可靠性。

棘輪下錨補(bǔ)償裝置；斷線制動(dòng)；棘輪設(shè)計(jì)；建模裝配

0 引言

棘輪下錨補(bǔ)償裝置是高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)及城市軌道交通系統(tǒng)中重要的組成零部件，補(bǔ)償因溫度變化發(fā)生熱脹冷縮情況下引起線索張力增大或縮小，以保證其接觸線或承力索的弛度及張力基本恒定，使得接觸懸掛的穩(wěn)定性及彈性得到改善，確保電力機(jī)車受電弓與接觸線可靠接觸、受流良好。棘輪補(bǔ)償裝置具備斷線制動(dòng)功能，一旦發(fā)生斷線事故或其他異常情況可快速制動(dòng)，防止墜砣串落地，縮小接觸網(wǎng)事故范圍，快速恢復(fù)運(yùn)營(yíng)使用。斷線制動(dòng)是棘輪補(bǔ)償裝置的最主要關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，《300～350 km/h電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備》（OCS-3）對(duì)其斷線制動(dòng)要求進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定；其運(yùn)行速度越快，對(duì)裝置要求越高，有必要對(duì)其進(jìn)行深入研究，精確計(jì)算制動(dòng)卡板位置，提高制動(dòng)效果，保證高速接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)運(yùn)行安全要求。

1 工作原理

棘輪下錨補(bǔ)償裝置由棘輪本體、棘輪軸、擺桿、制動(dòng)架、連接銷軸、支撐托板、制動(dòng)卡板、補(bǔ)償繩、平衡輪等組成，如圖1所示。棘輪下錨補(bǔ)償裝置工作時(shí)，小輪上纏繞的補(bǔ)償繩連接到平衡輪，并通過(guò)絕緣子和接觸線或承力索相連；大輪上纏繞的補(bǔ)償繩連接至墜砣。大輪帶有棘齒，棘輪通過(guò)擺桿安裝在制動(dòng)架上。在正常工作狀態(tài)，制動(dòng)卡板與最近大輪輪齒頂之間保持15～20 mm的間隙，棘輪繞著棘輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸線或承力索的張力自動(dòng)補(bǔ)償。當(dāng)接觸線或承力索斷線時(shí)，墜砣下落，棘輪在重力作用下，通過(guò)擺桿帶動(dòng)其擺動(dòng)，當(dāng)棘輪跟著擺桿轉(zhuǎn)過(guò)一定角度運(yùn)動(dòng)到制動(dòng)卡板位置時(shí)，制動(dòng)卡板與棘輪齒相互作用阻止棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)斷線制動(dòng)的目的。

圖1 棘輪補(bǔ)償裝置工作原理圖

2 棘輪下錨補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)

假設(shè)已知棘輪大輪繩槽直徑D1= 511 mm、小輪繩槽直徑D2= 164 mm；補(bǔ)償繩直徑D3= 9.5 mm，棘輪齒頂圓直徑D4= 566 mm、齒根圓直徑D5= 540 mm。

設(shè)棘輪質(zhì)量m1= 15 kg，大輪補(bǔ)償繩中心線圓半徑為R，小輪補(bǔ)償繩中心線圓半徑為r。

2.1 棘齒設(shè)計(jì)

棘輪補(bǔ)償裝置采用擺桿單向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，棘齒采用目前機(jī)械行業(yè)常用的承受較大載荷的不對(duì)稱梯形齒，棘輪齒面與徑向線夾角為零度，即棘輪齒面連線通過(guò)齒頂圓圓心，如圖2所示。

圖2 棘輪初始工作位置力學(xué)模型圖

2.2 擺桿初始傾角的確定

由于棘輪本體的重力及連接部位的摩擦力相對(duì)于線索張力、墜砣重力較小，為了便于分析，忽略其力的影響，簡(jiǎn)化力學(xué)模型，參見圖2。設(shè)導(dǎo)線的張力為F1，墜砣的重力為G，擺桿對(duì)棘輪本體的拉力為F2，擺桿初始傾角為β0。

根據(jù)平面匯交力系平衡方程：ΣMo= 0，ΣFx= 0，ΣFy= 0，可得：

由式（3）—式（5）可得：

將式（1）、式（2）代入式（6）可得β0≈71°

由上述計(jì)算可得，在忽略棘輪本體重力及摩擦力的情況下，擺桿初始傾斜角β0≈71°。

2.3 制動(dòng)卡板相對(duì)位置確定

以京滬高鐵用反制動(dòng)棘輪補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)為例，分析計(jì)算制動(dòng)卡板的位置。設(shè)導(dǎo)線張力F1= 30 kN。

棘輪斷線運(yùn)動(dòng)模型可以分解為隨擺桿以圓心n、擺臂長(zhǎng)為半徑的圓順時(shí)針平動(dòng)及繞棘輪軸o自轉(zhuǎn)，下文分別加以分析。

2.3.1 棘輪斷線平動(dòng)時(shí)間計(jì)算

棘輪隨擺桿平動(dòng)到制動(dòng)位置力學(xué)模型簡(jiǎn)化為一單擺結(jié)構(gòu)：將棘輪及墜砣看成一重球，與無(wú)重量長(zhǎng)桿相連，繞旋轉(zhuǎn)中心n擺動(dòng)。設(shè)重球的質(zhì)量為m，重力加速度g = 10 m/s2，切向加速度為aτ，擺桿角度為β，初始角由2.2節(jié)計(jì)算得β0= 71°≈1.24 rad，擺桿長(zhǎng)l = 380 mm，弧長(zhǎng)為s，見圖3。

