葉玉萍,趙 青

(1.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院,上海 200070；2.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,北京 100037)

1 接觸軌基本構(gòu)成[1～4]

接觸軌系統(tǒng)主要由鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌、整體絕緣支座、防護(hù)罩(標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)罩、膨脹接頭防護(hù)罩、端部彎頭防護(hù)罩、集電靴防護(hù)罩)、防護(hù)罩支架、魚(yú)尾板、膨脹接頭、防爬器、高(低)速端部彎頭、電纜連接板等部件組成[1～2]。其中鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌、整體絕緣支座和防護(hù)罩是接觸軌系統(tǒng)中送電、支撐和防護(hù)的三大主要部件,端部彎頭和膨脹接頭是保證受流質(zhì)量的關(guān)鍵部件[5]，見(jiàn)圖1。

圖1 接觸軌組裝(整體絕緣支座、上部受流)(單位：mm)

2 接觸軌電壓等級(jí)

房山線接觸軌系統(tǒng)電壓標(biāo)稱值為DC 750V等級(jí)。電壓波動(dòng)范圍：最高電壓標(biāo)稱值為DC 900V,最低電壓標(biāo)稱值為DC 500V。

3 接觸軌受流方式

接觸軌有上部受流和下部受流兩種常用的受流方式[1]。上部接觸受流方式的接觸軌帶電面朝上,集電靴取流通過(guò)其彈簧裝置向接觸軌頂面施加下壓力而獲得。下部接觸受流方式為接觸軌帶電面朝下,集電靴取流通過(guò)其彈簧裝置向接觸軌底面施加抬升力而獲得。

房山線在郭公莊站與在建地鐵9號(hào)線之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)線,因9號(hào)線是采用接觸軌上部受流,若要實(shí)現(xiàn)兩線調(diào)車作業(yè),必須要求兩線車輛受流方式相同。閻村車輛段無(wú)架修功能,車輛架修須通過(guò)聯(lián)絡(luò)線到其他線的車輛段完成；若采用下部接觸軌受流方式,很難滿足與既有運(yùn)營(yíng)線路的檢修資源共享。

根據(jù)上述原因,同時(shí)考慮到上部受流和下部受流均為成熟的接觸軌受流型式。所以確定房山線接觸軌設(shè)計(jì)采用上部受流方案。

4 接觸軌的選擇

4.1 性能比較

鋼鋁復(fù)合接觸軌與傳統(tǒng)的低碳鋼材料接觸軌相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)鋼鋁復(fù)合接觸軌質(zhì)量輕、持續(xù)載流量大、電能損耗低、耐腐蝕、可回收、綠色環(huán)保。

(2)鋼鋁復(fù)合接觸軌的鋼帶與鋁軌相當(dāng)于并聯(lián)電路,其鋁軌的導(dǎo)電率遠(yuǎn)高于低碳鋼接觸軌,載流能力遠(yuǎn)大于低碳鋼接觸軌。

(3)鋼鋁復(fù)合接觸軌質(zhì)量輕,施工安裝方便。1 m長(zhǎng)鋼鋁復(fù)合接觸軌的質(zhì)量約為17 kg,1 m長(zhǎng)低碳鋼接觸軌的質(zhì)量約為51 kg。

(4)鋼鋁復(fù)合接觸軌鋁軌的截面積是低碳鋼接觸軌截面積的63%,電阻是低碳鋼接觸軌電阻的33%,由此可見(jiàn),鋼鋁復(fù)合接觸軌的截面小、電阻低,可降低牽引網(wǎng)線路能耗。

(5)鋼鋁復(fù)合接觸軌的接觸面為鐵素體成分的不銹鋼帶,其平整度和表面光潔度能夠保證集電靴接觸的穩(wěn)定性,使受流質(zhì)量和不銹鋼帶的耐磨性能提高,減少集電靴和接觸軌間產(chǎn)生電弧的概率,有效降低電氣磨耗,從而延長(zhǎng)接觸軌的使用壽命,對(duì)確保接觸軌系統(tǒng)的全生命周期質(zhì)量有著明顯的影響。

鑒于以上原因,房山線工程選用的鋼鋁復(fù)合接觸軌,其載流截面為4 803 mm2(鋁軌截面積),溫度20 ℃時(shí)的單位電阻為0.006 5 Ω/km。

