（机械电子工程专业论文）基于涡卷弹簧的新型恒张力装置的设计.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 在铁路工程、石油化工等领域，电气化列车接触网、石油管道等 由于全年环境气候温度变化很大，为防止上述设备等的热胀冷缩造成 张力装置张力变化过大，使列车接触网拉力变化过大造成列车输电电 流不稳定、石化的管道变形产生泄漏，需要一种恒张力装置来吊装或 拉紧。本文提出了一种基于涡簧与阿基米德螺线槽轮相结合的恒张力 装置，对其工作原理、性能分析、详细结构进行了较全面研究，并对 装置的关键零件进行了强度校核，最后加工出实物样机，并进行了性 能试验研究。 首先对恒张力补偿装置的工作原理进行分析，提出了一种采用涡 簧加阿基米德螺旋线槽轮相结合方式的新型恒张力补偿装置，完成了 其方案设计及部分理论分析计算； 其次，根据高速铁路列车接触网和电气化列车接触网等工程实际 要求设计出了系列化恒拉力装置中涡簧等关键件的相关主要参数。 再次，完成j ，新型系列化涡簧恒张力补偿装置的详细结构设计， 并使用p r o e 完成了整个装置的三维实体建模，使用a n s 路对关键零件 的强度进行了校核。 最后，完成了新型涡簧恒张力装置实体样机的加工试制，并进行 了若干相关性能的试验工作。 总之，这种新型电气化恒张力涡簧补偿装置会克服以往各种依靠 外源补偿的补偿装置存在的不足之处，提供一种用预卷紧的接触式平 基于涡卷弹簧的新型恒张力装置的设计 面涡卷弹簧储存的弹性变形能，作为内源自动补偿张紧电气化铁道接 触网长度变化的装置。这种纯机械的高性能装置能确保其张力，并适 应其长度的变化，且维持稳定，相对其他恒张力装置而言，显著地结 构紧凑，体积和重量大幅度缩小和减轻。从而也为其他类似的工程应 用提供一种新的选择，具有极其广阔的市场运用前景和巨大的市场应 用价值。 关键词：恒张力补偿装置；涡簧；阿基米德螺线槽轮；结构分析；建 模仿真；试验 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t i nr a i l w a ye n g i n e e r i n g ，p e t r o c h e m i c a la n do t h e rr e l e v a n tf i e l d s ，c o n t a c tl i n eo n e l e c t r i ct r a i n sa n do i lp i p e l i n e sr e q u i r eal ( i n do fd e v i c et op r o v i d ec o n s i s t e n th o i s t i n g o rt e n s i o n i n gf o r c e t h et e n s i o nf l u c t u a t eg r e a t l yb e c a u s eo ft h e r m a le x p a n s i o na n d c o n t r a c t i o nc a u s e db yt e m p e r a t u r ea n dc l i m a t ec h a n g e sb e t w e e ns e a s o n s t h e p i p e l i n em a yl e a kb e c a u s eo ft h ed e f o r m a t i o na n dt h ec u r r e n tm a yb eu n s t a b l ei n p o w e rt r a n s m i s s i o nt r a i nw h i c hc a u s e db y t h ef l u c t u a t i o n so ft h et e n s i o n t h e r e f o r e , i ti sp a r a m o u n tt od e s i g nak i n do fd e v i s et op r o v i d ec o n s i s t e n tt e n s i o na n db a s e do n t h i sb a c k g r o u n dak i n do fd e v i c ew a sr a i s e du pw i t hc o n s t a n tt e n s i o nc o i ls p r i n g i t s d e t a i l e ds t r u c t u r ea n dp e r f o r m a n c eb e h a v i o rw e r ec o m p r e h e n s i v e l yc o m p l e t e db a s e d o ni t sw o r k i n gp r i n c i p l e ，a n da f t e rt h a tt h es t r e n g t hc h e c ko fi t sk e yp a r t sw e r ed o n e f i n a l l yp r o c e s s i n g t h ep