中低速磁浮線焊接式C型鋼鋁復合軌及主要部件

孫維星

（中國鐵建電氣化局集團有限公司，100036，北京∥高級工程師）

中低速磁浮線焊接式C型鋼鋁復合軌及主要部件

孫維星

（中國鐵建電氣化局集團有限公司，100036，北京∥高級工程師）

摘 要對中低速磁浮線焊接式C型鋼鋁復合軌及其主要部件進行了研究，通過理論計算和分析確定了軌體及相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)形式。對C型鋼鋁復合軌及其主要部件試制樣品進行試驗檢測，結(jié)果表明其均滿足行業(yè)標準和設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞中低速磁浮線；牽引供電系統(tǒng)；焊接式C型鋼鋁復合軌

Author＇s address China Railway Construction Electrification Bureau Group Co.，Ltd.，100036，Beijing，China

磁浮線分為高速磁浮線和中低速磁浮線兩種［1-2］，其牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所和牽引網(wǎng)組成。牽引網(wǎng)主要包括饋電線、供電接觸軌（第三軌）、回流接觸軌（第四軌）和回流線。牽引變電所將三相高壓交流電變成適合磁浮線車輛應(yīng)用的低壓直流電，經(jīng)饋電線送到接觸軌上；磁浮車輛通過受流器與接觸軌直接接觸取電，電流再經(jīng)回流接觸軌、回流線流回變電所。因此，接觸軌是磁浮列車供電系統(tǒng)中的重要組成部件。目前應(yīng)用較廣泛的接觸軌主要是鋼鋁復合軌。

1　磁浮線接觸軌現(xiàn)狀

目前，我國用于磁浮線領(lǐng)域的接觸軌主要有C型鋼鋁復合軌和工字型鋼鋁復合軌。其中，上海高速磁浮示范運營線中采用了德國進口的C型鋼鋁復合軌（見圖1）；唐山中低速磁浮試驗線和中車株洲電力機車有限公司中低速磁浮部分試驗線中采用了工字型鋼鋁復合軌［2］（見圖2），其是在輪軌交通用工字型鋼鋁復合軌基礎(chǔ)上的改進軌型。此外，還有一種國產(chǎn)的C型鋼鋁復合軌，與德國產(chǎn)品類似。

圖1　C型鋼鋁復合軌

圖2　工字型鋼鋁復合軌

與工字軌相比，C型軌具有簡潔輕便、散熱性好、有效授流面寬、剛?cè)岫群?、安裝應(yīng)力小、利于調(diào)整、布局緊湊美觀、在裝配設(shè)計上可節(jié)省安裝空間等優(yōu)點。此外，磁浮列車一般采用側(cè)面接觸受流方式，C型軌不容易存留污垢，無需另加防護措施［2-3］。因此，無論從接觸軌軌身特點，還是從工程安裝實踐上看，C型軌在磁浮線路具有更優(yōu)越的實用性。

現(xiàn)有C型軌的復合面為形狀復雜的曲線面，其工藝比較復雜，生產(chǎn)制作技術(shù)難度較大。本文介紹一種焊接復合的磁浮線C型鋼鋁復合軌。

2　軌體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)磁浮車輛受流特點，鋼鋁復合軌整體為C型斷面，采用焊接復合的方式。圖3為一種焊接式C型鋼鋁復合軌截面示意圖。在圖3中，1為C型不銹鋼帶，2為不銹鋼條，3為鋁軌本體，黑色部分為焊縫。單根接觸軌長12 m，橫截面積為3 988 mm2，選用鋁-鎂-硅系列6 063-T 6鋁合金和06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼，具有良好的導電性、耐腐蝕性和綜合力學性能。

圖3　焊接式C型鋼鋁復合軌截面示意圖

鋼鋁復合軌截面設(shè)計要求具有一定的持續(xù)載流能力和使用壽命。載流量可按式（1）進行計算［4］：

式中：

Id——接觸軌的載流量；

k——系數(shù)，k=K1K2K3K4K5，K1、K2、K3、K4、K5分別是與材料及外部環(huán)境有關(guān)的因子；

A——接觸軌面積；

U——接觸軌截面計算周長。

根據(jù)CJ∕T 414—2012《城市軌道交通鋼鋁復合導電軌技術(shù)要求》，接觸軌允許的最高溫度為85℃。取環(huán)境溫度為40℃，代入相應(yīng)數(shù)值A(chǔ)=3 988 mm2，U=482 mm，可得Id為4 286 A，遠大于設(shè)計值3 000 A。