4.2 接觸軌設(shè)計(jì)

鋼鋁復(fù)合接觸軌基本原理是通過(guò)擠壓、滾壓及焊接的方式把鋁軌良好的導(dǎo)電性和不銹鋼帶的耐磨、耐腐蝕性結(jié)合在一起,形成整體電阻小、運(yùn)營(yíng)能耗低、載流量大、耐腐蝕、壽命長(zhǎng)、質(zhì)量輕、易安裝、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)的鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌，如圖2所示。

圖2 鋼鋁復(fù)合材料導(dǎo)電軌斷面

5 絕緣支撐

固定、安裝和支撐接觸軌并起到帶電體與接地體之間絕緣作用的裝置稱為絕緣支撐,如圖3所示。絕緣支撐大體分為2種類型,一種是由絕緣底座和絕緣子構(gòu)成的絕緣子支撐,另一種是用玻璃鋼材料壓模澆鑄制成的整體絕緣支座支撐。

圖3 接觸軌整體絕緣支座裝配(單位：mm)

整體絕緣支座的穩(wěn)定性、抗彎能力和機(jī)械強(qiáng)度等均好于絕緣子支座；而且整體絕緣支座的使用壽命也高于絕緣子支座；采用整體絕緣支座,便于維護(hù)和檢修；房山線工程的接觸軌支撐件采用整體絕緣支座,根據(jù)房山線以高架線為主的特點(diǎn),房山線采用的整體絕緣支座具有阻燃、防紫外線等性能。

6 防護(hù)罩

房山線接觸軌系統(tǒng)采用玻璃鋼防護(hù)罩,玻璃鋼防護(hù)罩及防護(hù)罩支架采用整體壓模成型的制造工藝,在產(chǎn)品制造成型過(guò)程中降低了化學(xué)成分的揮發(fā)量,減少了對(duì)環(huán)境的污染,提高了抗老化能力,結(jié)構(gòu)的承受力提高,而且安裝較為方便。

接觸軌上部受流方案的安全防護(hù)罩主要由接觸軌標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)罩、膨脹接頭防護(hù)罩、高(低)速端部彎頭防護(hù)罩、集電靴防護(hù)罩等類型組成。接觸軌標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)罩及防護(hù)罩支架詳見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 接觸軌防護(hù)罩(單位：mm)

圖5 接觸軌防護(hù)罩支架(單位：mm)

接觸軌膨脹接頭處使用滑膛(長(zhǎng)孔)防護(hù)罩,固定點(diǎn)設(shè)置縱向長(zhǎng)孔,長(zhǎng)孔的長(zhǎng)度根據(jù)膨脹接頭的最大可移動(dòng)距離確定。在安裝電纜連接板處,所采用的標(biāo)準(zhǔn)接觸軌防護(hù)罩應(yīng)開(kāi)孔,方便電纜連接板、電纜的檢修與更換。防護(hù)罩及防護(hù)罩支架A處(圖5)的聯(lián)結(jié)螺栓安裝方向應(yīng)螺桿朝外安裝,依次安裝有平墊圈、彈簧墊圈、螺母、備母,緊固后螺桿涂防銹漆。當(dāng)螺栓松動(dòng)、螺母脫落時(shí)容易被及時(shí)發(fā)現(xiàn),以提高其安全性、可靠性。因端部彎頭的防護(hù)罩比較長(zhǎng),在安裝時(shí)需要特別注意防護(hù)罩的支持點(diǎn)間距不應(yīng)過(guò)長(zhǎng),在2.5 m以下為宜,保證其穩(wěn)定性。絕緣支座及防護(hù)罩等防護(hù)系統(tǒng)可以根據(jù)所安裝場(chǎng)所的環(huán)境情況,增加防鼠、防紫外線、防腐蝕等方面的性能。

