下磨式接觸軌防護(hù)罩位移問題的解決方案

康學(xué)劍 鄢 羽(廣州地鐵集團(tuán)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(hù)罩位移問題的解決方案

康學(xué)劍 鄢 羽
(廣州地鐵集團(tuán)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(tǒng)供電的可靠性,廣州地鐵4、5、6號(hào)線全線安裝了GRP(玻璃纖維增強(qiáng)樹脂)材質(zhì)的絕緣防護(hù)罩。然而運(yùn)行中原本相互搭接的防護(hù)罩會(huì)因?yàn)橹T多原因產(chǎn)生位移,甚至在缺乏有效支撐時(shí)出現(xiàn)侵入集電靴工作范圍的情況。通過調(diào)研現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境、設(shè)備特點(diǎn),并結(jié)合運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)做出了周密細(xì)致的分析,最終提供了錨固及接觸面粘合2種解決方案。

關(guān)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(hào)線均采用DC 1 500 V下磨式接觸軌系統(tǒng)供電。該系統(tǒng)利用GRP(玻璃纖維增強(qiáng)樹脂)制造的防護(hù)罩實(shí)現(xiàn)絕緣保護(hù)。防護(hù)罩貫通搭接于接觸軌上方,采用方形缺下邊式設(shè)計(jì),從水平兩側(cè)及垂直上表面保護(hù)裸露的接觸軌本體。

根據(jù)運(yùn)營中病害記錄,4號(hào)線高架段發(fā)生數(shù)次外部金屬性線索侵入線路的狀況;4、5號(hào)線地面段出現(xiàn)多次流浪人員翻越圍網(wǎng)進(jìn)入帶電接觸軌區(qū)域的險(xiǎn)情。在上述情況下,若接觸軌未設(shè)計(jì)防護(hù)罩保護(hù),可能會(huì)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(hù)罩的安裝方式

接觸軌防護(hù)罩由防護(hù)罩支撐卡、普通防護(hù)罩、支架防護(hù)罩、電連接防護(hù)罩(上網(wǎng)電纜處使用)、特殊中錨防護(hù)罩(特殊中心錨節(jié)處使用)等組成。普通防護(hù)罩通過安放在接觸軌上間隔500 mm布置的防護(hù)罩支撐卡架設(shè)安裝,一般安裝長度4 200 mm。支架防護(hù)罩安裝在定位點(diǎn)絕緣支架處,扣接于該定位點(diǎn)兩側(cè)的普通防護(hù)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(hù),如圖1所示。

圖1　防護(hù)罩的配合形式

2　接觸軌防護(hù)罩位移問題

廣州地鐵4、5、6號(hào)線均有部分線路建設(shè)在地面,這部分線路基礎(chǔ)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(tǒng)受氣候變化及線路基礎(chǔ)特性的影響很大。

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

總結(jié)廣州地鐵接觸軌防護(hù)罩位移現(xiàn)象,有多個(gè)突出的特點(diǎn):

(1)溫度差異會(huì)影響防護(hù)罩狀態(tài)。通過運(yùn)營記錄數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),得出2013年位移情況表(見表1)。每年的2月、3月、12月廣州當(dāng)?shù)貢円箿夭钭畲髸r(shí)達(dá)15攝氏度,這種24 h內(nèi)的劇烈溫度變化使得露天接觸軌防護(hù)罩位移問題高發(fā)。

表1　2013年廣州地鐵4、5號(hào)線正線防護(hù)罩位移情況統(tǒng)計(jì)

(2)地鐵4號(hào)線新造站—石碁站經(jīng)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(chǔ)交替變化。運(yùn)行中的列車在通過這些變化的道床時(shí),產(chǎn)生了多樣的振動(dòng)效果。這種不同形式道床交接處的防護(hù)罩因此發(fā)生頻繁的位移問題。

(3)地鐵5號(hào)線路最小曲線半徑為200 m,坡度多處超過40‰。此條件下,防護(hù)罩、支撐卡因自身重力在線路平面產(chǎn)生的分力對(duì)其影響頗大。這直接導(dǎo)致該地段的支撐卡呈現(xiàn)出單方向運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),進(jìn)而使得跨距內(nèi)另一端的防護(hù)罩失去有效支撐。