h y s i c a lp r o t o t y p e ，a n dt e s t i n gi t sc o n d u c e dp e r f o r m a n c e f i r s t ，t h ew o r k i n gt h e o r yo fc o n s t a n tt e n s i o nc o m p e n s a t i o nd e v i c ew a s r e s e a r c h e d ，a n dan e wk i n do fc o n s t a n tt e n s i o nd e v i c ew a sp r e s e n t e db a s e do i lt h e p r i n c i p l ew h i c ha d o p t sc o i ls p r i n gw i t ht h ec o m b i n a t i o no f a r c h i m e d e s s e c o n d ，a n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h em a i np a r a m e t e r sr e l a t e dw e r ea l s o c o m p l e t e da f t e rt h e o r yh a sb e e na p p r o a c h e d t h i r d ，t h ed e t a i l e ds t r u c t u r eo ft h es e r i e sc o n s t a n tt e n s i o nc o m p e n s a t i o nd e v i c e w a sd o n ew h i c hi n c l u d ec o i ls p r i n g , a f t e rt h a ta l lt h ek e yp a r t si nt h ed e v i s ew e r e m o l d e di np r o es o f t w a r ea n dt h e nt h es t r e n g t hc h e c ko ft h e mw e r ea l s oc o m p l e t e d i nt h ea n s l ss o a r e l a s t ，an e wt y p eo fp h y s i c a lp r o t o t y p eo fc o i ls p r i n gc o n s t a n tt e n s i o nd e v i c e w a sw o r k e do u t ，a n ds e r i e so f p r o t o t y p e sp r o p e r t i e sw e r ea l s oc o m p l e t e d a l li na l l ，t h ea d v a n t a g e so ft h ed e s i g n e dd e v i c ei st h a ti ta v o i dt h e d i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a ld e v i c e s ，n a m e l y ，t h et e n s i o nc o m p e n s a t i o nr e l i e d o ne x o g e n o u sc o m p e n s a t i o nd e v i c e ，a n dp r e s e n t e dat e n s i o nc o m p e n s a t i o nt h e o r yo f e l a s t i cd e f o r m a t i o ne n e r g ys t o r e di np r e - r o l ls c r o l ls p r i n g t h i sd e v i c ec a np r o v i d e t h et e n s i o nc o m p e n s a t i o nt h r o u g ht h es p r i n gd e f o r m a t i o n t h i sp u r em e c h a n i c a l 基于涡卷弹簧的新型恒张力装置的设计 h i g h - p e r f o r m a n c ed e v i c ec a l le n s u r ei t st e n s i o no nac o n s t a n tv a l u e ，a n dr e m a i n e d s t a b l e o t h e r w i s e ，t h e m o s t h i g h l i g h ta d v a n t a g e i st h a tt h es t r u c t u r ei s c o m p r e h e n s i v e l yc o m p a c t e d b e c a u s eo ft h i s ，i t ss i z ea n dw e i g h ta r eg r e a t l yr e d u c e d c o m p a r e d w i t ho t h e rc o n s t a n tt e n s i o nd e v i c e s i tp r o v i d e san e wo p t i o ni n a p p l i c a t i o nf o ro t h e rs i m i l a rp r o j e c t sa n d h a r b o r sl l t l g ev a l u ei ni t sp r o m i s i n gm a r k e t w i t he x t r e m e l yb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t k e yw o r d s ：c o n s t a n tt e n s i o nc o m p e n s a t i o nd e v i c e ；c o i ls p r i n g ；a r c h i m e d e sh e e l ；d e s i g n o ft h es t r u c t u r e ；m o d e l i n g s i m u l a t i o n ；t e s t i n g i v 江苏大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的背景及研究的意义 随着我国的铁路事业飞速发展，高速铁路、城际铁路、电气化铁路、城市 轨道交通的建造以及已有线路的电气化改造，机车的类型已转变为电力机车、 动车等新型机车，需要通过电弓与接触线保持接触来维持供电运行，为防止接 触线在纵向或横向出现弹性变形过大而造电弓离线，使机车停运，需要一种可 以保持恒张力的弹性补偿装置来连接承力索、接触线或软横跨。而接触网补偿 装置是承力索和接触线在气温变化时保持工作张力恒定的重要装置，其性能好 坏直接影响着接触网的悬挂弹性、接触线在空间几何位置的标准状态等，对减 少弓网故障有重要的意义近年来，补偿装置从形式和性能上都发生了很大的变 化，随着新产品研制的步伐不断加快，为高速铁路、电气化铁道和城市轨道交 通提供了更多的选择。 1 2 接触网国内外研究现状和发展趋势 国外高速接触网悬挂类型基本上可归为三类：即以日本为代表的复链型悬 挂、以法国为代表的简单链型悬挂和以德国为代表的弹性链型悬挂【l j 。 日本于1 9 6 4 年l o 月1 只开通了世界上第一条高速铁路一东京新大阪的东 海道新干线，接触网采用合成复链型悬挂方式，接触线( c u l1 0 ) 张力为1 0 k n ， 最高运营速度为2 2 0 k m h 。 法国于1 9 8 3 年9 月建成了全长为4 2 6 k m 的巴黎里昂( 东南线) 第一条高速 铁路，采用的是弹性链型悬挂，接触线( c d c u l 2 0 m m ) 张力为1 4 k n ，运营速度为 2 7 0 k m h 。2 0 0 1 年6 月，法国的地中海线开通，最高运营速度为3 5 0 k m h ，接触 网采用b z l1 6 + c u s n l 5 0 c u m 9 1 5 0 全补偿简单链型悬挂，接触线张力为2 5 k n 。 德国于7 0 年代中期在总结r e 7 5 、r e l 0 0 、r e l 6 0 、r e 2 0 0 四种标准悬挂的 基础上，研制出了r e 2 5 0 标准接触悬挂，并分别于1 9 9 1 年6 月和1 9 9 2 年6 月 开通了曼海姆斯图加特和汉诺威维尔茨堡的高速铁路，最高运营速度均为 2 5 0 k m h ，采用的是弹性链型悬挂，接触线( r i s l 2 0 m m 2 ) 张力为1 5 k n 。 从2 0 0 1 年起，我国开始实施第十个五年计划。在“十五”期问，我国铁路 基于涡卷弹簧的新型恒张力装置的设计 的发展重点是，加强路网主通道建设，加快西部铁路发展，继续实施提速战略， 适当建设高速铁路，利用新技术改造传统产业。改造传统产业主要是加强对既 有线改造力度，加快铁路电气化改造进程，适应国家能源结构调整需要。铁路 电气化建设与以往不同的是注重联网效益，要成网、成片考虑，以较大幅度提 高运输能力。2 0 0 1 2 0 1 0 年是我国现代化建设实现第三步战略部署的1 0 年， 也是我国由电气化铁路大国迈入电气化铁路强国的1 0 年，是非常重要的1 0 年。 我国4 条主要繁忙长大干线京哈线、京广线、京沪线和陇海线都将全线实 现电气化( 如图1 1 ) ，而且我国的电气化铁路在建设旱程、电气化率、电气化完 成铁路运量比重、电气化复线率、电气旅客列车运行速度、电气货物列车牵引 重量、电气化技术标准化、电气化设备国产化、电气化运营管理现代化、电气 化运行可靠性、电力机车和电动车组制造技术及电气化铁路综合运营效益等方 面都已接近或赶上世界先进水平，当然接触网悬挂类型也是多种多样，具体主 要有以下几种【2 i ( 见表1 1 ) 。 