于素芬

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跨座式單軌系統(tǒng)接觸軌選型分析

于素芬

介紹了目前國內(nèi)跨座式單軌側(cè)部授流系統(tǒng)中接觸軌的幾種結(jié)構(gòu)型式，重點對工字軌和C型軌進行比較分析，提出了適合于跨座式單軌系統(tǒng)接觸軌的結(jié)構(gòu)型式。

工字軌；C型軌；選型

0 引言

跨座式單軌列車采用膠輪作為走行輪支撐車體，走行時會發(fā)生橫向、垂直方向位移。根據(jù)目前對跨座式單軌車輛動態(tài)包絡(luò)線情況的分析，在不同運行工況下，車輛橫向位移偏移量較小，垂直方向位移偏移量較大。針對該特點，應(yīng)為跨座式單軌列車選擇一種較為適合的接觸軌結(jié)構(gòu)型式。

1 接觸軌類型簡介

目前，可用于側(cè)部授流的接觸軌主要有C型鋼鋁復(fù)合軌、工字型鋼鋁復(fù)合軌、T型匯流排+滑觸線3種型式。圖1所示為國內(nèi)外采用不同制式的接觸軌單軌工程應(yīng)用實例。

圖1 國內(nèi)外接觸軌工程應(yīng)用實例

2 鋼鋁復(fù)合軌與匯流排的選擇

針對跨座式單軌交通，若采用柔性接觸網(wǎng)（T型匯流排+滑觸線）作為移動供電方式，其接觸位置通流密度較授流面更寬的接觸軌將大幅增大，從而更易引起電弧燒蝕。若采用接觸軌結(jié)構(gòu)型式，無需考慮拉出值，便于系統(tǒng)安裝。因此，從安全性、平順性、安裝便捷性及經(jīng)濟性等方面考慮，采用接觸軌方式比T型匯流排+滑觸線方式更具優(yōu)勢。表1所示為匯流排與接觸軌主要特點對比。

同時，考慮到T型匯流排+滑觸線的結(jié)構(gòu)型式存在施工工藝復(fù)雜、安裝調(diào)整困難、系統(tǒng)壽命短、與工程擬采用車輛的集電裝置不匹配等因素，單軌工程中不再進行分析考慮，下文主要針對C型鋼鋁復(fù)合軌（簡稱C型軌）和工字型鋼鋁復(fù)合軌（簡稱工字軌）進行比較分析。

3 工字軌與C型軌的比較分析

由于C型軌和工字軌采用不同的截面形狀，在限界、授流面尺寸、輔件（絕緣支架、膨脹接頭等）類型、安裝方式等諸多方面存在差異，在選型分析時，從系統(tǒng)整體安全性、穩(wěn)定性、授流平順性、安裝便捷性、經(jīng)濟性等方面對兩者進行對比，旨在為項目的接觸軌選型提供科學(xué)客觀的參考依據(jù)。

表1 匯流排與接觸軌特點對比

3.1 有效授流面

由于跨座式單軌列車依靠膠輪支撐，走行時會因載客量的不同或極端條件（如爆胎等）發(fā)生Y向（垂直方向）位移，進而造成列車在接觸軌授流面沿Y向上下移動。更大的接觸軌授流面可為車輛行駛提供更大的安全冗余，同時減少由于車輛運行時授流器因接觸面發(fā)生變化引起的燒蝕，從而降低其運營維護工作量，提升使用壽命。

圖2所示為C型軌與工字軌截面對比示意圖，圖中工字軌為巴西圣保羅Tiradentes單軌項目擬選用的與Innovia車型配套的接觸軌。由圖可見，C型軌的有效授流面寬度為100 mm，較巴西圣保羅Tiradentes項目所采用的工字型接觸軌68.9 mm授流面寬度提升約45%。目前國產(chǎn)工字軌產(chǎn)品的授流面寬度僅為65 mm，意味著車輛在發(fā)生Y向位移（特別是授流器靴面會部分錯開軌面）時，擁有更大授流面的C型軌可以為車輛授流器提供更大的接觸面，從而實現(xiàn)更穩(wěn)定的授流。

圖2 2種接觸軌截面對比

以龐巴迪跨座式單軌車輛Innovia在巴西圣保羅Tiradentes項目中不同工況條件下授流器在接觸軌軌面的位置情況（靜態(tài)）為例，在靜態(tài)狀態(tài)下，當(dāng)車輛處于空載（AW0）時，授流器上沿與接觸軌授流面上沿齊平，與車輛在滿載狀態(tài)時（AW2）一樣，授流器與接觸軌接觸良好；當(dāng)車輛處于故障狀態(tài)（爆胎）時，車體發(fā)生下沉，授流器與接觸軌發(fā)生錯位。當(dāng)車輛處于動態(tài)行駛狀態(tài)下，由于路幅的顛簸和車輛行駛速度發(fā)生變化而引起的車輛起伏都將影響授流器的Y向位移，此時，更寬大的授流軌面必將為授流器提供更安全充裕的冗余，提供更好的授流條件。

