跨座式單軌系統(tǒng)接觸軌選型分析

于素芬

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跨座式單軌系統(tǒng)接觸軌選型分析

于素芬

介紹了目前國內(nèi)跨座式單軌側(cè)部授流系統(tǒng)中接觸軌的幾種結(jié)構(gòu)型式，重點對工字軌和C型軌進行比較分析，提出了適合于跨座式單軌系統(tǒng)接觸軌的結(jié)構(gòu)型式。

工字軌；C型軌；選型

0 引言

跨座式單軌列車采用膠輪作為走行輪支撐車體，走行時會發(fā)生橫向、垂直方向位移。根據(jù)目前對跨座式單軌車輛動態(tài)包絡(luò)線情況的分析，在不同運行工況下，車輛橫向位移偏移量較小，垂直方向位移偏移量較大。針對該特點，應為跨座式單軌列車選擇一種較為適合的接觸軌結(jié)構(gòu)型式。

1 接觸軌類型簡介

目前，可用于側(cè)部授流的接觸軌主要有C型鋼鋁復合軌、工字型鋼鋁復合軌、T型匯流排+滑觸線3種型式。圖1所示為國內(nèi)外采用不同制式的接觸軌單軌工程應用實例。

圖1 國內(nèi)外接觸軌工程應用實例

2 鋼鋁復合軌與匯流排的選擇

針對跨座式單軌交通，若采用柔性接觸網(wǎng)（T型匯流排+滑觸線）作為移動供電方式，其接觸位置通流密度較授流面更寬的接觸軌將大幅增大，從而更易引起電弧燒蝕。若采用接觸軌結(jié)構(gòu)型式，無需考慮拉出值，便于系統(tǒng)安裝。因此，從安全性、平順性、安裝便捷性及經(jīng)濟性等方面考慮，采用接觸軌方式比T型匯流排+滑觸線方式更具優(yōu)勢。表1所示為匯流排與接觸軌主要特點對比。

同時，考慮到T型匯流排+滑觸線的結(jié)構(gòu)型式存在施工工藝復雜、安裝調(diào)整困難、系統(tǒng)壽命短、與工程擬采用車輛的集電裝置不匹配等因素，單軌工程中不再進行分析考慮，下文主要針對C型鋼鋁復合軌（簡稱C型軌）和工字型鋼鋁復合軌（簡稱工字軌）進行比較分析。

3 工字軌與C型軌的比較分析

由于C型軌和工字軌采用不同的截面形狀，在限界、授流面尺寸、輔件（絕緣支架、膨脹接頭等）類型、安裝方式等諸多方面存在差異，在選型分析時，從系統(tǒng)整體安全性、穩(wěn)定性、授流平順性、安裝便捷性、經(jīng)濟性等方面對兩者進行對比，旨在為項目的接觸軌選型提供科學客觀的參考依據(jù)。

表1 匯流排與接觸軌特點對比

3.1 有效授流面

由于跨座式單軌列車依靠膠輪支撐，走行時會因載客量的不同或極端條件（如爆胎等）發(fā)生Y向（垂直方向）位移，進而造成列車在接觸軌授流面沿Y向上下移動。更大的接觸軌授流面可為車輛行駛提供更大的安全冗余，同時減少由于車輛運行時授流器因接觸面發(fā)生變化引起的燒蝕，從而降低其運營維護工作量，提升使用壽命。

圖2所示為C型軌與工字軌截面對比示意圖，圖中工字軌為巴西圣保羅Tiradentes單軌項目擬選用的與Innovia車型配套的接觸軌。由圖可見，C型軌的有效授流面寬度為100 mm，較巴西圣保羅Tiradentes項目所采用的工字型接觸軌68.9 mm授流面寬度提升約45%。目前國產(chǎn)工字軌產(chǎn)品的授流面寬度僅為65 mm，意味著車輛在發(fā)生Y向位移（特別是授流器靴面會部分錯開軌面）時，擁有更大授流面的C型軌可以為車輛授流器提供更大的接觸面，從而實現(xiàn)更穩(wěn)定的授流。

