下磨式接觸軌防護罩位移問題的解決方案

康學劍 鄢 羽(廣州地鐵集團有限公司,510030,廣州∥第一作者,工程師)

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下磨式接觸軌防護罩位移問題的解決方案

康學劍 鄢 羽
(廣州地鐵集團有限公司,510030,廣州∥第一作者,工程師)

摘 要為提高DC 1 500 V下磨式接觸軌系統供電的可靠性,廣州地鐵4、5、6號線全線安裝了GRP(玻璃纖維增強樹脂)材質的絕緣防護罩。然而運行中原本相互搭接的防護罩會因為諸多原因產生位移,甚至在缺乏有效支撐時出現侵入集電靴工作范圍的情況。通過調研現場設備的運行環境、設備特點,并結合運營經驗做出了周密細致的分析,最終提供了錨固及接觸面粘合2種解決方案。

關鍵詞地鐵;接觸軌;絕緣支架;位移

Author′s address Guangzhou Metro Croup Ltd.,510030, Guangzhou,China

截止2014年底,建成通車的廣州地鐵4、5、6號線均采用DC 1 500 V下磨式接觸軌系統供電。該系統利用GRP(玻璃纖維增強樹脂)制造的防護罩實現絕緣保護。防護罩貫通搭接于接觸軌上方,采用方形缺下邊式設計,從水平兩側及垂直上表面保護裸露的接觸軌本體。

根據運營中病害記錄,4號線高架段發生數次外部金屬性線索侵入線路的狀況;4、5號線地面段出現多次流浪人員翻越圍網進入帶電接觸軌區域的險情。在上述情況下,若接觸軌未設計防護罩保護,可能會造成高壓端接地引起供電中斷,甚至是人員觸電傷亡的慘劇。

1　下磨式接觸軌防護罩的安裝方式

接觸軌防護罩由防護罩支撐卡、普通防護罩、支架防護罩、電連接防護罩(上網電纜處使用)、特殊中錨防護罩(特殊中心錨節處使用)等組成。普通防護罩通過安放在接觸軌上間隔500 mm布置的防護罩支撐卡架設安裝,一般安裝長度4 200 mm。支架防護罩安裝在定位點絕緣支架處,扣接于該定位點兩側的普通防護罩上(扣接重合長度200 mm)。如此便形成全線貫通并且完全遮蔽的絕緣保護,如圖1所示。

圖1　防護罩的配合形式

2　接觸軌防護罩位移問題

廣州地鐵4、5、6號線均有部分線路建設在地面,這部分線路基礎由碎石道床及高架段板式道床交替布置。露天工作的接觸軌系統受氣候變化及線路基礎特性的影響很大。

接觸軌普通防護罩的出廠規格為4 800 mm,施工時依據接觸軌的實際跨距進行人工切割以確定普通防護罩的長度。因此帶來了無法避免的施工誤差。運行中,各條線路均發現了多次本該相互搭接的防護罩因位移造成接觸軌裸露、防護罩下陷,甚至是偏移侵入列車限界的情況。

總結廣州地鐵接觸軌防護罩位移現象,有多個突出的特點:

(1)溫度差異會影響防護罩狀態。通過運營記錄數據統計,得出2013年位移情況表(見表1)。每年的2月、3月、12月廣州當地晝夜溫差最大時達15攝氏度,這種24 h內的劇烈溫度變化使得露天接觸軌防護罩位移問題高發。

表1　2013年廣州地鐵4、5號線正線防護罩位移情況統計

(2)地鐵4號線新造站—石碁站經過了隧道整體道床、地面碎石道床再到高架橋板式道床的線路基礎交替變化。運行中的列車在通過這些變化的道床時,產生了多樣的振動效果。這種不同形式道床交接處的防護罩因此發生頻繁的位移問題。

(3)地鐵5號線路最小曲線半徑為200 m,坡度多處超過40‰。此條件下,防護罩、支撐卡因自身重力在線路平面產生的分力對其影響頗大。這直接導致該地段的支撐卡呈現出單方向運動的特點,進而使得跨距內另一端的防護罩失去有效支撐。

