中低速磁浮鋼鋁復(fù)合接觸軌側(cè)向安裝受流研究

趙金鳳

0 引言

目前，世界上有10 多個(gè)國(guó)家正在試驗(yàn)和發(fā)展磁浮交通系統(tǒng)。中低速磁浮交通以日本常導(dǎo)型常速技術(shù)比較成熟，接近或達(dá)到商業(yè)運(yùn)營(yíng)的要求（日本名古屋東部丘陵線按商業(yè)運(yùn)行要求設(shè)計(jì)的線路）。國(guó)內(nèi)，有關(guān)高校和科研院所在20 世紀(jì)80 年代開展了基礎(chǔ)性研究，并相繼建成一定規(guī)模的磁浮列車工程試驗(yàn)示范線。

以上研究主要集中在列車懸浮導(dǎo)向、牽引推進(jìn)和直線電機(jī)方面，用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試并向磁浮列車提供懸浮、牽引、導(dǎo)向、制動(dòng)、信號(hào)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(tǒng)存在的主要問題是持續(xù)載流能力小，不能在磁浮交通長(zhǎng)大干線工程中應(yīng)用，為此進(jìn)行鋼鋁復(fù)合接觸軌在磁浮交通工程中安裝和應(yīng)用的研究。

1 供電總體技術(shù)要求

根據(jù)中低速磁浮列車運(yùn)行特點(diǎn)，其地面供電系統(tǒng)主要是在導(dǎo)向軌下方軌道梁側(cè)面敷設(shè)2 根鋼鋁復(fù)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(fù)合接觸軌系統(tǒng)具有3 000 A 以上的持續(xù)載流能力和較長(zhǎng)的使用壽命。

鋼鋁復(fù)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(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生，保證絕緣支撐系統(tǒng)使用壽命。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)思路

鋼鋁復(fù)合接觸軌截面設(shè)計(jì)具有3 000 A 以上的持續(xù)載流能力和較長(zhǎng)的使用壽命。

鋼鋁復(fù)合接觸軌具備滿足小曲線和豎直曲線安裝并無內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生，保證系統(tǒng)使用壽命。

2.2 截面設(shè)計(jì)和相關(guān)計(jì)算

根據(jù)磁浮列車受流特點(diǎn)，將鋼鋁復(fù)合接觸軌設(shè)計(jì)為“工”字形雙包式結(jié)構(gòu)，采用鋁鎂硅和不銹鋼材質(zhì)，具有電導(dǎo)率高、線路電阻小、使用壽命長(zhǎng)和集電取流平穩(wěn)等特點(diǎn)；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(fù)合接觸軌X 向（順線路方向）可實(shí)現(xiàn)Y 向（垂直軌道梁側(cè)面方向）彈性和Z 向（垂直軌道梁軌面方向）剛性，并滿足系統(tǒng)持續(xù)載流截面需要。單根鋼鋁復(fù)合接觸軌長(zhǎng)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(tǒng)安裝供電要求。見圖1 所示。

計(jì)算鋼鋁復(fù)合接觸軌Y、Z 軸慣性矩，用于分析、確定鋼鋁復(fù)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(fù)合接觸軌剖面圖

表1 鋼鋁復(fù)合接觸軌Y、Z 軸慣性矩計(jì)算表

表1 計(jì)算結(jié)果表明：該鋼鋁復(fù)合接觸軌對(duì)Y 軸慣性矩較小，彈性較好，便于系統(tǒng)側(cè)向安裝時(shí)鋼鋁復(fù)合接觸軌能更好地滿足線路曲線布置安裝；對(duì)Z軸慣性矩較大，剛度較好，便于系統(tǒng)側(cè)向安裝時(shí)鋼鋁復(fù)合接觸軌豎向支撐跨距布置和軌靴配合。

3 側(cè)向安裝受流

3.1 限界和側(cè)向安裝技術(shù)分析

中低速磁浮交通系統(tǒng)土建工程多數(shù)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(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)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(fù)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(jié)構(gòu)調(diào)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(shè)計(jì)中，圖2 中鋼鋁復(fù)合接觸軌安裝區(qū)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(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)值，也是磁浮列車限界與軌道梁耦合結(jié)構(gòu)帶來的結(jié)果。

3.2 側(cè)向安裝絕緣支撐設(shè)計(jì)研究

鋼鋁復(fù)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(nèi)，需要實(shí)現(xiàn)絕緣、支撐和安裝調(diào)整等多重功能，可以采用預(yù)埋帶齒槽道和鋼結(jié)構(gòu)調(diào)整底座連接復(fù)合絕緣子的方案進(jìn)行側(cè)向安裝裝配。預(yù)埋的帶齒槽道可以實(shí)現(xiàn)Z 向距離調(diào)整，鋼結(jié)構(gòu)底座進(jìn)行Y 向距離調(diào)整，通過增減墊片來滿足平面精度微調(diào)要求。

采用復(fù)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(jī)械受力狀態(tài)最優(yōu)并便于鋼結(jié)構(gòu)底座通過帶齒槽道與軌道梁連接。線路安裝和施工調(diào)整裝配如圖3 所示。

圖3 線路安裝和施工調(diào)整裝配示意圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 鋼鋁復(fù)合接觸軌持續(xù)載流能力

2011 年3 月中鐵電氣化局集團(tuán)寶雞器材有限公司完成相關(guān)產(chǎn)品的研制，并對(duì)鋼鋁復(fù)合接觸軌載流量進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試和理論計(jì)算。理論計(jì)算根據(jù)載流量公式進(jìn)行。

2 種結(jié)果表明，中低速磁浮鋼鋁復(fù)合接觸軌載流量均在3 500 A 以上，并且理論值略高于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，符合實(shí)際工況。

4.2 電氣性能和機(jī)械性能測(cè)試

對(duì)復(fù)合絕緣子進(jìn)行工頻干、濕、污穢、雷電沖擊耐受電壓測(cè)試，同時(shí)進(jìn)行絕緣子抗拉和抗彎測(cè)試，均滿足行業(yè)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 整體受力和曲線安裝測(cè)試

鋼鋁復(fù)合接觸軌曲線安裝，通過R43 米、R75米和R200 米的曲線實(shí)際安裝，驗(yàn)證了鋼鋁復(fù)合接觸軌自身的彈性和剛性滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也為軌靴受流配合提供靜態(tài)模擬條件。

鋼鋁復(fù)合接觸軌絕緣支撐通過預(yù)埋帶齒槽道、鋼結(jié)構(gòu)底座和絕緣子共同來實(shí)現(xiàn)。主要承載沿線路方向和垂直線路方向的靜態(tài)載荷。試驗(yàn)驗(yàn)證該套裝置可以完全滿足系統(tǒng)要求。

5 結(jié)束語

通過上述研究、驗(yàn)證，筆者認(rèn)為鋼鋁復(fù)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(fù)合接觸軌工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合中低速磁懸浮的應(yīng)用特點(diǎn)，鋼鋁復(fù)合接觸軌系統(tǒng)將得到大量的工程應(yīng)用和推廣。由于相關(guān)工程應(yīng)用、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)具有各自的實(shí)際情況，希望本文能為中低速磁浮交通工程建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工單位工作者提供有益參考。

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