鋼鋁復合軌在北京市軌道交通大興線工程中的應用

劉 崗

(中鐵電氣化勘測設計研究院接觸網設計所，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),另在南兆路站設車輛段1座。全線電化線路機車行進方向的左側均鋪設接觸軌,在道岔、車站、人防門等特殊區段接觸軌需斷開或換邊鋪設。供電系統采用10 kV開閉所雙環網供電方式。

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

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

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

傳統的接觸軌受流方式主要有3種,即：上部受流、下部受流和側部受流。側部受流除重慶地鐵的跨座式地鐵為類似側部受流方式外,目前國內尚無其他實例,側部受流方式的最大優勢是對側面的限界要求較小,在國外通常用于限界條件較差的舊線改造工程。按照目前現行的國家標準,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,因此側部受流方式不在此做深入地討論。上、下部受流方式技術特點如表1所示。

表1 上部受流方式和下部受流方式的綜合技術性能比較

通過表1可以看出,上、下部兩種受流方式在經濟比較方面沒有較大差別,在技術的成熟性方面也是相當,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兼容性兩個方面,從提高運營安全的角度出發,采用下部受流方式則更加適宜,而當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,受流質量平穩可靠,適于隧道內安裝。

北京地鐵4號線采用了鋼鋁復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接軌并貫通運營,為實現路網和車輛資源共享,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采用了DC750V上接觸受流方式的鋼鋁復合軌系統。

3 鋼鋁復合軌的功能及技術特點

供電系統通過鋼鋁復合接觸軌系統將電能持續不斷地輸送給列車,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。

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

3.1 接觸軌的形式

大興線采用了ASS5100型接觸軌,其技術參數見表2。

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

表2 大興線鋼鋁復合接觸軌技術參數

圖1 鋼鋁復合工藝示意

3.2 接觸軌安裝位置

接觸軌安裝在列車行進方向的左側,在有道岔等特殊區段,為保證可靠供電的要求,換邊敷設布置。接觸軌中心線至相鄰走行軌內側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埋于軌枕內的尼龍套管用螺紋道釘進行固定,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、斷軌的端部彎頭處、梯形軌枕、圓形隧道浮置板道床等區段，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。預留尼龍套管及加長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為大興線現場接觸軌安裝照片。

圖2 現場接觸軌安裝

3.4 接觸軌的錨段設置

鋼鋁復合軌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——鋼鋁復合接觸軌的綜合熱膨脹系數；

ΔT——溫差(地面段計算溫度范圍：-25～+85 ℃；隧道內計算溫度范圍：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的產品誤差及安裝誤差等綜合因素,計算結果為地面及高架區段采用70 m為一錨段,地下隧道內采用105 m為一錨段,隧道進出口內的最后2個錨段應按地面段考慮。

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,保證電氣連接可靠,而且不會產生電化學腐蝕。膨脹接頭的總長為1 600 mm,膨脹接頭的間隙根據安裝曲線確定。

3.6 接觸軌標準長度

根據這2個錨段長度以及連接處魚尾板盡量設置于2個支撐點之間的原則進行標準軌配軌,從而減少鋸軌,避免浪費。根據計算,標準軌長度為16.7 m及17.5 m。

在地面及高架區段：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 中心錨結設置

接觸軌每個錨段中部均設置中心錨結,保證錨段內接觸軌在溫度變化時能夠均勻地向兩側伸縮。當線路坡度小于20‰時,錨段中部設置1組中心錨結,當線路坡度大于等于20‰而小于40‰時,應設置2組中心錨結,當線路坡度大于等于40‰時,應設置3組中心錨結。每一套中心錨結是由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 接觸軌斷軌設置

接觸軌自然斷開稱之為斷軌,根據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,正線區段安裝高速端部彎頭,其余區段安裝低速端部彎頭,兩斷軌間用電纜進行電氣連接,斷口大小根據具體情況確定。接觸軌需要在以下部位設置電不分段：道岔處；人防門處；區間聯絡通道處；平交道口處；車庫庫房內。

正線電分段應滿足正常運營情況下雙邊供電、一個變電所解列時構成大雙邊供電的原則；車輛段和停車場電分段應滿足供電需要,同時考慮接觸軌檢修需要設置。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置電分段：在設有牽引變電所的正線車站的車輛進站惰行側；正線與停車線、折返線之間；正線與車輛段、停車場之間；車輛段各供電分區之間。

車場內供電分區需結合段內各線路功能進行設置,以利于段內行車的運營組織和線路的維修管理。

在接觸軌的布置中,應體現少斷軌原則。根據線路的實際情況,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過預彎,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

在以下部位設置電連接：正線除電分段外,其余所有斷軌之間須設電連接；輔助線與正線之間的銜接處通過隔離開關設電連接；車輛段庫內兩停車段之間的接觸軌斷軌須設電連接；電連接與接觸軌的連接點一般距接觸軌端部應大于端部彎頭的長度。

正線電分段處,兩側接觸軌經8×240 mm2電纜均與饋電開關連接,饋電開關的另一側經6×400 mm2電纜接至牽引變電所直流開關柜,電分段兩側饋電開關柜出線之間設聯絡開關,以實現越區供電的要求。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

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,防止緊急狀態下人踩踏時發生事故。圖3為大興線接觸軌防護罩安裝現場照片。

圖3 接觸軌防護罩安裝現場

4 結語

隨著鋼鋁復合接觸軌技術的不斷發展及其在國內多條軌道交通線路上的采用,鋼鋁復合接觸軌系統良好的景觀效果、系統免維護性能方面得到了業內人士的廣泛好評,已成為國內軌道交通主流供電制式之一。

參考文獻：

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