(4)地鐵4號線低涌站—東涌站段橫跨市橋瀝河,河面寬度約602 m;5號線滘口站—坦尾站段橫跨珠江,江面寬度約317 m,這些過江線路的設備受氣象小環境變化的影響明顯。江面雜亂的風向、潮汐的變化造成單一設備多方向的載荷變化。尤其在風負載作用強烈的位置,防護罩位移情況時有發生。

總體上,隧道段因為溫度的相對恒定與整體減振道床的阻尼特性,接觸軌系統中防護罩的工況比較平穩;與之相比,高架段的防護罩位移發生較為頻繁。

3　防護罩位移問題分析

這種簡單的位移現象一直困擾著設備的運營單位,干擾了正常的生產維護秩序。為此,接觸軌技術人員集中力量成立專項課題小組展開了大量的數據測量、實地檢查,通過交叉對比各方的信息展開了細致的分析。

接觸軌設計跨距為4.0～5.2 m,定位整體絕緣支架通過底座槽鋼安裝在橋梁或者碎石道床的軌枕上。高架段的高架橋梁均為階段式拼接而成,兩段橋梁間預留橋梁伸縮縫隙,縫隙的寬度與單段橋體長度有關。在過江大橋等大跨度連續橋體處,伸縮縫隙的預留寬度高達300～400 mm,然而以此為基礎的接觸軌在一個長達2 km的供電分區內只能貫通安裝。在溫度變化時,接觸軌安裝基礎的伸縮變化會帶動定位整體絕緣支架工作位置的往復移動,進而牽連接觸軌本體運動。這勢必造成接觸軌系統中第一層動態因素——接觸軌定位點的實時動態。

下磨式接觸軌系統與柔性接觸網本質是相同的,歸根結底依然具備接觸“懸掛”的特點,如圖2所示。

圖2　下磨式接觸軌的懸掛方式

在這種懸掛方式下,絕緣支架需具備定位支撐作用和一定的韌性,使其在抵消接觸軌重力的同時能兼顧解決摩擦力過大造成接觸軌本體運動不暢的矛盾。廣州地鐵5號線高架段接觸軌的設計錨段長度L為75 m(廣州地鐵6號線高架段將接觸軌錨段長度進一步減小為60 m),依據鋁的線性熱膨脹系數α=23.2×10-6m/℃,可測得單個錨段接觸軌隨溫度的變量ΔL(Δt=15℃)為2.61×10-2m

對于錨段內的每個整體絕緣支架及用于支撐防護罩的支撐卡均需承受這個變量ΔL帶來的摩擦力。一個75 m的錨段內共計設立約150個支撐卡,單個支撐卡與接觸軌接觸面的摩擦因數,會因為材料配合的考慮不周、兩者接觸面上附著的雜質、線路坡度、列車振動幅度等變得千差萬別。如此形成了接觸軌系統中第二層“變”的因素——防護罩支撐卡的無序運動。

GRP纖維材質本身具有延展性,單個普通防護罩會因為延展形變出現無法接觸部分支撐卡的現象。這部分防護罩下方的支撐卡因此也不承受防護罩的壓力,僅依靠自身的靜摩擦力保持工作位置。此時,列車通過的震動會引起支撐卡一定幅度的彈跳導致靜摩擦力間歇性的消失,最終支撐卡在重力產生分力的作用下向線路坡底方向運動。

以上便是接觸軌防護罩安裝、運行的條件。在道床安裝基礎、絕緣支架的相對位置、接觸軌本體的實時動態和防護罩支撐卡的無序運動等諸多動態因素影響下,防護罩無法保證工作位置的相對靜止。增加防護罩搭接重合長度可以消除其位移引起接觸軌裸露的風險,但會帶來防護罩端部切削接觸軌絕緣支架部件的不良影響。理論上,設計200 mm的搭接長度能避免防護罩的位移拉開,但如此龐大的施工量及人為控制帶來的誤差卻無法實現理想的設計效果。即使在跨距內,長度符合的普通防護罩也會因為支撐卡向單方向竄動導致另一端失去支撐效果,進而下陷侵入集電靴工作范圍,如圖3所示。

