中低速磁浮鋼鋁復合接觸軌側向安裝受流研究

趙金鳳

0 引言

目前，世界上有10 多個國家正在試驗和發展磁浮交通系統。中低速磁浮交通以日本常導型常速技術比較成熟，接近或達到商業運營的要求（日本名古屋東部丘陵線按商業運行要求設計的線路）。國內，有關高校和科研院所在20 世紀80 年代開展了基礎性研究，并相繼建成一定規模的磁浮列車工程試驗示范線。

以上研究主要集中在列車懸浮導向、牽引推進和直線電機方面，用于實驗測試并向磁浮列車提供懸浮、牽引、導向、制動、信號和車載用電的供電軌主要為低碳鋼軌和銅線+鋁排（均為剛性接觸）。該系統存在的主要問題是持續載流能力小，不能在磁浮交通長大干線工程中應用，為此進行鋼鋁復合接觸軌在磁浮交通工程中安裝和應用的研究。

1 供電總體技術要求

根據中低速磁浮列車運行特點，其地面供電系統主要是在導向軌下方軌道梁側面敷設2 根鋼鋁復合接觸軌（通有DC 1 500 V 或DC 750 V 電壓），并通過和集電靴滑觸給列車供電，要求鋼鋁復合接觸軌系統具有3 000 A 以上的持續載流能力和較長的使用壽命。

鋼鋁復合接觸軌具備合理的彈性和剛性，滿足小曲線和豎直曲線安裝并無內部應力產生，保證絕緣支撐系統使用壽命。

2 結構設計

2.1 技術思路

鋼鋁復合接觸軌截面設計具有3 000 A 以上的持續載流能力和較長的使用壽命。

鋼鋁復合接觸軌具備滿足小曲線和豎直曲線安裝并無內部應力產生，保證系統使用壽命。

2.2 截面設計和相關計算

根據磁浮列車受流特點，將鋼鋁復合接觸軌設計為“工”字形雙包式結構，采用鋁鎂硅和不銹鋼材質，具有電導率高、線路電阻小、使用壽命長和集電取流平穩等特點；在高度方向尺寸減小，軌頂和軌腰尺寸加寬加厚，使得鋼鋁復合接觸軌X 向（順線路方向）可實現Y 向（垂直軌道梁側面方向）彈性和Z 向（垂直軌道梁軌面方向）剛性，并滿足系統持續載流截面需要。單根鋼鋁復合接觸軌長度12 m，截面積4 250 mm2，重量10 kg/m，完全滿足中低速磁浮系統安裝供電要求。見圖1 所示。

計算鋼鋁復合接觸軌Y、Z 軸慣性矩，用于分析、確定鋼鋁復合接觸軌安裝、取流方案，保證集電靴滑行順暢和良好的電接觸（表1）。

圖1 鋼鋁復合接觸軌剖面圖

表1 鋼鋁復合接觸軌Y、Z 軸慣性矩計算表

表1 計算結果表明：該鋼鋁復合接觸軌對Y 軸慣性矩較小，彈性較好，便于系統側向安裝時鋼鋁復合接觸軌能更好地滿足線路曲線布置安裝；對Z軸慣性矩較大，剛度較好，便于系統側向安裝時鋼鋁復合接觸軌豎向支撐跨距布置和軌靴配合。

3 側向安裝受流

3.1 限界和側向安裝技術分析

中低速磁浮交通系統土建工程多數采用高架線路，軌道與磁浮列車采用外包式耦合，圖2 為中低速磁浮車輛限界示意圖。目前磁浮車輛受電靴安裝沒有統一標準，根據中低速磁浮采用DC 1 500 V或DC 750 V 電壓供電制式，確定鋼鋁復合接觸軌安裝空間為圖2 所示位置，用以滿足電氣絕緣150 mm 絕緣間隙和安裝結構調整要求。

圖2 中低速磁浮車輛限界示意圖

目前，中低速磁浮工程限界設計中，圖2 中鋼鋁復合接觸軌安裝區域的水平使用寬度通常不大于400 mm，基本上為磁浮工程總體設計的標準值，也是磁浮列車限界與軌道梁耦合結構帶來的結果。

3.2 側向安裝絕緣支撐設計研究

鋼鋁復合接觸軌通過絕緣支撐裝置安裝在線路中，在Y 向400 mm 的距離內，需要實現絕緣、支撐和安裝調整等多重功能，可以采用預埋帶齒槽道和鋼結構調整底座連接復合絕緣子的方案進行側向安裝裝配。預埋的帶齒槽道可以實現Z 向距離調整，鋼結構底座進行Y 向距離調整，通過增減墊片來滿足平面精度微調要求。

采用復合絕緣子水平安裝，滿足絕緣距離和耐受電壓使用要求，使機械受力狀態最優并便于鋼結構底座通過帶齒槽道與軌道梁連接。線路安裝和施工調整裝配如圖3 所示。

圖3 線路安裝和施工調整裝配示意圖

4 試驗驗證

4.1 鋼鋁復合接觸軌持續載流能力

2011 年3 月中鐵電氣化局集團寶雞器材有限公司完成相關產品的研制，并對鋼鋁復合接觸軌載流量進行試驗測試和理論計算。理論計算根據載流量公式進行。

2 種結果表明，中低速磁浮鋼鋁復合接觸軌載流量均在3 500 A 以上，并且理論值略高于實驗數據，符合實際工況。

4.2 電氣性能和機械性能測試

對復合絕緣子進行工頻干、濕、污穢、雷電沖擊耐受電壓測試，同時進行絕緣子抗拉和抗彎測試，均滿足行業或國家標準要求。

4.3 整體受力和曲線安裝測試

鋼鋁復合接觸軌曲線安裝，通過R43 米、R75米和R200 米的曲線實際安裝，驗證了鋼鋁復合接觸軌自身的彈性和剛性滿足系統設計要求，同時也為軌靴受流配合提供靜態模擬條件。

鋼鋁復合接觸軌絕緣支撐通過預埋帶齒槽道、鋼結構底座和絕緣子共同來實現。主要承載沿線路方向和垂直線路方向的靜態載荷。試驗驗證該套裝置可以完全滿足系統要求。

5 結束語

通過上述研究、驗證，筆者認為鋼鋁復合接觸軌系列適合目前的中低速磁浮交通供電。借鑒成熟的鋼鋁復合接觸軌工程應用經驗，結合中低速磁懸浮的應用特點，鋼鋁復合接觸軌系統將得到大量的工程應用和推廣。由于相關工程應用、相關標準具有各自的實際情況，希望本文能為中低速磁浮交通工程建設、設計、施工單位工作者提供有益參考。

[1] 于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統設計原理與應用[M].成都：西南交通大學出版社，2008.

[2] 周慶瑞，金鋒.新型城市軌道交通[M].北京：中國鐵道出版社，2005.

[3] 吳祥明.磁浮列車[M].上海：上海科學技術出版社，2003.

[4] 王財華.城市軌道交通研究2011（10）[M].上海：同濟大學主辦，2011.