圖2 2種接觸軌截面對比

以龐巴迪跨座式單軌車輛Innovia在巴西圣保羅Tiradentes項目中不同工況條件下授流器在接觸軌軌面的位置情況（靜態(tài)）為例，在靜態(tài)狀態(tài)下，當車輛處于空載（AW0）時，授流器上沿與接觸軌授流面上沿齊平，與車輛在滿載狀態(tài)時（AW2）一樣，授流器與接觸軌接觸良好；當車輛處于故障狀態(tài)（爆胎）時，車體發(fā)生下沉，授流器與接觸軌發(fā)生錯位。當車輛處于動態(tài)行駛狀態(tài)下，由于路幅的顛簸和車輛行駛速度發(fā)生變化而引起的車輛起伏都將影響授流器的Y向位移，此時，更寬大的授流軌面必將為授流器提供更安全充裕的冗余，提供更好的授流條件。

此外，更大的授流面可以更大程度上避免授流器與接觸軌發(fā)生錯位導致的偏磨（圖3所示為工字軌因授流器發(fā)生偏磨的實物照片），從而減少由此引起的燒損及授流器頻繁更換造成的維護成本。

圖3 授流器未完全接觸接觸軌導致偏磨

圖4所示為C型軌與巴西圣保羅Tiradentes項目選用的工字軌在不同工況條件下相互位置關(guān)系示意圖。當接觸軌在相同安裝高度條件下，授流器高度為68 mm（巴西圣保羅Tiradentes項目）時，C型軌在各種工況條件下授流器與接觸軌的授流面接觸情況均優(yōu)于工字軌。其原因在于C型軌授流面寬大且平直，無工字軌由于其固有生產(chǎn)工藝造成的接觸面邊緣圓角。

圖4 不同工況C型軌與工字軌對比示意圖

根據(jù)龐巴迪300型車輛不同工況條件下位移+32～-57 mm（0位為AW2工況時的工作高度）的情況，其最大位移量達到了89 mm，這就意味著為滿足各種工況下授流器均可穩(wěn)定授流，必須保證接觸軌的有效授流面寬度大于89 mm。目前的工字型接觸軌產(chǎn)品還尚未達到該項技術(shù)指標要求，而長沙磁浮快線使用的C型軌授流面可達到100 mm的需求。

由上可知，C型軌較工字軌擁有更寬的授流面，可為跨座式單軌車輛提供更好的授流條件，具有顯著優(yōu)勢。

3.2 限界/絕緣凈空

單軌車輛集電器工作面與梁面之間的距離較?。▋H為140 mm），為保證接觸軌系統(tǒng)的安裝空間及絕緣要求，系統(tǒng)對接觸軌的安裝限界要求十分嚴格。以C型軌和工字軌均可滿足授流需要的載流量為前提，對兩者所需的安裝空間及對應的絕緣凈空進行對比，如表2所示。

表2 2種鋼鋁復合軌限界/絕緣凈空對比

3.3 授流平順性

作為車輛供電的主要載體，接觸軌應為車輛運行提供安全平穩(wěn)的供電。其供電方式是由車載授流器與接觸軌軌面的接觸進行電能傳輸，除應考慮軌面的有效授流面寬度外，還應考慮接觸軌軌面的平順性。

無論是工字軌還是C型軌，其單位長度軌體表面的平順性指標均在制造商廠內(nèi)進行控制，目前主要的接觸軌供貨商所供產(chǎn)品均滿足要求。除此之外，影響其平順性的關(guān)鍵因素還包括軌體進行連接時的連接方式、精度控制，以及接觸軌線路布置所需的膨脹接頭等。

