一种拉压式弹簧补偿装置在重庆地铁的运用

引言

2012年,重庆轨道交通6号线一期工程受线路、限界等因素影响,不具备采用传统的重力式坠砣补偿的条件:同时期,国内涡轮卷曲式弹簧在既有线路出现了运行不稳定的情况。后经考察,首次在国内引进了日本新干线成功运营的拉压式弹簧补偿装置(以下简称"弹簧补偿装置"),并在之后的各条线路中作为正线柔性接触网补偿下锚的首选方案,或得了用户的好评。下文就弹簧补偿装置及其在工程中的运用进行总结与探讨。

1弹簧补偿装置的结构

如图1所示,弹簧补偿装置由内部、外部弹簧通过套筒组装而成,弹簧的材料采用高强度的弹簧钢。装置的头、尾分别设连接双耳,用于与线索下锚零件、锚固点之间的连接。外套筒的中部预留弹簧补偿装置的固定安装双耳,内套筒的头部安装读数标尺。当安装完毕并按安装曲线对接触网线材施加张力后,内部套筒被拉出,通过内、外套筒与弹簧之间的传导,为接触网提供恒定的张力输出。

2弹簧补偿装置的选型

弹簧补偿装置目前已形成系列产品,张力范围为10~30kN,标准工作行程为580~1080mm,能够满足城市轨道交通各种工况下接触网下锚补偿的需求。

重庆轨道的正线柔性接触网补偿下锚一般分为三种,即双接触线补偿下锚、双承力索补偿下锚、单承单导并联补偿下锚。三种补偿下锚的额定张力设计值一致,结合重庆地区的温度及锚段长度设置,选用了额定张力为24.5kN的弹簧补偿装置。弹簧补偿装置极限张力偏差为±15%,张力变化范围为20.83~28.18kN,折合单线的张力范围为10.41~14.09kN。文献[1]中规定时速120km/h的线路,接触线的最小张力不宜小于10kN。此种弹簧补偿装置满足地铁线路最高运行时速为100km/h的下锚需求。考虑到实际锚段长度+750m,最终选定了标准工作行程为840mm的产品。

弹簧补偿装置安全可靠、免维护,适用于地铁接触网的下锚安装,但其造价相较于棘轮补偿装置更高。重庆地铁线路最终考虑在正线线路使用弹簧补偿装置,车辆段仍采用棘轮补偿装置下锚。

3弹簧补偿装置的安装

弹簧补偿装置安装简单,适宜在各种型号的支柱上安装,当其安装于隧道内时,满足柔性悬挂安装的断面即可用于弹簧补偿装置的安装,无须对隧道断面进行扩挖,这极大地增加了设计便利性。

3.1支柱上下锚安装

重庆轨道的柔性接触网一般情况下将双支承力索及双支接触线在一根大容量支柱上下锚。当锚柱为7.5m时,承力索下锚弹簧补偿装置通过上部拉杆固定,接触线下锚弹簧补偿装置通过下部的弧形支撑固定,安装方式如图2所示。当安装于声屏障下方或其他空间受限处,支柱高度为7m及以下时,接触线及承力索下锚弹簧补偿装置均可通过下部的弧形支撑固定,安装方式如图3所示。应当注意的是,受下部斜撑影响,采用图2及图3安装方式时,下锚支柱不宜安装双腕臂底座。

图2双承双导在7.5m支柱上下锚安装

图3双承双导在7m支柱上下锚安装

3.2隧道内下锚安装

地铁接触网一般在隧道内采用刚性悬挂,在隧道外采用柔性悬挂。但也经常有两段高架桥之间夹着一段小隧道,为减少刚柔过渡的次数,通常会选择在该段隧道内设置柔性接触网,并在隧道内设接触网下锚。隧道内弹簧补偿装置下锚的安装方式如图4所示,弹簧的中部和尾部均需通过隧道顶部进行悬挂,并通过调整螺栓保持弹簧与下锚支线索的共线,弹簧尾部可根据需要固定在隧道侧壁或通过下锚吊柱固定。

隧道内下锚时,承力索或接触线下锚的弹簧补偿器宜分别单独下锚。

4下锚补偿量的计算

棘轮与坠砣组合形成的补偿装置,可以利用下锚高度与结构面之间的空间提供补偿距离,补偿的距离足够长,特殊情况下可以采用双坠砣串方案,以增加补偿距离。而压缩式弹簧补偿装置依靠弹簧的伸缩提供恒定的补偿,额定工作行程有限,补偿装置的补偿距离是恒定的,这就需要对受补偿导线的伸缩长度进行更为精确的计算。