(4)地鐵4號(hào)線低涌站—東涌站段橫跨市橋?yàn)r河,河面寬度約602 m;5號(hào)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(shè)備受氣象小環(huán)境變化的影響明顯。江面雜亂的風(fēng)向、潮汐的變化造成單一設(shè)備多方向的載荷變化。尤其在風(fēng)負(fù)載作用強(qiáng)烈的位置,防護(hù)罩位移情況時(shí)有發(fā)生。

總體上,隧道段因?yàn)闇囟鹊南鄬?duì)恒定與整體減振道床的阻尼特性,接觸軌系統(tǒng)中防護(hù)罩的工況比較平穩(wěn);與之相比,高架段的防護(hù)罩位移發(fā)生較為頻繁。

3　防護(hù)罩位移問題分析

這種簡單的位移現(xiàn)象一直困擾著設(shè)備的運(yùn)營單位,干擾了正常的生產(chǎn)維護(hù)秩序。為此,接觸軌技術(shù)人員集中力量成立專項(xiàng)課題小組展開了大量的數(shù)據(jù)測量、實(shí)地檢查,通過交叉對(duì)比各方的信息展開了細(xì)致的分析。

接觸軌設(shè)計(jì)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(yù)留橋梁伸縮縫隙,縫隙的寬度與單段橋體長度有關(guān)。在過江大橋等大跨度連續(xù)橋體處,伸縮縫隙的預(yù)留寬度高達(dá)300～400 mm,然而以此為基礎(chǔ)的接觸軌在一個(gè)長達(dá)2 km的供電分區(qū)內(nèi)只能貫通安裝。在溫度變化時(shí),接觸軌安裝基礎(chǔ)的伸縮變化會(huì)帶動(dòng)定位整體絕緣支架工作位置的往復(fù)移動(dòng),進(jìn)而牽連接觸軌本體運(yùn)動(dòng)。這勢必造成接觸軌系統(tǒng)中第一層動(dòng)態(tài)因素——接觸軌定位點(diǎn)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。

下磨式接觸軌系統(tǒng)與柔性接觸網(wǎng)本質(zhì)是相同的,歸根結(jié)底依然具備接觸“懸掛”的特點(diǎn),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(shí)能兼顧解決摩擦力過大造成接觸軌本體運(yùn)動(dòng)不暢的矛盾。廣州地鐵5號(hào)線高架段接觸軌的設(shè)計(jì)錨段長度L為75 m(廣州地鐵6號(hào)線高架段將接觸軌錨段長度進(jìn)一步減小為60 m),依據(jù)鋁的線性熱膨脹系數(shù)α=23.2×10-6m/℃,可測得單個(gè)錨段接觸軌隨溫度的變量ΔL(Δt=15℃)為2.61×10-2m

對(duì)于錨段內(nèi)的每個(gè)整體絕緣支架及用于支撐防護(hù)罩的支撐卡均需承受這個(gè)變量ΔL帶來的摩擦力。一個(gè)75 m的錨段內(nèi)共計(jì)設(shè)立約150個(gè)支撐卡,單個(gè)支撐卡與接觸軌接觸面的摩擦因數(shù),會(huì)因?yàn)椴牧吓浜系目紤]不周、兩者接觸面上附著的雜質(zhì)、線路坡度、列車振動(dòng)幅度等變得千差萬別。如此形成了接觸軌系統(tǒng)中第二層“變”的因素——防護(hù)罩支撐卡的無序運(yùn)動(dòng)。

GRP纖維材質(zhì)本身具有延展性,單個(gè)普通防護(hù)罩會(huì)因?yàn)檠诱剐巫兂霈F(xiàn)無法接觸部分支撐卡的現(xiàn)象。這部分防護(hù)罩下方的支撐卡因此也不承受防護(hù)罩的壓力,僅依靠自身的靜摩擦力保持工作位置。此時(shí),列車通過的震動(dòng)會(huì)引起支撐卡一定幅度的彈跳導(dǎo)致靜摩擦力間歇性的消失,最終支撐卡在重力產(chǎn)生分力的作用下向線路坡底方向運(yùn)動(dòng)。