图1 1 电气化铁路 f i g1 - 1e l e c t r i f i e dr a i l w a y 表1 一l 我国高铁接触网补偿装置种类 t a b l e l lt y p e so f c o m p e n s a t o r 江苏大学工程硕士学位论文 1 2 1 可锻铸铁滑轮组 从修建第一条电气化铁道至2 0 世纪9 0 年代中期，接触网补偿装置一直使 用可锻铸铁滑轮组。在结构上，可锻铸铁滑轮组采用单个滚动轴承，铸造工艺 制造的1 3 0 m m 小直径可锻铸铁滑轮，补偿绳为5 0 m m 镀锌钢绞线，最大工作 荷重为1 2 4 k n ，安装情况如图1 2 所示。 可锻铸铁滑轮组具有适用范围广、结构简单、造价低、安装方便等优点， 但结构复杂，占用空间大，不适用于隧道或地下等有限空间使用。 坠 图i - 2 可锻铸铁滑轮组 f i g1 - 2m a l l e a b l ec a s ti r o np u l l e yi n s t a l l a t i o nd i a g r a m 1 2 2 铝合金滑轮补偿装置 铝合金滑轮补偿装置( 图1 3 ) 是可锻铸铁滑轮组的替代产品。铝合金滑轮 补偿装置是由滑轮组、不锈钢丝绳、连接框架及双耳楔型线央组成，备有l ：2 ， l ：3 ，l ：4 三种规格，可满足不同标准张力要求。 与可锻铸铁滑轮相比，铝合金滑轮重量轻、强度高、耐腐蚀性能好、轮径 大；柔韧的不锈钢丝绳与大直径的轮槽贴合密切，是镀锌钢绞线无法相提并论 的；2 个滚动轴承比一个滚动轴承受力更加均匀，转动平稳、灵活；加上在结 构、设计、制造方面都精良的连接框架，保证了铝合金滑轮补偿装置具有较高 的机械强度和传动效率，且重量轻、寿命长等优点。铝合金滑轮补偿装置的主 要缺点是随着变比的增大，整套装置的体积和重量也明显增加，在空间受限制 的隧道等处安装困难。 3 基于涡卷弹簧的新型恒张力装置的设计 坠砣端 图1 3 铝合金滑轮补偿装置 f i g1 - 3a l u m i n u mp u l l e yc o m p e n s a t o r 1 2 3 棘轮式张力补偿装置 铁路运行速度的不断提高，对接触网的可靠性要求越来越高，如何在接触 网发生故障后缩小事故范围、防止坠砣下落侵入限界、丢失成为新的课题。同 时，城市轨道交通在地下、车站等处由于受空间限制，无法安装铝合金滑轮补 偿装置。为解决这个问题，棘轮装置应运而生。棘轮装置的最大特点是棘轮与 其它工作轮共为一体，棘轮本体大轮直径为5 6 6 m m ，小轮直径为1 7 0 m m ，传动 比为l ：3 ，补偿绳为柔性不锈钢丝绳，比普通不锈钢丝绳性能更好，工作荷重 有3 0 k n 、3 6 k n2 种，主要优点一是具有断线制动功能，二是安装空间比铝合 金滑轮补偿装置小很多，其示意图如图1 - 4 所示。 。 坠砣端 图1 - 4 棘轮式张力补偿装置 f i g1 - 4r a t c h e tp u l l e yd e v i c e 4 江苏大学工程硕士学位论文 1 2 4 弹性补偿器 多年来，我国电气化铁道一直未对软横跨进行过补偿。在气温升高时，软 横跨会因此松弛，造成接触网下坠：或是钢柱承受额外的大张力，严重威胁接 触网安全。哈大线是东北地区首条电气化铁道，全年气温变化悬殊，如不对软 横跨进行补偿，无法保证接触网的安全。弹性补偿器是哈大线采用的软横跨补 偿装罱，如图1 5 所示。 支柱端 图1 5 弹性补偿器 f i g1 - 5h e x i b l ec o m p e n s a t i o n 弹性补偿器工作原理为虎克定律。其内部固定有一个弹簧，弹簧具有一定 的初始压缩力。当软横跨定位绳伸长时，弹簧被释放，工作杆收回拉紧软横跨 定位绳；当软横跨定位绳收缩时，弹簧被压缩，工作杆伸出，使软横跨定位绳 的张力保持在一定范围内。目前弹性补偿器有0 - - 一3 k n 、3 - 6 k n 两种型号。弹 性补偿器具有结构简单、安装方便、价格低廉等优点。 1 2 5 液气式张力补偿器 液气式张力补偿器最初是为了解决上海明珠线一期工程中下锚支柱与拉线 不在同桥上的问题而研制的。由于钢拉线的线胀系数与混凝土的相差较多， 当下锚支柱与拉线不在同一桥上时，理论计算结果表明，这一相差在极端温度 条件下足以将锚柱拉倒! 因此必须对拉线张力进行补偿。液气式张力补偿器就 是对拉线进行补偿的装置，其工作荷重为3 2 k n ，补偿精度大于5 ，工作温度 范围为4 0 - 6 0 ，整体重量小于5 0 k g ，如图1 - 6 所示。 基于涡卷弹簧的新型恒张力装置的设计 图l _ 6 液气式张力补偿器 f i g1 - 6at y p eo fl i q u i d - g a st e n s i o nc o m p e n s a t o r 液气式张力补偿器的主要特点是体积小、重量轻、安装方便、补偿精度高、 技术含量高。根据使用要求，可以设计制造不同规格的产品，满足不同补偿要 求。不仅运用于拉线补偿，还用于特长锚段的接触网补偿、软横跨补偿。尤其 是用于软横跨补偿的液气式张力补偿器，仅长3 0 0 m m 左右，重数公斤，可以 进行恒张力补偿，极具发展潜力，但缺点也很明显，需要高性能油气密封器件， 易泄露引起压力变小。 