此外，更大的授流面可以更大程度上避免授流器與接觸軌發(fā)生錯位導(dǎo)致的偏磨（圖3所示為工字軌因授流器發(fā)生偏磨的實物照片），從而減少由此引起的燒損及授流器頻繁更換造成的維護成本。

圖3 授流器未完全接觸接觸軌導(dǎo)致偏磨

圖4所示為C型軌與巴西圣保羅Tiradentes項目選用的工字軌在不同工況條件下相互位置關(guān)系示意圖。當(dāng)接觸軌在相同安裝高度條件下，授流器高度為68 mm（巴西圣保羅Tiradentes項目）時，C型軌在各種工況條件下授流器與接觸軌的授流面接觸情況均優(yōu)于工字軌。其原因在于C型軌授流面寬大且平直，無工字軌由于其固有生產(chǎn)工藝造成的接觸面邊緣圓角。

圖4 不同工況C型軌與工字軌對比示意圖

根據(jù)龐巴迪300型車輛不同工況條件下位移+32～-57 mm（0位為AW2工況時的工作高度）的情況，其最大位移量達到了89 mm，這就意味著為滿足各種工況下授流器均可穩(wěn)定授流，必須保證接觸軌的有效授流面寬度大于89 mm。目前的工字型接觸軌產(chǎn)品還尚未達到該項技術(shù)指標要求，而長沙磁浮快線使用的C型軌授流面可達到100 mm的需求。

由上可知，C型軌較工字軌擁有更寬的授流面，可為跨座式單軌車輛提供更好的授流條件，具有顯著優(yōu)勢。

3.2 限界/絕緣凈空

單軌車輛集電器工作面與梁面之間的距離較?。▋H為140 mm），為保證接觸軌系統(tǒng)的安裝空間及絕緣要求，系統(tǒng)對接觸軌的安裝限界要求十分嚴格。以C型軌和工字軌均可滿足授流需要的載流量為前提，對兩者所需的安裝空間及對應(yīng)的絕緣凈空進行對比，如表2所示。

表2 2種鋼鋁復(fù)合軌限界/絕緣凈空對比

3.3 授流平順性

作為車輛供電的主要載體，接觸軌應(yīng)為車輛運行提供安全平穩(wěn)的供電。其供電方式是由車載授流器與接觸軌軌面的接觸進行電能傳輸，除應(yīng)考慮軌面的有效授流面寬度外，還應(yīng)考慮接觸軌軌面的平順性。

無論是工字軌還是C型軌，其單位長度軌體表面的平順性指標均在制造商廠內(nèi)進行控制，目前主要的接觸軌供貨商所供產(chǎn)品均滿足要求。除此之外，影響其平順性的關(guān)鍵因素還包括軌體進行連接時的連接方式、精度控制，以及接觸軌線路布置所需的膨脹接頭等。

3.3.1 中間接頭

圖5所示為2種軌型中間接頭連接方式對比示意，工字軌采用在軌腰部打孔，通過魚尾板進行緊固連接的方式，其軌面的平順性（高差）由工字軌腰部與魚尾板連接面的加工精度保證。C型軌采用內(nèi)外芯板通過螺栓緊固夾持的方式進行連接，其軌面的平順性（高差）由軌體與內(nèi)外芯板接觸面的加工精度保證。目前接觸軌采用的鋁合金本體部分通常采用擠壓成型工藝完成，2種軌型的尺寸精度處于同一水平。工字軌精度控制面為異型，無法通過后續(xù)加工提高精度，C型軌可通過接頭部分精加工提高精度，或可為其中間接頭連接部分提供更高的連接精度，避免在軌體上打孔（影響連接固定精度），具有一定優(yōu)勢。據(jù)調(diào)研，目前工字軌接頭處連接精度為±0.5mm，C型軌接頭處連接精度可達到±0.1 mm。

圖5 2種接觸軌軌體連接方式對比

3.3.2 膨脹接頭

圖6所示為接觸軌常用的膨脹接頭示意圖，主要分為單縫式、雙縫式、梳狀縫式3類。傳統(tǒng)的膨脹接頭均采用預(yù)留伸縮縫形式來解決由于溫度變化引起的軌體長度變化，其缺點是該預(yù)留伸縮縫將對車輛的授流產(chǎn)生波動，影響其授流平順性，并增加授流器經(jīng)過該處時的損耗，進而增加運營成本。

圖6 傳統(tǒng)膨脹接頭

據(jù)了解，目前已有接觸軌制造商開發(fā)了無縫膨脹接頭，并已通過型式試驗驗證。其原理是將沿線路方向的軌體尺寸隨溫度的變化通過楔形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪本€路方向，在實現(xiàn)軌體伸縮變化的同時保障了兩側(cè)軌面的緊密連接，同時實現(xiàn)了電連接功能。如圖7所示。