圖3　支撐卡單方向竄動的情況

4　防護罩位移問題的解決方案

在當前接觸軌設計方案中,若能將接觸軌與防護罩的安裝基礎分開即可完全解決“接觸軌的實時動態”問題,但如此帶來的施工復雜性以及付出的成本值得進一步商榷。對于運營單位,目前只能考慮減弱甚至是采用其他方式來引導支撐卡“有序”地運動。

4.1安裝圣誕樹型尼龍鉚釘或尼龍螺栓設立隔斷

防護罩支撐卡以間隔500 mm布置,現場通過在普通防護罩上間隔500 mm鉆孔安裝圣誕樹型尼龍鉚釘或尼龍螺栓的方式在單個支撐卡兩側實現物理的隔斷,將單個支撐卡的無序活動范圍限制在各自獨立的500 mm區間內。現場施工流程如圖4所示。

圖4　尼龍圣誕樹型鉚釘施工流程圖

通過在廣州地鐵5號線滘口站—坦尾站上行公里標K1+680～K1+800區間半年的測試,該方案能有效地限制支撐卡的活動范圍,保證一個跨距內每個支撐卡均勻受力,解決了普通防護罩失去支撐后下陷侵入列車集電靴設備限界的問題。采用尼龍螺栓的流程與此相似,同樣能在不改變整個防護罩絕緣性能、靜電場分布的條件下,取得改造前預計的效果。

4.2通過漢高樂泰263/2701鎖固劑粘合防護罩支撐卡

漢高樂泰鎖固劑為厭氧型金屬粘合劑,多見用于金屬螺母鎖固,亦可用于多種基材表面。在與空氣隔絕的情況下,室溫即可快速粘合接合面。初固時間15 min,24 h后達最大強度。具備阻燃、耐高溫、耐油污的特點。

靜態試驗中,分別選取樂泰243、樂泰2701、漢高pattex萬能膠3種粘合劑將支撐卡與接觸軌接觸面粘合比對固定效果,樂泰2701表現符合預想。在多個位置的剪切力試驗里,樂泰2701試件組平行接觸軌軸線可承受的剪切力達93.1 N,如圖5所示。通過運營經驗判斷,該載荷已遠遠大于現場設備上致使支撐卡滑動的負荷,該設想的靜態試驗成功。

上線試驗中,選取5號線坦尾站K1+110處2個跨距的支撐卡進行動態耐久試驗。該地點位于露天高架段,線路存在一定坡度,具備代表性。通過多次試驗、觀察、總結,形成工藝流程,如圖6所示。

圖5　剪切力實驗

圖6　鎖固膠施工流程圖

從2013年9月至2014年4月,經歷了環境溫度的多次變化后,支撐卡與接觸軌的位置仍能與試驗初期保持一致。由此可見,通過兩者的粘合作用徹底解決了“防護罩支撐卡的無序運動”問題,在取得既定效果的同時具備了大面積推廣的條件。經過8個多月的在線跟蹤作業,該解決方案在最大程度簡化現場操作流程的情況下,已能徹底解決接觸軌防護罩的位移問題。

5　結語

自2005年,國內首條DC 1 500 V下磨式接觸軌供電的廣州地鐵4號線投入運營至今,從例行的周期性檢修維護到主體設備的大修保養,從施工運營的安全高效開展到各類突發情況的應急處置,經過數年積累,技術人員逐步摸索出了一整套設備設施的運營維護思路。

參考文獻

[1] 龔文濤.鋼鋁復合接觸軌在廣州地鐵4號線的應用[J].都市快軌交通,2007,20(3):82.

Solution to the Displacement of Protective Cover on Bottomcontact Rail

Kang Xuejian,Yan Yu

AbstractThe glass reinforce plastic(GRP)protective cover used in contact rail system of Guangzh metro Line 4,Line 5 and Line 6 Lines is designed to improve the power supply reliability on DC 1500 V bottom-contact rail.But the displacement often occurs in GRP protective cover because it is covered with each other,its position is easy to change and the cover could even sink in the working range of collector slipper without effective supporting.Through field investigation of the working environment,the characteristic of equipment and based on operation experiences,the displacement causes are analyzed in depth and two methods with anchoring and adhesive contact are proposed to solve this problem.

Key wordsmetro;contact rail;insulation support;displacement

(收稿日期:2014-04-15)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.020

中圖分類號U 228.2