1 2 6 新型电气化张力补偿器 在实用新型专利 2 0 、2 1 q 涉及一种应用于电气化铁道供电技术领域进行 补偿并保持电气化铁道接触网承力索接触线张力恒定的恒张力补偿装置。该恒 张力补偿装置包括安装于座体的弹簧，弹簧为恒扭矩或线性变扭矩平面涡卷弹 簧，其一端与座体相对固定，另一端与主轴相对固定。当承力索和接触线因环 境温度变化导致长度变化时，平面涡卷弹簧与槽轮的搭配组合可以通过弹簧张 力的补偿调节作用，使承力索和接触线上保持基本恒定的张力，从而满足电气 化铁路工程的需要。其优点是结构紧凑、体积小巧、重量较轻、安装调整方便。 1 3 各种补偿装置的应用情况及存在问趔2 】 可锻铸铁滑轮组长期以来一直在电气化铁道上发挥着重要作用。自宝成线 开始至1 9 9 5 年问，我国修建的数千公旱电气化铁道均采用此种补偿方式。随 着近年来铁路提速的发展，可锻铸铁滑轮组逐渐暴露出传动效率低( 8 0 9 0 ) 、易跳槽、偏磨、钢丝绳锈蚀断股、补偿绳涂油工作量大、使用寿命短 等问题，影响接触悬挂的安全可靠和稳定。自新型铝合会滑轮补偿装置问世后， 目前已被淘汰。 1 9 9 5 年研制成功的铝合金滑轮补偿装置克暇了偏磨、卡滞等现象，滑轮转 6 江苏大学工程硕士学位论文 动灵活自如、传动效率高达9 7 以上，具有安装比较方便、维修量少等优点， 因此一推出即受到一致好评，目前在全国各条电气化铁道、城市轨道交通中都 得到了广泛应用。主要使用线路包括京郑、京秦、武广、陇海线、宝成、京包、 宝中线等电气化铁道，累计数量约达4 万套，占全部补偿装置的9 5 以上。棘 轮装置于19 9 6 年研制成功，在电气化铁道、城市轨道交通领域具有极大的发展 前途，是铝合金滑轮补偿装置的理想替代产品。目前已在哈大线、上海地铁明 珠线、深圳地铁、广州地铁、长春轻轨等线路上使用，累计数量约3 0 0 0 套，占 全部补偿装置的3 左右，效果良好，但是不适于隧道或地下等空问小领域使用。 2 0 0 0 年，修建东北地区第一条电气化铁道哈大线时，首次使用弹性补偿器， 之后推广应用于京秦、秦沈线等线路。目前在铁路跨跃式发展的指导思想下， 多条新建电气化干线如胶济、郑徐线等均采用此产品。今后时速2 0 0 k m h 及以 上线路软横跨系统都将采用弹性补偿器。 液气式张力补偿器目前已在上海明珠线、大连快轨、朔黄铁路等批量使用， 效果显著。新型电气化补偿装置于2 0 0 8 年2 月2 8 同在京津城际快客电气化补 偿 图1 7 京津城际快车 f i g1 - 7b e i j i n g t i a n j i ni n t e r - c i t yh i g hs p e e dt r a i n 7 基于涡卷弹簧的新型恒张力装置的设计 装置的更新工程中得到应用( 图1 7 ) ，前景较为广阔。 随着电气化铁道城际列车、客运专线、高速列车的发展，列车运行速度提 高到2 0 0 k m h 、3 0 0 k m h ，以至更高，对接触网的补偿性能提出了更高的要求， 如何保证其安全、可靠已成为迫切需要解决的问题。恒张力弹簧补偿装置时电 气化铁道接触网重要的组成部分，是接触网在气温变化时保持张力恒定的重要 装置，其性能好坏直接影响着接触网的悬挂弹性、接触线在空间位置的标准状 态等，对减少事故，提高接触网的安全可靠性有重要的意义。因而，展开新型 恒张力弹簧补偿装置的设计、模拟、试验与产业化研究具有重大的工程应用价 值和广阔的市场应用前景! 1 4 本文研究的内容 第一章提出选题的背景及研究的意义，对国内外接触网究现状和发展趋势 的介绍，最后比较几种接触网装置的优缺点。 第二章通过各种补偿装置的比较，设计了一种新型恒张力弹簧补偿装置， 研究了该装置的工作原理及详细理论设计、计算过程，阐述了其优越性及主要 特点。 第三章主要阐述了新型恒张力弹簧补偿装置的具体结构设计，绘制了装置 的整套二维图纸。对新型恒张力弹簧补偿装置进行了三维建模。使用p r o e 进行 建模，展示了整个装置的三维模型和具体零件的三维模型。 第四章主要完成了主要零件涡簧的设计和部分关键零件的材料选择及校 核，对关键零件进行了a n a s y s 分析，最终确定了新型恒张力弹簧补偿装置的 结构设计。 第五章完成了新型恒张力弹簧补偿装置的样机试制及相关性能试验。 最后对全文进行了总结回顾，对后续工作的研究做了展望 江苏大学工程硕士学位论文 第二章新型恒张力涡簧补偿装置的原理设计 2 1 引言 在城市轨道交通迅速发展的历程中，越来越多的城轨选择架空接触网供电 方式。而接触网补偿装置是承力索和接触线在气温变化时保持工作张力恒定的 重要装置，其性能好坏直接影响着接触网的悬挂弹性、接触线在空间几何位置 的标准状态等，对减少弓网故障有重要的意义近年来，补偿装置从形式和性能 上都发生了很大的变化，随着新产品研制的步伐不断加快，为城市轨道交通和 电气化铁道提供了更多的选择。 2 2 各种补偿装置的运用对比 目前，在世界各国电气化铁道建设中，经常使用的补偿装置种类有两大类： 第一类是带坠砣的重力式补偿装置，第二类是带弹簧组件的弹簧式补偿装置。 如表2 1 所示【3 1 。 