圖7 無縫膨脹接頭

若可將無縫膨脹接頭應(yīng)用于跨座式單軌用接觸軌系統(tǒng)，不僅可消除原有預(yù)留伸縮縫對車輛授流產(chǎn)生的波動影響，同時可避免授流器經(jīng)過該處時的損耗，進而降低運營成本。

以C型軌為例，因其較工字軌剛?cè)岫雀鼮檫m度，在彎道處安裝無需預(yù)彎，且在道岔處可實現(xiàn)連續(xù)可撓，避免了工字軌在道岔處安裝時因其剛度過大而出現(xiàn)斷軌和折點，并輔之以無縫膨脹接頭在道岔處的布置，可以對道岔轉(zhuǎn)轍時內(nèi)外側(cè)接觸軌因彎曲半徑不同引起的長度方向的尺寸變化進行無縫補償，從而實現(xiàn)接觸軌系統(tǒng)全線的無縫安裝。

3.4 安裝便捷性

以軌體安裝為例，C型軌采用旋轉(zhuǎn)式內(nèi)卡固定，安裝時可懸掛于支座上，便于定位及安裝，且其軌體剛?cè)岫冗m中，安裝應(yīng)力小，便于調(diào)整，彎道處可實現(xiàn)彈性過彎，無需預(yù)彎。工字軌采用魚尾板連接固定方式，無法預(yù)先定位，其軌體剛度亦過大，安裝應(yīng)力大，不便于調(diào)整，且在彎道處需進行預(yù)彎。在安裝便捷性方面，C型軌優(yōu)于工字軌。

在輔件安裝方面，工字軌配套輔件除在安裝后存在侵界的情況外，其安裝時還需在軌體上進行打孔，一定程度上將破壞軌體強度，且增加了安裝施工難度，同時會影響其安裝精度，而C型軌安裝時則無需進行軌體打孔。

3.5 耐候性

用于側(cè)部授流的工況條件下，工字軌“腰部”開口向上，較C型軌更易積水結(jié)冰，甚至延伸至授流面，存在一定安全隱患，或增加運維工作量；C型軌其槽裝部分均隱匿于軌體內(nèi)部，不易積水結(jié)冰，更具優(yōu)勢。同時，C型軌外輪廓為矩形，接頭、卡件等輔件可裝入軌體內(nèi)部，簡潔美觀；工字軌外輪廓較為復(fù)雜，接頭、卡件等輔件外露，美觀性稍遜，且其表面積較C型軌小，使其散熱性能也遜于C型軌。

4 結(jié)語

由工字軌與C型軌在膨脹接頭、分段絕緣器、中間接頭、電連接等接觸軌系統(tǒng)輔件方面的對比分析可以看出，現(xiàn)有工字軌無法滿足絕緣要求，而C型接觸軌系統(tǒng)較工字型接觸軌系統(tǒng)具有更為緊湊的結(jié)構(gòu)，可為單軌系統(tǒng)和車輛提供更大的安全冗余，更為可靠，具有明顯優(yōu)勢。

在平順性方面，C型軌輔之以無縫膨脹接頭，可實現(xiàn)接觸軌的全線無縫布置，從而提升了車輛行駛的平順性、舒適性，減小了由此造成的授流器損耗，提升使用壽命，降低線路的后期運維成本。

綜上分析，C型鋼鋁復(fù)合軌較工字型鋼鋁復(fù)合軌具有較寬的授流面、較低的限界需求、較好的授流平順性、優(yōu)良的耐候性等優(yōu)點，可作為跨座式單軌側(cè)部授流系統(tǒng)接觸軌的最佳選擇。

[1] 李金華．架空剛性懸掛的技術(shù)探討[J]. 城市軌道交通研究，2000（3）：33-37.

[2] 胡一洲．城市軌道交通架空接觸網(wǎng)的懸掛類型[J]. 中國鐵路，2002（5）：50-53.

[3] 高鳴. 單軌跨座式軌道交通接觸網(wǎng)部件國產(chǎn)化研究[J].鐵道工程學(xué)報，2002，19（2）：61-65.

[4] 徐才兵，寧家富，車宇哲. 重慶跨座式單軌交通整體夾持T型匯流排的研究[J]. 城市軌道交通研究，2013（2）：107-109.

The paper introduces several structural types of contact rails for lateral feeding to the straddle type monorail system in our country, puts emphasis on comparison and analysis of H type and C type contact rails, proposes the structural type of contact rails which are suitable to the straddle type monorail system.

H type contact rail; C type contact rail; model selection

U232.8

B

1007-936X(2018)02-0060-04

2018-01-24

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.016

于素芬.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，高級工程師。