鋼鋁復(fù)合軌在北京市軌道交通大興線工程中的應(yīng)用

劉 崗

(中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院接觸網(wǎng)設(shè)計所，天津 300250)

1 接觸軌工程概況

北京市軌道交通大興線正線線路全長21.8 km,其中高架段及過渡段長約4.35 km,其余為地下段。全線共設(shè)11座車站,其中地下站10座,高架站1座(西紅門站),另在南兆路站設(shè)車輛段1座。全線電化線路機車行進方向的左側(cè)均鋪設(shè)接觸軌,在道岔、車站、人防門等特殊區(qū)段接觸軌需斷開或換邊鋪設(shè)。供電系統(tǒng)采用10 kV開閉所雙環(huán)網(wǎng)供電方式。

電動車組編組為3動3拖,受電方式為DC750V接觸軌上接觸受電方式,接觸軌采用鋼鋁復(fù)合接觸軌,最高行車速度為80 km/h。

2 接觸軌形式及受流方式的確定

鋼鋁復(fù)合接觸軌與低碳鋼接觸軌相比,具有以下優(yōu)點：載流量大、供電距離長、耐腐蝕性強、使用壽命長。

目前國內(nèi)采用接觸軌的軌道交通工程均采用鋼鋁復(fù)合接觸軌,因此不再對低碳鋼軌及鋼鋁復(fù)合接觸軌進行比較。

傳統(tǒng)的接觸軌受流方式主要有3種,即：上部受流、下部受流和側(cè)部受流。側(cè)部受流除重慶地鐵的跨座式地鐵為類似側(cè)部受流方式外,目前國內(nèi)尚無其他實例,側(cè)部受流方式的最大優(yōu)勢是對側(cè)面的限界要求較小,在國外通常用于限界條件較差的舊線改造工程。按照目前現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn),采用B1型車輛的受流方式只有上部受流和下部受流兩種方式,因此側(cè)部受流方式不在此做深入地討論。上、下部受流方式技術(shù)特點如表1所示。

表1 上部受流方式和下部受流方式的綜合技術(shù)性能比較

通過表1可以看出,上、下部兩種受流方式在經(jīng)濟比較方面沒有較大差別,在技術(shù)的成熟性方面也是相當(dāng),只是在某些功能方面略有差異,主要集中在運營安全和系統(tǒng)兼容性兩個方面,從提高運營安全的角度出發(fā),采用下部受流方式則更加適宜,而當(dāng)重點考慮與北京地鐵既有線的兼容性則上部受流方式更為適宜。相比較而言,上接觸受流方式安裝簡單,受流質(zhì)量平穩(wěn)可靠,適于隧道內(nèi)安裝。

北京地鐵4號線采用了鋼鋁復(fù)合接觸軌上部安裝方式,大興線與4號線在公益西橋站南側(cè)接軌并貫通運營,為實現(xiàn)路網(wǎng)和車輛資源共享,保持與4號線的一致性,因此,北京地鐵大興線工程接觸軌系統(tǒng)采用了DC750V上接觸受流方式的鋼鋁復(fù)合軌系統(tǒng)。

3 鋼鋁復(fù)合軌的功能及技術(shù)特點

供電系統(tǒng)通過鋼鋁復(fù)合接觸軌系統(tǒng)將電能持續(xù)不斷地輸送給列車,以保證列車安全正常運行。由于接觸軌系統(tǒng)是無備用的供電裝置,受氣象條件等影響比較大,因此,保證接觸軌系統(tǒng)的運行可靠是地鐵列車安全正常運行的必要條件。

接觸軌系統(tǒng)包括鋼鋁復(fù)合軌、接觸軌接頭、端部彎頭、電纜連接板、中心錨結(jié)、端部彎頭及接觸軌防護系統(tǒng)。

3.1 接觸軌的形式

大興線采用了ASS5100型接觸軌,其技術(shù)參數(shù)見表2。

ASS5100型接觸軌的不銹鋼帶是由1Cr17不銹鋼材料預(yù)加工制成，其組成成分中17%的鉻保證了接觸軌具有優(yōu)良的耐腐蝕性和抗電腐蝕性。其接觸面的有效寬度為65 mm。鋁軌體的材質(zhì)為鋁合金6063 T6。采用冷壓機械復(fù)合成型,不銹鋼帶預(yù)加工成“C”字形,并在磨耗層兩側(cè)沿縱向留有1排相同間距的小孔,將鋁合金壓嵌入不銹鋼帶預(yù)先加工好的孔洞中,形成榫接。鋼鋁復(fù)合工藝如圖1所示。復(fù)合時將不銹鋼帶緊壓在鋁軌上,并通過實施間隙檢測,確保鋼鋁結(jié)合面最大間隙不大于0.2 mm。

表2 大興線鋼鋁復(fù)合接觸軌技術(shù)參數(shù)