一 表2 - 1 不同补偿装置的比较 t a b l e2 - 1d i f f e r e n c e sb e t w e e nd i f f e r e n tt e n s i o nc o m p e n s a t o r 由前面一章知道其各种补偿装置的优点，但同是也看到其存在了一些缺点： 如滑轮补偿装置的主要缺点是随着变比的增大，整套装置的体积和重量也明显增 加，在空间受限制的隧道等处安装困难，同时在接触网出现故障后，由于滑轮张 力补偿装置没有锁紧装置来限制其运动，会出现较大的变形并拉断吊弦；棘轮装 置具有转动灵活、传动效率高( 与铝合金滑轮补偿装置相当) 、防腐性能好、使 用寿命长等优点，但价格较高，又由于棘轮本体形状复杂、轮径大、薄壁部位多， 因而制造上对设备的要求很高同时对铸造技术水平的要求也很高；弹性补偿器 结构小，补偿行程小，所以最常使用于软横跨上下部固定索一端的小张力补偿。 9 基于涡卷弹簧的新型恒张力装置的设计 而还发现有几种补偿方式，因分别存在着各种缺陷，均未能大面积推广使 用：如采用数个圆柱螺旋压缩弹簧直列串联而成的补偿装置，由于采用的圆柱 螺旋压缩弹簧的作用力与行程成正比的特性，这种补偿装置不能保证接触网张 力的恒定不变；采用油压、气压式的补偿装黄，由于油气的损失，需要不断的 监测和维护，以及及时补充油、气，加之漏油、漏气的情况有时发生，因此成 本较高，限制了使用范围。 随着电气化铁道城际列车、客运专线、高速列车的发展，列车运行速度提 高到2 0 0 k m h 、3 0 0 k m h ，以至更高，对接触网的补偿性能提出了更高的要求， 如何保证其安全、可靠以成为迫切需要解决的问题。 2 3 新型恒张力涡簧补偿装置的工作原理 高质量的机车受流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，线索内的张力迅速发 生变化时，补偿装置还应有一种制动功能。合理选用补偿装置，对提高接触网 系统的可靠性具有重要的现实意义。上述各种补偿装置对促进我国电气化铁道 的发展都起过重要的作用。根据上面叙述可以得出以下结论：滑轮补偿、棘轮 装置从根本上保证了接触网在静态和动态都处于安全稳定的状态，可靠性高， 目前仍是电气化铁道最常用补偿方式；弹性补偿器可以对软横跨补偿的张力进 行有效的补偿，提高软横跨系统的可靠性；弹簧补偿装置的优越性促使它成为 接触网补偿装置的发展方向，可以替代现在使用的由砼或铸铁的坠砣进行补偿 的滑轮补偿装置和棘轮补偿装置，成为各种补偿装置的更新换代产品。 为此，本文设计实现了一种新型的基于涡簧的恒张力补偿装置( 中国发明 专利，申请号：2 0 1 0 1 0 5 2 8 1 1 2 6 ，中国实用新型专利，申请号：2 0 1 0 2 0 5 8 7 3 9 0 2 ) ， 其工作原理如下： 两阿基米德螺线槽轮通过键配合固定连接于转轴两端，槽轮上缠绕钢丝 绳，若干线性变扭矩平面涡簧缠绕在转轴中间且其一端与转轴刚性连接，另一 端固接在弹性补偿装置的底架上，弹性补偿装置的外壳通过一转销与铁道的锚 桩或其他物体相连。转轴在缠绕在槽轮上的钢丝绳的扣动下，带动涡簧绕自身 轴线转动，可以实现钢丝绳拉力的恒定不变，同时钢丝绳缠绕在前后2 组滑轮 l o 江苏大学工程硕士学位论文 上，因此同时可以保持滑轮轴上的扭矩恒定不变。 具体理论推导如下： 设槽轮半径为：，涡簧的弹性系数为：k ，钢丝绳拉力为：f ，槽轮处 的扭矩为：m ，涡簧个数为：刀，涡簧扭矩为：m ：，转轴转角为：0 ，前滑 轮轴上处的扭矩为m ，前滑轮半径为，- 。有： m = f r ( 2 1 ) 由m l = m 2 知： 因为阿基米德螺线的方程为： 所以： m 2 = k 0 刀 ( 2 2 ) f - r = k 。0 n f ：尼甩一0 ( 2 3 ) ， r = c 0 ( c - 一常数) f ：七刀一0 ：k 力1 ( 2 4 ) rc m = f 厂l ( 2 5 ) 若涡簧的个数与型号确定，则k 与，l 也是常数，因而钢丝绳拉力，为常数，恒 定不变，而前滑轮的半径厂- 为常数，所以前滑轮轴上的扭矩恒定不变，从而使 装置成为一恒力矩装置。 当使用过程中由于环境温度的变化使钢丝绳出现变形时，钢丝绳拉力发生 变化。由于本装黄是一恒张力装置，为保证钢丝绳拉力，为常数，需要绕在槽 轮上钢丝绳释放或绕紧来补偿外界环境变化引起的钢丝绳变形，从而使钢丝绳 拉力，维持恒定。这时转轴转角口在使用过程中发生变化，即绕在槽轮上钢丝 绳长度发生变化，钢丝绳拉力f 与之无关，仍为常数，从而使本装置又具有了 长度补偿功能。 该恒张力补偿装置中钢丝绳拉力f 的大小可通过多种方式调节：( 1 ) 改变 涡簧个数，( 2 ) 改变涡簧性能参数，( 3 ) 改变槽轮的直径，( 4 ) 改变槽轮的个 数，( 5 ) 采用不同的涡簧预紧扭矩。 滑轮轴t 的力矩m 的大小可也可通过多种方式调节：( 1 ) 改变涡簧个数， 基于涡卷弹簧的新型恒张力装置的设计 ( 2 ) 改变涡簧性能参数，( 3 ) 改变槽轮的直径，( 4 ) 改变槽轮的个数，( 5 ) 采 用不同的涡簧预紧扭矩，( 6 ) 改变前后两组滑轮的直径。 本恒力矩补偿装置中钢丝绳长度补偿量的大小可也通过多种方式调节： ( 1 ) 改变阿基米德螺线槽轮的起止半径，( 2 ) 改变阿基米德螺线槽轮的大小端 槽线转动圈数。 2 4 恒张力补偿装置的简单结构 恒张力补偿装置的结构如图2 - 1 、图2 2 所示。