孫維星

（中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司，100036，北京∥高級(jí)工程師）

中低速磁浮線焊接式C型鋼鋁復(fù)合軌及主要部件

孫維星

（中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司，100036，北京∥高級(jí)工程師）

摘 要對(duì)中低速磁浮線焊接式C型鋼鋁復(fù)合軌及其主要部件進(jìn)行了研究，通過理論計(jì)算和分析確定了軌體及相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)形式。對(duì)C型鋼鋁復(fù)合軌及其主要部件試制樣品進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，結(jié)果表明其均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞中低速磁浮線；牽引供電系統(tǒng)；焊接式C型鋼鋁復(fù)合軌

Author＇s address China Railway Construction Electrification Bureau Group Co.，Ltd.，100036，Beijing，China

磁浮線分為高速磁浮線和中低速磁浮線兩種［1-2］，其牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所和牽引網(wǎng)組成。牽引網(wǎng)主要包括饋電線、供電接觸軌（第三軌）、回流接觸軌（第四軌）和回流線。牽引變電所將三相高壓交流電變成適合磁浮線車輛應(yīng)用的低壓直流電，經(jīng)饋電線送到接觸軌上；磁浮車輛通過受流器與接觸軌直接接觸取電，電流再經(jīng)回流接觸軌、回流線流回變電所。因此，接觸軌是磁浮列車供電系統(tǒng)中的重要組成部件。目前應(yīng)用較廣泛的接觸軌主要是鋼鋁復(fù)合軌。

1　磁浮線接觸軌現(xiàn)狀

目前，我國(guó)用于磁浮線領(lǐng)域的接觸軌主要有C型鋼鋁復(fù)合軌和工字型鋼鋁復(fù)合軌。其中，上海高速磁浮示范運(yùn)營(yíng)線中采用了德國(guó)進(jìn)口的C型鋼鋁復(fù)合軌（見圖1）；唐山中低速磁浮試驗(yàn)線和中車株洲電力機(jī)車有限公司中低速磁浮部分試驗(yàn)線中采用了工字型鋼鋁復(fù)合軌［2］（見圖2），其是在輪軌交通用工字型鋼鋁復(fù)合軌基礎(chǔ)上的改進(jìn)軌型。此外，還有一種國(guó)產(chǎn)的C型鋼鋁復(fù)合軌，與德國(guó)產(chǎn)品類似。

圖1　C型鋼鋁復(fù)合軌

圖2　工字型鋼鋁復(fù)合軌

與工字軌相比，C型軌具有簡(jiǎn)潔輕便、散熱性好、有效授流面寬、剛?cè)岫群?、安裝應(yīng)力小、利于調(diào)整、布局緊湊美觀、在裝配設(shè)計(jì)上可節(jié)省安裝空間等優(yōu)點(diǎn)。此外，磁浮列車一般采用側(cè)面接觸受流方式，C型軌不容易存留污垢，無需另加防護(hù)措施［2-3］。因此，無論從接觸軌軌身特點(diǎn)，還是從工程安裝實(shí)踐上看，C型軌在磁浮線路具有更優(yōu)越的實(shí)用性。

現(xiàn)有C型軌的復(fù)合面為形狀復(fù)雜的曲線面，其工藝比較復(fù)雜，生產(chǎn)制作技術(shù)難度較大。本文介紹一種焊接復(fù)合的磁浮線C型鋼鋁復(fù)合軌。

2　軌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)磁浮車輛受流特點(diǎn)，鋼鋁復(fù)合軌整體為C型斷面，采用焊接復(fù)合的方式。圖3為一種焊接式C型鋼鋁復(fù)合軌截面示意圖。在圖3中，1為C型不銹鋼帶，2為不銹鋼條，3為鋁軌本體，黑色部分為焊縫。單根接觸軌長(zhǎng)12 m，橫截面積為3 988 mm2，選用鋁-鎂-硅系列6 063-T 6鋁合金和06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼，具有良好的導(dǎo)電性、耐腐蝕性和綜合力學(xué)性能。

圖3　焊接式C型鋼鋁復(fù)合軌截面示意圖

鋼鋁復(fù)合軌截面設(shè)計(jì)要求具有一定的持續(xù)載流能力和使用壽命。載流量可按式（1）進(jìn)行計(jì)算［4］：

式中：

Id——接觸軌的載流量；

k——系數(shù)，k=K1K2K3K4K5，K1、K2、K3、K4、K5分別是與材料及外部環(huán)境有關(guān)的因子；

A——接觸軌面積；

U——接觸軌截面計(jì)算周長(zhǎng)。

根據(jù)CJ∕T 414—2012《城市軌道交通鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌技術(shù)要求》，接觸軌允許的最高溫度為85℃。取環(huán)境溫度為40℃，代入相應(yīng)數(shù)值A(chǔ)=3 988 mm2，U=482 mm，可得Id為4 286 A，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值3 000 A。