圖1 鋼鋁復(fù)合工藝示意

3.2 接觸軌安裝位置

接觸軌安裝在列車行進方向的左側(cè),在有道岔等特殊區(qū)段,為保證可靠供電的要求,換邊敷設(shè)布置。接觸軌中心線至相鄰走行軌內(nèi)側(cè)工作邊的水平距離為(700±5)mm,接觸軌軌頂面至走行軌軌面連線的垂直距離為(140±5)mm。

3.3 接觸軌安裝方式

在整體道床、減震器扣件道床、明挖及暗挖隧道浮置板道床區(qū)段采用接觸軌與短軌枕合架方式安裝,接觸軌通過絕緣支座安裝固定在加長短軌枕上,絕緣支座與加長短軌枕之間通過預(yù)埋于軌枕內(nèi)的尼龍?zhí)坠苡寐菁y道釘進行固定,接觸軌與絕緣支座之間采用扣板連接,扣板與接觸軌之間留有0.5 mm的間隙,以利于接觸軌在溫度變化時沿縱向自由伸縮。道岔區(qū)、斷軌的端部彎頭處、梯形軌枕、圓形隧道浮置板道床等區(qū)段，由于軌道不具備接觸軌合架的條件,而采用脹錨螺栓將整體絕緣支架直接固定在道床上。在車輛段木軌枕區(qū)段,用木螺紋道釘直接將整體絕緣支座固定在加長木枕上。預(yù)留尼龍?zhí)坠芗凹娱L木枕的布置原則一般為每7根或6根軌枕布置1個,跨距不大于4 600 mm。圖2為大興線現(xiàn)場接觸軌安裝照片。

圖2 現(xiàn)場接觸軌安裝

3.4 接觸軌的錨段設(shè)置

鋼鋁復(fù)合軌2組膨脹接頭之間的膨脹伸縮補償段稱之為一個錨段。錨段長度通過接觸軌的膨脹伸縮補償范圍計算來確定,膨脹伸縮間隙通過如下公式計算

s=α×ΔT×L

式中s——接觸軌膨脹伸縮間隙；

α——鋼鋁復(fù)合接觸軌的綜合熱膨脹系數(shù)；

ΔT——溫差(地面段計算溫度范圍：-25～+85 ℃；隧道內(nèi)計算溫度范圍：0～+85 ℃)；

L——錨段長度。

南京賽彤的膨脹接頭最大膨脹間隙為200 mm,通過上述分析并考慮相應(yīng)的產(chǎn)品誤差及安裝誤差等綜合因素,計算結(jié)果為地面及高架區(qū)段采用70 m為一錨段,地下隧道內(nèi)采用105 m為一錨段,隧道進出口內(nèi)的最后2個錨段應(yīng)按地面段考慮。

3.5 接觸軌接頭

接觸軌接頭分為正常接頭和膨脹接頭2種。正常接頭通過同材質(zhì)的魚尾板安裝在成品接觸軌之間以及接觸軌端部與端部彎頭之間,中間接縫密貼,連接可靠。膨脹接頭安裝在長軌與長軌之間。由于環(huán)境溫度的變化或運行中電流傳輸都會造成接觸軌長度的變化。接觸軌長度的變化造成的縱向應(yīng)力要補償。因此需要安裝膨脹接頭在機械和電氣特性兩方面連接2根長軌中間的空隙。膨脹接頭分成3段接觸軌,中間軌較短,兩側(cè)軌較長,長軌與短軌之間通過魚尾板連接,連接處接觸軌對角按30°切角(即膨脹接頭處接觸軌的接縫為斜角),以保證受流器能夠順利通過膨脹接頭,2根長軌上開長孔,以長孔的尺寸補償溫度變化引起的膨脹行程。接觸軌的電氣連接依靠安裝在膨脹接頭底部可以相對運動的鍍銀軟橢圓銅排來實現(xiàn),保證電氣連接可靠,而且不會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。膨脹接頭的總長為1 600 mm,膨脹接頭的間隙根據(jù)安裝曲線確定。

3.6 接觸軌標(biāo)準(zhǔn)長度

根據(jù)這2個錨段長度以及連接處魚尾板盡量設(shè)置于2個支撐點之間的原則進行標(biāo)準(zhǔn)軌配軌,從而減少鋸軌,避免浪費。根據(jù)計算,標(biāo)準(zhǔn)軌長度為16.7 m及17.5 m。

在地面及高架區(qū)段：錨段長度70 m=16.7 m+17.5 m+17.5 m+16.7 m+1.6 m(膨脹接頭長度)。

在地下區(qū)段：錨段長度105 m=16.7 m+17.5 m×4+16.7 m+1.6 m(膨脹接頭長度)。

通過以上2個算式可以看出,通過配軌,基本杜絕了接觸軌鋸軌,最大限度地提高了接觸軌的利用率。

3.7 中心錨結(jié)設(shè)置

接觸軌每個錨段中部均設(shè)置中心錨結(jié),保證錨段內(nèi)接觸軌在溫度變化時能夠均勻地向兩側(cè)伸縮。當(dāng)線路坡度小于20‰時,錨段中部設(shè)置1組中心錨結(jié),當(dāng)線路坡度大于等于20‰而小于40‰時,應(yīng)設(shè)置2組中心錨結(jié),當(dāng)線路坡度大于等于40‰時,應(yīng)設(shè)置3組中心錨結(jié)。每一套中心錨結(jié)是由4個不銹鋼鑄件和2套不銹鋼緊固件組成,鑄件通過螺栓、螺母從兩側(cè)緊緊夾在接觸軌的底座上,從而起到防竄的作用。