7 膨脹接頭

接觸軌由于環(huán)境溫度變化、電流溫升等因素的影響而產(chǎn)生熱脹冷縮,在中心錨節(jié)固定點(diǎn)處接觸軌產(chǎn)生溫度差應(yīng)力,會(huì)使接觸軌產(chǎn)生變形、導(dǎo)致中心錨節(jié)損壞。所以必須在錨段之間設(shè)置膨脹接頭,利用膨脹接頭的自由伸縮來(lái)釋放溫度差應(yīng)力。在房山線接觸軌設(shè)計(jì)中,為了提高膨脹接頭的自由伸縮可靠性,采用了新型接觸軌膨脹接頭,如圖6所示。其原理是對(duì)接頭處不施加機(jī)械外力,通過(guò)在接頭下端固定的雙銅板連接大截面雙編織銅線來(lái)滿足可靠受流和接觸軌的自由伸縮,以避免因不能克服初始滑動(dòng)力影響接觸軌的縱向伸縮而發(fā)生行車事故。

圖6 接觸軌膨脹接頭

為了限制接觸軌自由伸縮段的整體縱向移動(dòng),一般在2個(gè)膨脹接頭之間或一個(gè)膨脹接頭和一個(gè)端部彎頭之間每個(gè)獨(dú)立錨段的中部設(shè)置中心錨節(jié)。每個(gè)中心錨節(jié)由4個(gè)防爬器構(gòu)成,固定在絕緣支座的兩邊,具有足夠的夾緊力,保證接觸軌在溫度變化時(shí)能夠由錨段中部均勻地向兩邊伸縮。當(dāng)線路的縱向坡度≥20‰時(shí),在緊鄰中心錨節(jié)處增設(shè)1組中心錨節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)。

8 端部彎頭

接觸軌端部彎頭分為低速端部彎頭和高速端部彎頭2種。在正線和試車線上通常是采用高速端部彎頭,在場(chǎng)段及維修基地一般采用低速端部彎頭。

8.1 高速端部彎頭

接觸軌采用上部受流方式時(shí),其端部彎頭端部的接觸面高度低于接觸軌的接觸面安裝高度,端部彎頭呈下坡?tīng)?。高速端部彎頭端部的下降距離與車輛、軌道及接觸軌安裝誤差有十分密切關(guān)系,一般高速端部彎頭的總長(zhǎng)度為5.1 m,下降坡度為1∶50,下降高度為95 mm。

房山線車輛最大運(yùn)行速度是100 km/h,在超額荷載情況下,同時(shí)考慮走行軌的允許磨耗,并考慮速度較高時(shí)的沖擊力,計(jì)算得到：當(dāng)彎頭端部下降95 mm時(shí),不能滿足要求,其車輛集電靴所受的沖擊力對(duì)集電靴易造成損害,后經(jīng)研究確定高速端部彎頭下降的合適距離為106 mm。在下降坡度基本不變的情況下,滿足下降距離為106 mm時(shí),高速端部彎頭的總長(zhǎng)度為5.852 m,高速端部彎頭如圖7所示。

圖7 接觸軌高速端部彎頭(單位：mm)

8.2 低速端部彎頭

低速端部彎頭主要應(yīng)用于車輛段及停車場(chǎng),因?yàn)樵诙蝺?nèi)的行車速度很低,彎頭下降時(shí)的下降坡度小、下降快,總長(zhǎng)度可以減小。所以本工程低速端部彎頭端部的下降坡度取1∶30,總長(zhǎng)度為3.4 m,端部彎頭與主軌斷面相同,如圖8所示。

圖8 接觸軌低速端部彎頭(單位：mm)

9 接觸軌安裝

接觸軌施工安裝的質(zhì)量將直接影響到鋼鋁復(fù)合接觸軌的壽命、運(yùn)營(yíng)安全、運(yùn)營(yíng)成本等。在設(shè)計(jì)及配合施工中須注意以下問(wèn)題。

(1)首先應(yīng)考慮整體絕緣支座的安裝方式,以往支座安裝是采用現(xiàn)場(chǎng)打孔、膨脹錨栓安裝方式,施工難度大、能耗大、環(huán)境污染、成本大。在房山線工程中采用預(yù)埋尼龍?zhí)坠芊绞桨惭b,用金屬緊固件(螺紋道釘)進(jìn)行絕緣支座安裝,安裝方便、減輕工作量、節(jié)約電能、節(jié)省成本、保護(hù)環(huán)境。