装置由主轴1 、槽轮2 、挡 板3 涡簧4 、外壳5 组成。 图2 3 、图2 _ 4 是阿基米德螺线槽轮的结构示意图，它一端直径大，一端 直径小，成锥台型，上面加工有钢丝绳缠绕的绳槽，从端面看，槽的线型是阿 基米德螺线。 l 主轴、2 槽轮、 书板、4 一涡簧、5 一外壳 图2 1 恒张力补偿装置结构简图 f i g2 - 1s t r u c t u r a ld i a g r a mo f t h ec o n s t a n tt e n s i o nc o m p e n s a t i o nd e v i c e 江苏大学工程硕士学位论文 图2 2 恒张力补偿装置剖面图 f i g2 - 2 c o n s t a n tt e n s i o nc o m p e n s a t i o nd e v i c ep r o f i l e 图2 3 阿基米德螺线槽轮结构图 f i g2 - 3 a r c h i m e d e ss p i r a lg r o o v er o u n dc h a r t 1 3 基于涡卷弹簧的新型恒张力装置的设计 图2 - 4 阿基米德螺线槽轮端面视图 f i g2 - 4 a r c h i m e d e ss p i r a lg r o o v er o u n df a c ev i e w 新型恒张力涡簧补偿装置克服了前面几者的诸多不足之处，提供一种用预 卷紧的接触式平面涡卷弹簧储存的弹性变形能，作为内源自动补偿张紧电气化 铁道接触网长度变化的装置，这种纯机械的高性能装置能确保其张力，并适应 其长度的变化且维持恒定，又能做到结构紧凑，外型美观，体积和重量大幅缩 小和减轻；使用寿命长，终身免维护；适用范围广，能满足各种锚段长度及温 差范围，能满足各种下锚角度及安装条件。 2 5 本章小结 本章首先介绍目前在世界各国电气化铁道建设中接触网的运用，通过各种 补偿装置优缺点的比较，最后本文设计了一种新型基于涡簧的恒张力补偿装置， 并分析了其工作的恒张力产生的基本原理、恒力大小的调整原理及弹性尺寸补 偿原理，以及该装置的工作特性。 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 第三章新型恒张力补偿装置结构设计及三维建模 3 1 新型恒张力涡簧补偿装置结构示意设计 新型恒张力涡簧补偿装置结构图如图3 1 所示，主要包括槽轮、补偿绳、 左端板、主轴、油封、轴承、右端板、接触式平面涡卷弹簧、外壳、固定角钢、 安装底板、销轴、断线止动装置。上述槽轮固定在主轴上，上述补偿绳卷绕并 有一端固定在槽轮上，另一端接外部接触网，上述主轴用油封、轴承支持在左 端板和右端板上，上述左端板、右端板、外壳、固定角钢、安装底板组成一个 闭合式盒座体，上述销轴连接到安装底板远离上述盒座体的一侧，上述接触式 平面涡卷弹簧安装在上述盒座体内，其内端弯钩与主轴连接，外端弯钩与盒座 体上的固定角钢连接。该恒张力弹簧补偿装置结构紧凑、体积小、重量轻。其 能使电气化铁道接触网保持一定的张力，减少其受电弓的离线率。 图3 1 恒张力补偿装置结构图 f i g3 - 1s t r u c t u r a ld i a g r a mo f t h ec o n s t a n tt e n s i o nc o m p e n s a t i o nd e v i c e l 外壳2 一轴承、3 _ 由端端盖、4 一密封圈扣带轴、6 一涡簧、7 一外 壳吊耳，卜阿基米德螺线槽轮、9 _ 当板、l 卜轴端螺钉、l l 键、1 2 端盖 螺钉、13 一弹性垫片、1 4 一反转止动装置 1 5 基于涡卷弹簧的新型恒张力装置的设计 3 2 新型恒张力涡簧补偿装置主要参数设计 4 h 6 3 2 1 技术参数要求 电气化铁路领域对恒张力补偿装置的技术要求如下： l 、张力索拉力：1 0 1 5 k n ；张力索补偿绳补偿长度：1 5 0 0 m m ；张力索工 作温度：士4 0 ；张力索拉绳疲劳次数：1 0 0 0 0 万次；锚段间距最长：1 8 k m ： 2 、接触网拉力：1 0 k n ( 未来达到2 0 k n ) ；接触网工作温度士4 0 ；接触 网最大伸长量1 3 6 m ，整合1 5 m ； 3 、涡簧尺寸( 厚宽卷曲力：3m m x 5 5 m m x 7 0 0 0 n ) 3 2 2 主要参数的理论设计计算 计算涡簧起止半径： ( 1 ) 厂i = 5 0 m m ，f 2 = 7 0 m m ，l = 6 ，= a o 三：百8 2 c q 9 ：秒：胡：孕：_ 2 n 万 r l口l “ 口：垒生：三义，：a 口 口= 一= 一义，= ，2 一，1 3 万 p i = 鲁= 3 0 7 r秒2 = r “2 = 4 2 5 7 r ( 3 1 ) 张力索：n 群a = r , f = 5 0 0 n ( 3 ：2 ) n n = r 2 f = 7 0 0 n ( 3 3 ) 接触网：n 始= n f = 5 0 0 n( 3 4 ) n 终= r 2 f = 7 0 0 n ( 3 5 ) 涡簧刚度( 总刚度) 张力索：n 终一n 始= 2 