與輪軌交通接觸軌線路不同，磁浮線路上具有坡道和小曲線半徑安裝段，要求鋼鋁復(fù)合軌具有一定的撓度和剛度。Y方向（垂直側(cè)面軌面方向，見圖3）剛度要小，以有利于鋼鋁復(fù)合軌側(cè)向安裝時(shí)線路曲線段的安裝；Z方向（垂直線路方向，見圖3）剛度適中。經(jīng)計(jì)算，該C型鋼鋁復(fù)合軌對(duì)Y軸的截面慣性矩較小，為18.3×105mm4，有利于磁浮線路小曲線半徑段的安裝。

現(xiàn)對(duì)鋼鋁復(fù)合軌水平方向（即Y方向）人工彎曲半徑進(jìn)行理論計(jì)算。鋼鋁復(fù)合軌在線路上通過絕緣支撐裝置（絕緣支架）固定，在曲線線路上鋼鋁復(fù)合軌彎曲變形后的固定力也來自絕緣支架。在曲線線路上鋼鋁復(fù)合軌彎曲后的變形量示意圖如圖4所示。

圖4　彎曲變形量示意圖

根據(jù)幾何學(xué)原理，由圖4可得到：

式中：

h——鋼鋁復(fù)合軌水平方向變形量；

R——鋼鋁復(fù)合軌彎曲半徑；

θ——鋼鋁復(fù)合軌所對(duì)中心角，θ=L∕R，L為鋼鋁復(fù)合軌長(zhǎng)度。

h相當(dāng)于在跨中集中載荷作用下的最大撓度，可由式（3）得出：式中：

F——跨中集中載荷（絕緣支架的固定力）；

E——鋼鋁復(fù)合軌彈性模量；

Iz——鋼鋁復(fù)合軌的截面慣性矩。

設(shè)鋼鋁復(fù)合軌在線路上每隔3 m有一個(gè)絕緣支架固定，則取跨度為6 m，代入相應(yīng)數(shù)值，可得到當(dāng)跨中集中載荷為2 kN時(shí)（絕緣支撐裝置極限載荷為6 kN），彎曲半徑為70 m，可以滿足磁浮線路曲線段安裝使用要求。

Z方向剛度應(yīng)適中，若剛度太小，在鋼鋁復(fù)合軌自重作用下?lián)隙忍螅瑫?huì)增加豎直方向絕緣支撐裝置的數(shù)量，影響安裝精度；若剛度太大，則不利于坡道段的安裝。軌體自重作用下的最大撓度可由式（4）計(jì)算得出［4］：

式中：

q——軌體自重的均布載荷；

l——兩個(gè)絕緣支撐間跨距；

E——鋼鋁復(fù)合軌彈性模量；

I——截面慣性矩（對(duì)Z軸）。

取l為3 m，經(jīng)計(jì)算，兩個(gè)絕緣支架間軌體自重產(chǎn)生的撓度為0.2 mm。為保證供電，供電軌軌面理想精度與理論偏差值不大于±2 mm，故其對(duì)安裝精度影響較小。

3　相關(guān)部件

磁浮接觸軌裝置除鋼鋁復(fù)合軌外，還包括膨脹接頭、端部彎頭、中心錨結(jié)等相關(guān)部件及絕緣支撐等。

3.1膨脹接頭

膨脹接頭用于補(bǔ)償接觸軌因熱脹冷縮產(chǎn)生的長(zhǎng)度變化，如圖5所示。其采用3段斷軌形式，通過鋁心棒及螺栓機(jī)械錨固連接為一體，銅板和軟銅帶用于斷口處電流的傳輸。

圖5　膨脹接頭

膨脹接頭自身在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有一定的伸縮間隙，能夠在相應(yīng)范圍內(nèi)消除軌體膨脹和收縮帶來的不利影響，以保證接觸軌裝置的正常工作。其膨脹伸縮間隙可由式（5）近似確定：

式中：

s——鋼鋁復(fù)合軌膨脹伸縮間隙；

α——鋼鋁復(fù)合軌的綜合熱膨脹系數(shù)；

ΔT——溫差；

L1——錨段長(zhǎng)度。

膨脹接頭伸縮間隙首先應(yīng)滿足受流器能夠平滑地滑入和滑出，并能可靠取流。設(shè)受電靴沿線路方向的長(zhǎng)度為80 mm，則s≤160 mm，將相應(yīng)數(shù)值代入式（5），可計(jì)算出L1≤76.9 m，考慮到相應(yīng)的產(chǎn)品誤差和安裝誤差等因素，可取錨段長(zhǎng)度為60 m。

3.2中心錨結(jié)