與輪軌交通接觸軌線路不同，磁浮線路上具有坡道和小曲線半徑安裝段，要求鋼鋁復合軌具有一定的撓度和剛度。Y方向（垂直側(cè)面軌面方向，見圖3）剛度要小，以有利于鋼鋁復合軌側(cè)向安裝時線路曲線段的安裝；Z方向（垂直線路方向，見圖3）剛度適中。經(jīng)計算，該C型鋼鋁復合軌對Y軸的截面慣性矩較小，為18.3×105mm4，有利于磁浮線路小曲線半徑段的安裝。

現(xiàn)對鋼鋁復合軌水平方向（即Y方向）人工彎曲半徑進行理論計算。鋼鋁復合軌在線路上通過絕緣支撐裝置（絕緣支架）固定，在曲線線路上鋼鋁復合軌彎曲變形后的固定力也來自絕緣支架。在曲線線路上鋼鋁復合軌彎曲后的變形量示意圖如圖4所示。

圖4　彎曲變形量示意圖

根據(jù)幾何學原理，由圖4可得到：

式中：

h——鋼鋁復合軌水平方向變形量；

R——鋼鋁復合軌彎曲半徑；

θ——鋼鋁復合軌所對中心角，θ=L∕R，L為鋼鋁復合軌長度。

h相當于在跨中集中載荷作用下的最大撓度，可由式（3）得出：式中：

F——跨中集中載荷（絕緣支架的固定力）；

E——鋼鋁復合軌彈性模量；

Iz——鋼鋁復合軌的截面慣性矩。

設(shè)鋼鋁復合軌在線路上每隔3 m有一個絕緣支架固定，則取跨度為6 m，代入相應(yīng)數(shù)值，可得到當跨中集中載荷為2 kN時（絕緣支撐裝置極限載荷為6 kN），彎曲半徑為70 m，可以滿足磁浮線路曲線段安裝使用要求。

Z方向剛度應(yīng)適中，若剛度太小，在鋼鋁復合軌自重作用下?lián)隙忍螅瑫黾迂Q直方向絕緣支撐裝置的數(shù)量，影響安裝精度；若剛度太大，則不利于坡道段的安裝。軌體自重作用下的最大撓度可由式（4）計算得出［4］：

式中：

q——軌體自重的均布載荷；

l——兩個絕緣支撐間跨距；

E——鋼鋁復合軌彈性模量；

I——截面慣性矩（對Z軸）。

取l為3 m，經(jīng)計算，兩個絕緣支架間軌體自重產(chǎn)生的撓度為0.2 mm。為保證供電，供電軌軌面理想精度與理論偏差值不大于±2 mm，故其對安裝精度影響較小。

3　相關(guān)部件

磁浮接觸軌裝置除鋼鋁復合軌外，還包括膨脹接頭、端部彎頭、中心錨結(jié)等相關(guān)部件及絕緣支撐等。

3.1膨脹接頭

膨脹接頭用于補償接觸軌因熱脹冷縮產(chǎn)生的長度變化，如圖5所示。其采用3段斷軌形式，通過鋁心棒及螺栓機械錨固連接為一體，銅板和軟銅帶用于斷口處電流的傳輸。

圖5　膨脹接頭

膨脹接頭自身在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有一定的伸縮間隙，能夠在相應(yīng)范圍內(nèi)消除軌體膨脹和收縮帶來的不利影響，以保證接觸軌裝置的正常工作。其膨脹伸縮間隙可由式（5）近似確定：

式中：

s——鋼鋁復合軌膨脹伸縮間隙；

α——鋼鋁復合軌的綜合熱膨脹系數(shù)；

ΔT——溫差；

L1——錨段長度。

膨脹接頭伸縮間隙首先應(yīng)滿足受流器能夠平滑地滑入和滑出，并能可靠取流。設(shè)受電靴沿線路方向的長度為80 mm，則s≤160 mm，將相應(yīng)數(shù)值代入式（5），可計算出L1≤76.9 m，考慮到相應(yīng)的產(chǎn)品誤差和安裝誤差等因素，可取錨段長度為60 m。

3.2中心錨結(jié)