1 r 6 k k 总：7 0 - 0 - 5 _ 0 0 ：5 3 0 8 n 朋，口d ：0 0 9 2 6 n 朋m d 2 万6 接触网：n 终一n 始= 2 石x 6 k k 总：7 0 0 - 5 0 0 ：5 3 0 8 n m r a d ：0 0 9 2 6 n i n r a d = z 万o 检验：q ，：l = 售2 耐9 = 2 3 7 1 4 m m ( 2 ) ，- l = 5 0 m m ，2 = 7 0 m m n ：5 ，：n 1 9 1 6 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 江苏大学工程硕士学位论文 依次算得口：一2 万 口l = 2 5 x 0 2 = 3 5 n l = 1 8 8 4 m k l 总：k 2 总= 6 3 6 9 n n g r a d = 0 1 11 1 n r r d r a d( 3 9 ) ( 3 ) ，i = 4 0 m m ，2 = 7 0 m m ，以= ：6 ，= a o 、 依次算得a = 二 2 z 秒i = 1 6 z 0 2 = 2 8 万 l = 2 0 7 2 4 m k l 总：k 2 总= 7 6 2 9 n m t a d = 0 1 3 8 9 n n g r a d( 3 1 0 ) ( 4 ) ，1 = 5 0 r a m ，r 2 = 7 0 m m ，刀= 4 ，r = a o 依次算得口：三 。一 2 万 口l = 2 0 z 0 2 = 2 8 z l = 1 5 0 7 2 m k i 总：k 2 总= 7 6 2 9 n m r a d = 0 1 3 8 9 n m y r a d ( 3 1 1 ) 由计算比较，涡簧起止半径选取数据( 4 ) ，且o a = 云，翻= 2 0 万，矽z = 2 8 万， 、 l = 1 5 0 7 2 m ，最后得 k i 总：k 2 总= 7 6 2 9 n n d r a d = 0 1 3 8 9 n a n r a d ( 3 1 2 ) 心轴设计：取心轴矽= 5 0 r a m ，材料为4 5 钢，其余零件设计见c a d 图纸。 3 3 涡簧结构尺寸设计7 h 8 】 涡簧结构设计：根据涡簧材料硬度5 3 h r c ，查表得仉= 1 5 6 9 n m m 2 ，外端为 v 型固定，k 。：o 8 5 ，选取导：3 0 ，k 。：0 8 4 4 1 。 d 涡簧的极限转矩： 丁：里：一7 0 0 ：8 2 3 5 历m k 30 8 5 1 7 ( 3 1 3 ) 基于涡卷弹簧的新型恒张力装置的设计 涡簧材料的截面尺寸由表得材料宽度b = 5 4 7 拈摆珈朋 ( 3 1 4 ) 由表取h 系列值为3 m m 材料涡簧的展开长度 z ：堕= 7 7 0 0 r a m( 3 1 5 ) k3 k 4 c r 6 心轴固定部分长度，按d = 3 0 h = 9 0 m m ，得a = 1 2 y r d = 3 4 2 m m 涡簧盒固定部分长度，d = 0 8 1 r d = 2 2 8 m m 材料的固定长度，l = ，+ 厶+ z d = 1 2 5 0 m m 涡簧卷紧在心轴上的圈数由式计算： 胛2 _ j z 忍_ ( j v4 石t h + a ：- d , ) = 7 2 圈 ( 3 1 6 ) 3 4 关键零件的二维设计及材料选择 对于新型恒张力弹簧装置的设计，其大部分零件按常规根据实际情况进行 设计及材料的选取，下面是对该装置一些关键键零件的设计。 图3 - 2 主轴的设计 f i g3 - 2t h ed e s i g no f t h es p i n d l e 江苏大学工程硕士学位论文 图3 - 3 槽轮的设计 f i g3 - 3t h ed e s i g no ft h es h e a v e s 图3 4 左、右挡板的设计 f i g3 - 4t h ed e s i g no ft h el e f ta n dr i g i l tb e z e l s 1 9 基于涡卷弹簧的新型恒张力装置的设计 口v n f 鼍鼍 图3 5 外壳的设计 f i g3 - 5t h ed e s i g no ft h es h e l l 缘 豌硼 7 、 昼吕 g 一 蛎 e 置 竺 凹 ， 党 ， s ， 扬 i ， 一 乃 盆 趣团四 图3 - 6 轴承端盖的设计 f i g3 - 6t h ed e s i g no ft h eb e a r i n ga n dc a p 2 0 江苏大学工程硕士学位论文 图3 7 固定销轴 f i g3 - 7f i x e dp i n 图3 8 装配图 f i g3 - 8t h ed r a w i n go ft h ea s s e m b l y 轴的材料选择：轴的材料种类很多，设计时主要根据对轴的强度、刚度、 耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺 问题加以选用，力求经济合理。轴的常用材料为3 5 、4 5 、5 0 优质碳素结构钢， 最常用的是4 5 钢。本设计中的心轴承载为1 0