圖3 棘輪斷線平動(dòng)力學(xué)模型圖

代入牛頓第二定律：

2.3.2 棘輪斷線自轉(zhuǎn)角度Ψ 計(jì)算

棘輪繞棘輪軸自轉(zhuǎn)力學(xué)簡(jiǎn)化模型：半徑為R、質(zhì)量為m1的勻質(zhì)圓盤繞通過(guò)盤心o垂直盤面的水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)軸與圓盤之間的摩擦略去不計(jì)。圓盤上繞有輕而細(xì)的繩索，繩的一端固定在圓盤上，另一端系質(zhì)量為m2的墜砣，見圖4。

圖4 棘輪斷線自轉(zhuǎn)力學(xué)模型圖

設(shè)繩的張力為T，轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度為a，角速度為w，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為Ψ，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J，切向加速度為aτ，墜砣重量為G，重力加速度g = 10 m/s2，R = 0.265 m，m1= 15 kg。；并將F1= 30 kN，m1= 15 kg，g = 10 m/s2，R = 0.265 m代入求得：

2.3.3 斷線制動(dòng)時(shí)釋放繩長(zhǎng)計(jì)算

棘輪斷線制動(dòng)時(shí)，棘輪大輪輪體釋放繩長(zhǎng)s等于隨擺桿平動(dòng)到制動(dòng)位置釋放繩長(zhǎng)s1及運(yùn)動(dòng)到制動(dòng)位置因棘輪自轉(zhuǎn)釋放繩長(zhǎng)s2之和。即：

2.3.4 CAD軟件計(jì)算制動(dòng)卡板位置

以正常工作時(shí)棘輪齒頂至制動(dòng)卡板最大間隙20 mm臨界條件進(jìn)行CAD軟件建模計(jì)算制動(dòng)卡板位置。

棘輪斷線初始位置如圖5。設(shè)擺桿初始傾角為71o。已知棘輪齒形角γ =10°，擺桿長(zhǎng)l = 380 mm，棘輪制動(dòng)架立柱長(zhǎng)495 mm，制動(dòng)架立柱中心至旋轉(zhuǎn)軸中心距離為72 mm，支撐托板距立柱下端面距離為10 mm，制動(dòng)卡板厚度δ1= 16 mm，支撐托板厚度δ2= 12 mm。

（1）初步確定制動(dòng)卡板的位置。以棘輪的平動(dòng)軌跡初步確定制動(dòng)卡板的位置。因棘輪隨擺桿繞圓心n、半徑l的圓順時(shí)針平動(dòng)，棘輪輪體圓心必在該圓上運(yùn)動(dòng)，如圖6所示。當(dāng)擺桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)Δβ = 5°時(shí)，棘輪輪體圓心由o運(yùn)動(dòng)到o1，Ⅲ、Ⅳ齒與止動(dòng)圓（Φ = D4+ 2×20 = 606 mm）相交；制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)卡板邊緣線（如E1F1、EF）與棘輪齒頂、齒根連線相重合，并通過(guò)o1點(diǎn)。假設(shè)Ⅲ齒制動(dòng)，支撐托板C1D1有效長(zhǎng)度約70 mm（D1點(diǎn)距齒頂至少

圖5 棘輪斷線初始位置模型圖

圖6 棘輪斷線運(yùn)動(dòng)模型圖

根據(jù)制動(dòng)卡板位置EF線確定支撐托板的位置及加強(qiáng)板位置，棘輪制動(dòng)架各組成部分均不能阻礙棘輪運(yùn)動(dòng)，如圖7所示。

（2）修正制動(dòng)卡板的位置。根據(jù)棘輪自轉(zhuǎn)角度修正其制動(dòng)卡板的相對(duì)位置。當(dāng)棘輪平動(dòng)到圖7位置時(shí)，擺桿擺動(dòng)角度，Δβ = 5°≈0.087 rad， β = 66°≈1.15 rad；并將其角度值代入式（9）、式（16）、式（17）可得：

棘輪自轉(zhuǎn)角度Ψ≈6°，自轉(zhuǎn)不到1個(gè)齒，對(duì)卡板制動(dòng)位置影響可以忽略不計(jì)；此時(shí)棘輪釋放繩長(zhǎng)s≈61 mm，滿足《300～350 km/h電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備》（OCS-3）規(guī)定。即斷線時(shí)，墜砣下降距離不大于200 mm。

圖7 棘輪斷線制動(dòng)位置模型圖

通過(guò)斷線制動(dòng)試驗(yàn)驗(yàn)證其制動(dòng)卡板位置。試驗(yàn)結(jié)果為斷線制動(dòng)時(shí)，墜砣下降距離約63 mm，與理論計(jì)算棘輪釋放繩長(zhǎng)約61 mm相當(dāng)吻合。

The break brake is one of the key technical parameters for ratchet wheel anchorage compensation device; its structure, working and motion principles have been analyzed, and the position of ratchet wheel braking plate has been calculated on basis of detailed calculation, research, CAD software dynamic lofting, so as to improve operation reliability of overhead contact system of high speed railway.

Ratchet wheel anchorage compensation device; break brake; ratchet wheel design; modeling assembly

3 結(jié)語(yǔ)

U225.4

B

1007-936X(2015)02-0011-04

魏 瑩.中鐵電氣化局集團(tuán)寶雞器材有限公司，工程師，電話：13991711892。