在錨段的適當位置將C型鋼鋁復合軌與絕緣支架固定，這種固定裝置稱為中心錨結(jié)，如圖6所示。在兩側(cè)裝有膨脹接頭的錨段里，必須加設(shè)中心錨結(jié)，其布置原則為盡量使中心錨結(jié)兩端張力相等。直線區(qū)段以及曲線半徑相同的曲線區(qū)段，中心錨結(jié)均設(shè)在錨段中部；直線和曲線共有區(qū)段且曲線半徑不等時，中心錨結(jié)設(shè)在靠曲線多、半徑小的一側(cè)。道岔區(qū)域分段絕緣器兩側(cè)需設(shè)置中心錨結(jié)，當溫度變化時，可使軌體向膨脹接頭方向滑動，以保證分段絕緣器的間隙，避免道岔搬動時分段絕緣器碰撞。

圖6　中心錨結(jié)

3.3絕緣支撐

接觸軌絕緣支架必須堅固可靠并具有三維調(diào)整能力，以充分消除土建誤差。圖7為直線段絕緣支架示意圖，其底座上1位置處的長條孔可調(diào)節(jié)豎直方向的精度，2位置處內(nèi)部是與底座相連的套筒，其上有垂直底座方向的長條孔，可以實現(xiàn)水平方向的精度調(diào)節(jié)。圖8為曲線段絕緣支架示意圖，可通過1、2位置處的長條孔分別進行豎直方向和水平方向的微調(diào)節(jié)，并通過3位置處的弧形滑塊及滑道槽實現(xiàn)軌面±6°的角度調(diào)節(jié)，以滿足磁浮線路曲線段的安裝調(diào)節(jié)要求。

C型鋼鋁復合軌其它相關(guān)部件如中間接頭、端部彎頭、道岔接頭、電纜連接板、分段絕緣器等關(guān)鍵技術(shù)也已被攻破。

4　試驗檢測

4.1鋼鋁復合軌檢測

C型鋼鋁復合軌樣品已經(jīng)第三方試驗檢測：在持續(xù)載流試驗中，加載直流電流3 000 A，持續(xù)4 h，軌溫升至66.4℃，（小于允許值85℃），持續(xù)載流能力可滿足CJ∕T—2012標準要求；軌溫20℃時復合軌直流電阻為9.5μΩ∕m；沿線路方向抗拔力和垂直線路方向抗拉力平均值分別為20.13 k N和50.09 k N，均滿足行業(yè)標準和設(shè)計要求。

圖7　直線段絕緣支架

圖8　曲線段絕緣支架

4.2主要相關(guān)部件檢測

對膨脹接頭樣品進行檢測，初始滑動力為80 N；最大調(diào)整間隙為158 mm；軌溫20℃時過渡電阻為10.5μΩ∕m；加載直流電流3 600 A，持續(xù)4 h，軌溫升至75℃，能滿足行業(yè)標準和使用要求。

絕緣支架經(jīng)檢測，爬電距離為304 mm；沿線路方向和垂直線路方向的靜態(tài)載荷和極限破壞載荷均可以滿足對軌體及附件的固定支撐；雷電全波沖擊電壓耐受以及工頻電壓干、濕、污穢電壓耐受試驗，均未閃絡(luò)，可滿足使用條件。

5　結(jié)語

焊接式鋼鋁復合軌及相關(guān)產(chǎn)品經(jīng)設(shè)計計算、樣品試制檢測及安裝應(yīng)用，完全可滿足中低速磁浮線供電系統(tǒng)要求。

目前，我國還沒有投入使用的中低速磁浮商業(yè)運營線，C型鋼鋁復合軌及相關(guān)產(chǎn)品在中國中車株洲電力機車有限公司中低速磁浮試驗線上得到成功應(yīng)用，車輛運行穩(wěn)定，接觸軌及所有結(jié)構(gòu)形式無異常變化，與車輛受流器匹配良好。希望該產(chǎn)品能在建設(shè)和規(guī)劃中的磁浮運營線中得到更多應(yīng)用。

參考文獻

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Welded C-type Steel-aluminum Compound Rail and the Main Components for Medium-low Speed Maglev

Sun Weixing

AbstractIn this paper，the welded C-type steel-aluminum compound rail and the main components for mid-low speed maglev are studied.Through theoretical calculation and analysis，the structure of rail body and the related pats are confirmed. Trial samples of the welded C-type steel-aluminum compound rail and the main components are tested，the result shows that they could meet the industry standards and design requirements.

Key wordsmid-low speed maglev；traction power supply system；welded C-type steel-aluminum compound rail

中圖分類號U 213.4：U 237

DOI：10.16037∕j.1007-869x.2016.01.023

收稿日期：（2015-07-06）