浅谈气动式张力补偿装置的开发与应用

孙晋敏

（宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司，浙江 宁波 315000）

0 前言

在电气化铁道供电系统中，为了保证机车受电弓的良好取流，接触网线必须保持稳定的张力，而张力补偿装置的作用就是及时补偿环境温度引起的网线张力变化，确保列车的正常运营[1]。现在用的接触网张力补偿装置主要有2 种，分别是重力式（滑轮式和棘轮式）以及弹簧式的补偿装置，但不管是重力式还是弹簧式补偿装置都不同程度的存在着安装维护复杂、成本高、造型及城市景观差等方面的不足。在高速发展的电气化轨道交通尤其是地铁等城市轨道交通方面亟需改善[2]。气动式补偿装置在涉及阶段对其结构及可靠性进行了充分的论证，并在试车线接触网试用中性能满足现场使用要求，在电气化铁路接触网系统推广应用上具有显著的经济效益和广泛的社会效益。

1 工作原理

气动式张力补偿装置主要由储气筒、工作腔2 个部分组成，工作及储能介质采用高纯度的氮气。

气动式张力补偿装置的工作原理是利用惰性气体的热胀冷缩特性带动补偿装置中的活塞杆拉入或伸出，从而补偿拉线随温度变化而伸长或收缩。气动式张力补偿装置通过科学的结构参数设计使其变化过程始终是等时、等量进行。

在设计气动式张力补偿装置时，它的结构尺寸从以下3个方面考虑：强度要足够、重量体积尽可能小以及满足补偿精度正负3%。

为了满足城市轨道交通接触网双线24 kN 大张力的要求，活塞缸径选90 系列的产品，即缸孔直径为90 mm。活塞缸径太大增加了整个装置的重量和体积，缸径太小会导致气体压力太大。缸筒壁厚及活塞杆通过强度核算分别定为5 mm和25 mm。

活塞行程尺寸根据设计技术要求环境温度负20 至正46度（预留4 度），结合锚段长度，依据网线随温度变化而伸缩所遵循线性热涨冷缩公式可直接算出。

其他尺寸的确定根据气动补偿装置工作原理—环境温度变化所引起的活塞杆位移和网线收缩或伸长要同时、等量来完成来进行。

对于网线，其变化遵循线性热涨冷缩公式

式中： ΔL—伸缩量。

α—管材膨胀系数。

L—管材长度。

T1—管内介质最高温度。

T2—安装时环境温度。

对于高纯度惰性气体氮气，在常温和常压的情况下，可视其为理想状态的气体。同时张力恒定时气体压力保持不变，气体随环境温度变化遵循盖·吕萨克定律。

式中：V1—变化前气体体积。

T1—变化前温度。

V2—变化后气体体积。

T2—变化后温度。

由于气体压力比较高及冬天环境温度低，所以用标准化气态方程计算与实际是有一定出入的，为了使补偿装置补偿精度更精准，在计算时我们引入了实际气体状态方程式。

式中：Z—压缩因子。

T—气体温度。

V—气体T 温度下实际体积。

V0—气体T 温度下实际体积。

P—气体压强。

Pr—对比压力。

Tr—对比温度。

Pc—气体临界压强。

Tc—临界温度。

f（）—函数关系：双参数压缩因子图。

对气动补偿装置结构参数进行科学有效的设计，思路分2 部分（整个计算略去）。1）对补偿装置结构基本尺寸的确定。 依据公式（2），分2 种温度状态，第一种状态为活塞位置右端面作为负20 度，第二种状态为任意温度，把体积公式展开带入公式（2）中，推导出温度变化所引起活塞位移量ΔH 计算公式。同样把两种温度代入（1）ΔL=αL（T1-T2），然后ΔH=ΔL，可以分别计算出其他尺寸。2）补偿装置活塞行程量的修订根据式（4），在补偿温度范围内相隔5 ℃分别计算出各温度状况时的Tr，再用（3）式求出Pr，然后，根据Pr 和各温度状况下的Tr 在双参数压缩因子图里查出各温度状况下的Z 值。最后，从（3）式计算出各温度状况下的体积差并推导出活塞行程量差，再结合网线线胀系数在不同温度间隔变化情况，对活塞行程量和温度标尺刻度量进行修订。

气动式张力补偿装置在安装使用前，参照铁路行业标准以及气体、液压类产品的相关标准，根据该产品性能特性要求，对气动式张力补偿装置进行了操作性能、静态密封、动态密封、强度测试等8 个方面进行了测试（具体详见表1）。测试目的就是确认产品具有较高的可靠性、稳定性[3]。这8项测试中，前5 项每个阶段的产品必须做，后面4 项是产品定型时仅做一次。

表1 详细测试内容

2 试用

气动张力补偿装置外表面设计有温度标尺，将网线随温度变化直观地显现出来。环境温度变化时，为保持网线张力恒定，补偿装置外罩壳端部随着活塞杆部移动压在温度刻度尺当时的温度刻度线上。

为准确观测装置运行状况，工作日每天跟踪观测两次并做好记录，主要记录补偿装置刻度尺显示温度和观测时环境温度，两者差值就是补偿装置补偿误差。

在此，把承力索补偿装置240 天的跟踪数据（详见表2）和气动式补偿装置90 d 的跟踪数据（详见表3）作为录用数据进行整理。

表2 承力索补偿装置跟踪数据分析表

表3 气动式补偿装置跟踪数据分析表

综上所述，气动式张力补偿装置在试车线接触网接触线和承力索上，运行稳定、性能优越，完全符合设计要求，应用效果显著。

3 结语

气动式张力补偿装置，以其独特的设计、高可靠性、便捷的安装维护等优势，在试车线接触网线上得到成功的应用，为我国电气化铁道接触线张力补偿装置的创新应用增加了一个新的支撑点，为适应电气化高速铁路的发展提供了一个强有力的技术保障，具有在铁道电气化轨道接触网上广泛推广、应用的价值。