国内采用棘轮补偿时,一般利用公式(1)进行导线的伸长量计算:

式中:l为导线(接触线或承力索)的伸缩量;L为接触线或承力索硬锚(或中锚)至补偿器的距离;a为接触线或承力索的线胀系数;11为设计中采用的最低温度值;12为设计中采用的最高温度值。

公式(1)的模型较为简单,未考虑线材形变及张力变化等因素引起的伸缩量变化。鉴于棘轮补偿装置的下方一般都有足够的补偿距离,该计算方法可以完全满足工程实际的需要。

弹簧补偿器由于补偿量恒定,需要更加精确地计算导线的伸长量,公式(2)为弹簧补偿器的伸缩量计算公式:

式中:E为弹性模量;A为接触线或承力索硬锚的截面积;T1为接触线或承力索在设计最低温度时的张力:T2为接触线或承力索在设计最高温度时的张力:W为接触线或承力索单位长度的重量:s为跨距。

公式(2)分为三部分,其中L×a×(12-11)为仅考虑线材本身的材质特性及温度变化的伸长量,

为导线温度变化引起的弹性收缩为弛度引起的收缩量。

线材本身的伸缩量扣除导线温度变化引起的收缩量及弛度引起的收缩量后,其值更加接近导线在补偿器位置的实际伸长量。

5弹簧补偿装置下锚的安装注意事项

5.1跨江大桥伸缩缝对下锚的影响

重庆主城区有两江四岸,跨江大桥众多,当柔性接触网下锚跨越大桥伸缩缝时,应特别注意桥梁伸缩缝对接触网补偿下锚的影响。

根据桥梁跨度的不同,重庆已建轨道跨江大桥的伸缩缝长度一般在300~700mm,设计伸缩量最小一般±100mm,最大±385mm。当桥梁伸缩量较小时,通过减小锚段长度的方式,保证导线的伸缩量与桥梁的伸缩量的总和位于弹簧补偿装置的补偿范围之内即可。但当桥梁伸缩缝过大时,比如±385mm的桥梁伸缩量已基本用完了弹簧补偿装置的补偿量,那么只能采用棘轮与坠砣的补偿方式,利用棘轮下锚与桥面之间的高度来完成对接触网的补偿下锚。

5.2新线蠕变的影响

接触线及承力索新线架设后,无论是否采用恒张力放线,均无法完全克服新线蠕变的影响。通常情况下,采用棘轮加坠砣补偿下锚时,可以根据经验去考虑新线蠕变的长度,然后在下锚调整时对下锚高度进行预留,最大程度避免对下锚进行二次调整。而且采用坠砣下锚时,补偿距离一般情况下均足够大,很容易克服新线蠕变的影响。

采用弹簧补偿装置时,新线蠕变将对弹簧补偿装置的补偿量产生影响,后期的调整也较为困难。施工安装时宜对线材进行超拉,以克服新线的蠕变量。但新线超拉对工艺要求较高,而且没有较为统一的超拉工艺,超拉过程对接触网及其零部件的影响也不易评估,所以,对新线接触网超拉的使用案例较少。

实际下锚安装中,施工过程一般会根据经验去估算不同锚段长度的蠕变量,采用增加临时连接杆件的方式去克服新线蠕变的影响,并结合调整螺栓对下锚补偿量进行调整,最终可以避免对下锚终端进行多次的反复拆装,保证下锚安装的可靠性。

5.3天气条件对安装的影响

一般情况下,下锚补偿安装曲线的计算,均利用气温与锚段长度之间的关系曲线。但露天环境下,阳光直晒时,特别是高温天气,导线的温度明显高于气温,此时利用气温进行弹簧补偿装置的调整会出现一定的偏差。由于导线的平均温度不易测量,建议根据气温进行弹簧补偿器刻度调整时,选择在阴天或清晨进行。

6结语

弹簧补偿装置在重庆地铁线路中已成功运营10年,其具有安全性高及免维护的特性:因其外观结构较棘轮补偿装置简洁,景观效果较为明显:特别是当土建条件受到制约时,弹簧补偿装置可以极大地节约限界空间,解决现场的实际问题。

当然,弹簧补偿装置的运用对设计及施工的要求更加严格,在使用弹簧补偿装置时,应根据其特点,在前期进行充分的设计预留。比如跨越大伸缩缝时的接触网锚段设置须经计算后确定,若条件不允许,必要的时候应更换下锚补偿的方式。

弹簧补偿装置结合合理的设计以及施工安装工艺,将达到良好的长期运营效益,在充分考虑经济性的前提下,可作为新建及改造工程接触网下锚补偿的优质比选方案。