(2)在普通軌枕及短軌枕段,整體絕緣支座選擇安裝在長(zhǎng)軌枕或加長(zhǎng)短軌枕上,預(yù)制軌枕的過(guò)程中可進(jìn)行尼龍?zhí)坠茴A(yù)埋；在鋼彈簧浮置板整體道床段,整體絕緣支座選擇安裝在鋼彈簧浮置板整體道床上,在浮置板上預(yù)埋尼龍?zhí)坠?；這2種預(yù)埋方式易保證尼龍?zhí)坠艿念A(yù)埋精度。

(3)在梯形軌枕整體道床段,絕緣支座不能在軌枕上安裝,所以應(yīng)采用整體道床上安裝方式,在進(jìn)行整體道床現(xiàn)澆的過(guò)程中將尼龍?zhí)坠茴A(yù)埋在整體道床上。

(4)在進(jìn)行尼龍?zhí)坠茴A(yù)埋時(shí),應(yīng)注意對(duì)尼龍?zhí)坠茴A(yù)埋方向的控制,即尼龍?zhí)坠芘c軌枕或道床面垂直度的控制。

(5)安裝在圓曲線、緩和曲線段的接觸軌,應(yīng)將接觸軌布置長(zhǎng)度換算到曲線上的對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度。

(6)當(dāng)接觸軌安裝在直線段及曲線半徑大于100 m的曲線段時(shí),可以靠其自身彈性直接安裝。安裝在曲線半徑小于100 m的曲線段時(shí),必須先對(duì)導(dǎo)電軌進(jìn)行預(yù)彎后再進(jìn)行安裝,接觸軌應(yīng)分段進(jìn)行折彎,分段長(zhǎng)度不宜超過(guò)1 m,以保證折彎半徑不變。

(7)膨脹接頭安裝時(shí)的間隙大小必須按照安裝時(shí)的環(huán)境溫度對(duì)照安裝曲線進(jìn)行調(diào)整。

(8)進(jìn)行接觸軌端部彎頭定位、安裝時(shí),為了確保端部彎頭縱向位置的準(zhǔn)確性,如果需要,可對(duì)與之相鄰的接觸軌進(jìn)行切割。

(9)接觸軌經(jīng)過(guò)定位、彎折和魚(yú)尾板連接后,為了保證安裝誤差不超過(guò)安裝允許值,必須使用專用量具對(duì)接觸軌安裝位置進(jìn)行精確測(cè)量、調(diào)整。

10 建議

(1)應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留、預(yù)埋的配合工作，保證接觸軌安裝基面的尼龍?zhí)坠茴A(yù)埋準(zhǔn)確性,督促軌道施工承包商提供滿足接觸軌安裝需要的道床質(zhì)量精度。

(2)提倡采用預(yù)留、預(yù)埋件進(jìn)行設(shè)備基礎(chǔ)安裝,盡可能地杜絕現(xiàn)場(chǎng)打孔等不利于環(huán)保、節(jié)能的施工方式。

(3)在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)與相關(guān)專業(yè)的接口配合,提高預(yù)留和預(yù)埋管線、接觸軌斷口位置的準(zhǔn)確性。

11 結(jié)語(yǔ)

接觸軌系統(tǒng)在我國(guó)已經(jīng)有近40多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),經(jīng)過(guò)不斷的總結(jié)、創(chuàng)新,已經(jīng)有了很大的發(fā)展。在DC750V接觸軌系統(tǒng)技術(shù)日益成熟的同時(shí),DC1500V接觸軌系統(tǒng)也已相繼在廣州、深圳的軌道交通建設(shè)中被采用[1～4]。

在當(dāng)前城市軌道交通建設(shè)大步朝前發(fā)展的時(shí)期,為了不斷提高接觸軌設(shè)計(jì)技術(shù)水平和工程設(shè)計(jì)質(zhì)量,還需對(duì)接觸軌系統(tǒng)提高供電可靠性、節(jié)能、環(huán)保、保證運(yùn)行及維護(hù)安全、安裝便捷、提高標(biāo)準(zhǔn)化程度、人身安全防護(hù)等方面加以重視和不斷研究。諸如整體絕緣支座的應(yīng)用時(shí)間較短,還不夠規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化等問(wèn)題,需要今后不斷加強(qiáng)研究改進(jìn)。

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