以上便是接觸軌防護(hù)罩安裝、運(yùn)行的條件。在道床安裝基礎(chǔ)、絕緣支架的相對(duì)位置、接觸軌本體的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)和防護(hù)罩支撐卡的無序運(yùn)動(dòng)等諸多動(dòng)態(tài)因素影響下,防護(hù)罩無法保證工作位置的相對(duì)靜止。增加防護(hù)罩搭接重合長度可以消除其位移引起接觸軌裸露的風(fēng)險(xiǎn),但會(huì)帶來防護(hù)罩端部切削接觸軌絕緣支架部件的不良影響。理論上,設(shè)計(jì)200 mm的搭接長度能避免防護(hù)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(shí)現(xiàn)理想的設(shè)計(jì)效果。即使在跨距內(nèi),長度符合的普通防護(hù)罩也會(huì)因?yàn)橹慰ㄏ騿畏较蚋Z動(dòng)導(dǎo)致另一端失去支撐效果,進(jìn)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(dòng)的情況

4　防護(hù)罩位移問題的解決方案

在當(dāng)前接觸軌設(shè)計(jì)方案中,若能將接觸軌與防護(hù)罩的安裝基礎(chǔ)分開即可完全解決“接觸軌的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)”問題,但如此帶來的施工復(fù)雜性以及付出的成本值得進(jìn)一步商榷。對(duì)于運(yùn)營單位,目前只能考慮減弱甚至是采用其他方式來引導(dǎo)支撐卡“有序”地運(yùn)動(dòng)。

4.1安裝圣誕樹型尼龍鉚釘或尼龍螺栓設(shè)立隔斷

防護(hù)罩支撐卡以間隔500 mm布置,現(xiàn)場通過在普通防護(hù)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(gè)支撐卡兩側(cè)實(shí)現(xiàn)物理的隔斷,將單個(gè)支撐卡的無序活動(dòng)范圍限制在各自獨(dú)立的500 mm區(qū)間內(nèi)?，F(xiàn)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(hào)線滘口站—坦尾站上行公里標(biāo)K1+680～K1+800區(qū)間半年的測試,該方案能有效地限制支撐卡的活動(dòng)范圍,保證一個(gè)跨距內(nèi)每個(gè)支撐卡均勻受力,解決了普通防護(hù)罩失去支撐后下陷侵入列車集電靴設(shè)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(gè)防護(hù)罩絕緣性能、靜電場分布的條件下,取得改造前預(yù)計(jì)的效果。

4.2通過漢高樂泰263/2701鎖固劑粘合防護(hù)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(shí)間15 min,24 h后達(dá)最大強(qiáng)度。具備阻燃、耐高溫、耐油污的特點(diǎn)。

靜態(tài)試驗(yàn)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(duì)固定效果,樂泰2701表現(xiàn)符合預(yù)想。在多個(gè)位置的剪切力試驗(yàn)里,樂泰2701試件組平行接觸軌軸線可承受的剪切力達(dá)93.1 N,如圖5所示。通過運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)判斷,該載荷已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)場設(shè)備上致使支撐卡滑動(dòng)的負(fù)荷,該設(shè)想的靜態(tài)試驗(yàn)成功。

上線試驗(yàn)中,選取5號(hào)線坦尾站K1+110處2個(gè)跨距的支撐卡進(jìn)行動(dòng)態(tài)耐久試驗(yàn)。該地點(diǎn)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(yàn)、觀察、總結(jié),形成工藝流程,如圖6所示。

圖5　剪切力實(shí)驗(yàn)

圖6　鎖固膠施工流程圖

從2013年9月至2014年4月,經(jīng)歷了環(huán)境溫度的多次變化后,支撐卡與接觸軌的位置仍能與試驗(yàn)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(hù)罩支撐卡的無序運(yùn)動(dòng)”問題,在取得既定效果的同時(shí)具備了大面積推廣的條件。經(jīng)過8個(gè)多月的在線跟蹤作業(yè),該解決方案在最大程度簡化現(xiàn)場操作流程的情況下,已能徹底解決接觸軌防護(hù)罩的位移問題。

5　結(jié)語

自2005年,國內(nèi)首條DC 1 500 V下磨式接觸軌供電的廣州地鐵4號(hào)線投入運(yùn)營至今,從例行的周期性檢修維護(hù)到主體設(shè)備的大修保養(yǎng),從施工運(yùn)營的安全高效開展到各類突發(fā)情況的應(yīng)急處置,經(jīng)過數(shù)年積累,技術(shù)人員逐步摸索出了一整套設(shè)備設(shè)施的運(yùn)營維護(hù)思路。

參考文獻(xiàn)

[1] 龔文濤.鋼鋁復(fù)合接觸軌在廣州地鐵4號(hào)線的應(yīng)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(hào)U 228.2