在錨段的適當(dāng)位置將C型鋼鋁復(fù)合軌與絕緣支架固定，這種固定裝置稱為中心錨結(jié)，如圖6所示。在兩側(cè)裝有膨脹接頭的錨段里，必須加設(shè)中心錨結(jié)，其布置原則為盡量使中心錨結(jié)兩端張力相等。直線區(qū)段以及曲線半徑相同的曲線區(qū)段，中心錨結(jié)均設(shè)在錨段中部；直線和曲線共有區(qū)段且曲線半徑不等時(shí)，中心錨結(jié)設(shè)在靠曲線多、半徑小的一側(cè)。道岔區(qū)域分段絕緣器兩側(cè)需設(shè)置中心錨結(jié)，當(dāng)溫度變化時(shí)，可使軌體向膨脹接頭方向滑動(dòng)，以保證分段絕緣器的間隙，避免道岔搬動(dòng)時(shí)分段絕緣器碰撞。

圖6　中心錨結(jié)

3.3絕緣支撐

接觸軌絕緣支架必須堅(jiān)固可靠并具有三維調(diào)整能力，以充分消除土建誤差。圖7為直線段絕緣支架示意圖，其底座上1位置處的長(zhǎng)條孔可調(diào)節(jié)豎直方向的精度，2位置處內(nèi)部是與底座相連的套筒，其上有垂直底座方向的長(zhǎng)條孔，可以實(shí)現(xiàn)水平方向的精度調(diào)節(jié)。圖8為曲線段絕緣支架示意圖，可通過1、2位置處的長(zhǎng)條孔分別進(jìn)行豎直方向和水平方向的微調(diào)節(jié)，并通過3位置處的弧形滑塊及滑道槽實(shí)現(xiàn)軌面±6°的角度調(diào)節(jié)，以滿足磁浮線路曲線段的安裝調(diào)節(jié)要求。

C型鋼鋁復(fù)合軌其它相關(guān)部件如中間接頭、端部彎頭、道岔接頭、電纜連接板、分段絕緣器等關(guān)鍵技術(shù)也已被攻破。

4　試驗(yàn)檢測(cè)

4.1鋼鋁復(fù)合軌檢測(cè)

C型鋼鋁復(fù)合軌樣品已經(jīng)第三方試驗(yàn)檢測(cè)：在持續(xù)載流試驗(yàn)中，加載直流電流3 000 A，持續(xù)4 h，軌溫升至66.4℃，（小于允許值85℃），持續(xù)載流能力可滿足CJ∕T—2012標(biāo)準(zhǔn)要求；軌溫20℃時(shí)復(fù)合軌直流電阻為9.5μΩ∕m；沿線路方向抗拔力和垂直線路方向抗拉力平均值分別為20.13 k N和50.09 k N，均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

圖7　直線段絕緣支架

圖8　曲線段絕緣支架

4.2主要相關(guān)部件檢測(cè)

對(duì)膨脹接頭樣品進(jìn)行檢測(cè)，初始滑動(dòng)力為80 N；最大調(diào)整間隙為158 mm；軌溫20℃時(shí)過渡電阻為10.5μΩ∕m；加載直流電流3 600 A，持續(xù)4 h，軌溫升至75℃，能滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和使用要求。

絕緣支架經(jīng)檢測(cè)，爬電距離為304 mm；沿線路方向和垂直線路方向的靜態(tài)載荷和極限破壞載荷均可以滿足對(duì)軌體及附件的固定支撐；雷電全波沖擊電壓耐受以及工頻電壓干、濕、污穢電壓耐受試驗(yàn)，均未閃絡(luò)，可滿足使用條件。

5　結(jié)語(yǔ)

焊接式鋼鋁復(fù)合軌及相關(guān)產(chǎn)品經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算、樣品試制檢測(cè)及安裝應(yīng)用，完全可滿足中低速磁浮線供電系統(tǒng)要求。

目前，我國(guó)還沒有投入使用的中低速磁浮商業(yè)運(yùn)營(yíng)線，C型鋼鋁復(fù)合軌及相關(guān)產(chǎn)品在中國(guó)中車株洲電力機(jī)車有限公司中低速磁浮試驗(yàn)線上得到成功應(yīng)用，車輛運(yùn)行穩(wěn)定，接觸軌及所有結(jié)構(gòu)形式無異常變化，與車輛受流器匹配良好。希望該產(chǎn)品能在建設(shè)和規(guī)劃中的磁浮運(yùn)營(yíng)線中得到更多應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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Welded C-type Steel-aluminum Compound Rail and the Main Components for Medium-low Speed Maglev

Sun Weixing

AbstractIn this paper，the welded C-type steel-aluminum compound rail and the main components for mid-low speed maglev are studied.Through theoretical calculation and analysis，the structure of rail body and the related pats are confirmed. Trial samples of the welded C-type steel-aluminum compound rail and the main components are tested，the result shows that they could meet the industry standards and design requirements.

Key wordsmid-low speed maglev；traction power supply system；welded C-type steel-aluminum compound rail

中圖分類號(hào)U 213.4：U 237

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.023

收稿日期：（2015-07-06）