3.8 接觸軌斷軌設(shè)置

接觸軌自然斷開稱之為斷軌,根據(jù)作用不同斷軌分為電不分段和電分段2種形式。

電不分段主要指接觸軌自然斷開,在接觸軌斷軌處,接觸軌端部均需安裝端部彎頭,正線區(qū)段安裝高速端部彎頭,其余區(qū)段安裝低速端部彎頭,兩斷軌間用電纜進行電氣連接,斷口大小根據(jù)具體情況確定。接觸軌需要在以下部位設(shè)置電不分段：道岔處；人防門處；區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道處；平交道口處；車庫庫房內(nèi)。

正線電分段應(yīng)滿足正常運營情況下雙邊供電、一個變電所解列時構(gòu)成大雙邊供電的原則；車輛段和停車場電分段應(yīng)滿足供電需要,同時考慮接觸軌檢修需要設(shè)置。兩斷軌間電氣不連接,斷口長度為14 m。接觸軌需要在以下部位設(shè)置電分段：在設(shè)有牽引變電所的正線車站的車輛進站惰行側(cè)；正線與停車線、折返線之間；正線與車輛段、停車場之間；車輛段各供電分區(qū)之間。

車場內(nèi)供電分區(qū)需結(jié)合段內(nèi)各線路功能進行設(shè)置,以利于段內(nèi)行車的運營組織和線路的維修管理。

在接觸軌的布置中,應(yīng)體現(xiàn)少斷軌原則。根據(jù)線路的實際情況,盡量選用道岔、人防門等處的斷軌做電分段。

3.9 端部彎頭設(shè)置

為保證列車集電靴平滑搭接或離開接觸軌,在接觸軌的端部設(shè)置具有適量縱向坡度的端部彎頭。正線采用高速彎頭,坡度為1∶50,長5.1 m；低速(低于35 km/h)通過區(qū)段可采用低速彎頭,坡度為1∶30,長3.4 m。端部彎頭是由接觸軌加工而成的,其連接魚尾板的端部沒有坡度,與接觸軌有同樣的截面和高度公差,從而與接觸軌之間連接密貼,不會形成高低差,保證受流器順利通過。每一個端部彎頭的尾部都經(jīng)過預(yù)彎,坡度更大一些,這樣能保證端部彎頭具有更好的自熄弧特性。

3.10 電連接

在以下部位設(shè)置電連接：正線除電分段外,其余所有斷軌之間須設(shè)電連接；輔助線與正線之間的銜接處通過隔離開關(guān)設(shè)電連接；車輛段庫內(nèi)兩停車段之間的接觸軌斷軌須設(shè)電連接；電連接與接觸軌的連接點一般距接觸軌端部應(yīng)大于端部彎頭的長度。

正線電分段處,兩側(cè)接觸軌經(jīng)8×240 mm2電纜均與饋電開關(guān)連接,饋電開關(guān)的另一側(cè)經(jīng)6×400 mm2電纜接至牽引變電所直流開關(guān)柜,電分段兩側(cè)饋電開關(guān)柜出線之間設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān),以實現(xiàn)越區(qū)供電的要求。電連接在接觸軌的連接點一般距接觸軌端部彎頭端部6 600 mm處。

3.11 接觸軌防護系統(tǒng)

全線均安裝接觸軌防護罩,防護罩由防護板和防護板支架組成,防護罩與接觸軌同側(cè)安裝,防護板通過螺栓安裝在防護支架上,防護支架通過螺栓固定在接觸軌上,并與接觸軌支撐底座錯開布置,防護支架間距一般為2.18 m。在接觸軌端部彎頭處,防護罩通過落地防護支架固定于支撐底座上。防護板和防護板支架均為玻璃纖維增強樹酯采用高溫模壓或拉擠工藝制成,具有在2 m左右間距時,120 kg的重物放上及移開后不發(fā)生斷裂或破碎,并能返回到原來的形狀和位置的機械特性,防止緊急狀態(tài)下人踩踏時發(fā)生事故。圖3為大興線接觸軌防護罩安裝現(xiàn)場照片。

圖3 接觸軌防護罩安裝現(xiàn)場

4 結(jié)語

隨著鋼鋁復(fù)合接觸軌技術(shù)的不斷發(fā)展及其在國內(nèi)多條軌道交通線路上的采用,鋼鋁復(fù)合接觸軌系統(tǒng)良好的景觀效果、系統(tǒng)免維護性能方面得到了業(yè)內(nèi)人士的廣泛好評,已成為國內(nèi)軌道交通主流供電制式之一。

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