3.3.1 中間接頭

圖5所示為2種軌型中間接頭連接方式對比示意，工字軌采用在軌腰部打孔，通過魚尾板進行緊固連接的方式，其軌面的平順性（高差）由工字軌腰部與魚尾板連接面的加工精度保證。C型軌采用內(nèi)外芯板通過螺栓緊固夾持的方式進行連接，其軌面的平順性（高差）由軌體與內(nèi)外芯板接觸面的加工精度保證。目前接觸軌采用的鋁合金本體部分通常采用擠壓成型工藝完成，2種軌型的尺寸精度處于同一水平。工字軌精度控制面為異型，無法通過后續(xù)加工提高精度，C型軌可通過接頭部分精加工提高精度，或可為其中間接頭連接部分提供更高的連接精度，避免在軌體上打孔（影響連接固定精度），具有一定優(yōu)勢。據(jù)調(diào)研，目前工字軌接頭處連接精度為±0.5mm，C型軌接頭處連接精度可達到±0.1 mm。

圖5 2種接觸軌軌體連接方式對比

3.3.2 膨脹接頭

圖6所示為接觸軌常用的膨脹接頭示意圖，主要分為單縫式、雙縫式、梳狀縫式3類。傳統(tǒng)的膨脹接頭均采用預留伸縮縫形式來解決由于溫度變化引起的軌體長度變化，其缺點是該預留伸縮縫將對車輛的授流產(chǎn)生波動，影響其授流平順性，并增加授流器經(jīng)過該處時的損耗，進而增加運營成本。

圖6 傳統(tǒng)膨脹接頭

據(jù)了解，目前已有接觸軌制造商開發(fā)了無縫膨脹接頭，并已通過型式試驗驗證。其原理是將沿線路方向的軌體尺寸隨溫度的變化通過楔形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪本€路方向，在實現(xiàn)軌體伸縮變化的同時保障了兩側(cè)軌面的緊密連接，同時實現(xiàn)了電連接功能。如圖7所示。

圖7 無縫膨脹接頭

若可將無縫膨脹接頭應用于跨座式單軌用接觸軌系統(tǒng)，不僅可消除原有預留伸縮縫對車輛授流產(chǎn)生的波動影響，同時可避免授流器經(jīng)過該處時的損耗，進而降低運營成本。

以C型軌為例，因其較工字軌剛?cè)岫雀鼮檫m度，在彎道處安裝無需預彎，且在道岔處可實現(xiàn)連續(xù)可撓，避免了工字軌在道岔處安裝時因其剛度過大而出現(xiàn)斷軌和折點，并輔之以無縫膨脹接頭在道岔處的布置，可以對道岔轉(zhuǎn)轍時內(nèi)外側(cè)接觸軌因彎曲半徑不同引起的長度方向的尺寸變化進行無縫補償，從而實現(xiàn)接觸軌系統(tǒng)全線的無縫安裝。

3.4 安裝便捷性

以軌體安裝為例，C型軌采用旋轉(zhuǎn)式內(nèi)卡固定，安裝時可懸掛于支座上，便于定位及安裝，且其軌體剛?cè)岫冗m中，安裝應力小，便于調(diào)整，彎道處可實現(xiàn)彈性過彎，無需預彎。工字軌采用魚尾板連接固定方式，無法預先定位，其軌體剛度亦過大，安裝應力大，不便于調(diào)整，且在彎道處需進行預彎。在安裝便捷性方面，C型軌優(yōu)于工字軌。

在輔件安裝方面，工字軌配套輔件除在安裝后存在侵界的情況外，其安裝時還需在軌體上進行打孔，一定程度上將破壞軌體強度，且增加了安裝施工難度，同時會影響其安裝精度，而C型軌安裝時則無需進行軌體打孔。

3.5 耐候性

用于側(cè)部授流的工況條件下，工字軌“腰部”開口向上，較C型軌更易積水結(jié)冰，甚至延伸至授流面，存在一定安全隱患，或增加運維工作量；C型軌其槽裝部分均隱匿于軌體內(nèi)部，不易積水結(jié)冰，更具優(yōu)勢。同時，C型軌外輪廓為矩形，接頭、卡件等輔件可裝入軌體內(nèi)部，簡潔美觀；工字軌外輪廓較為復雜，接頭、卡件等輔件外露，美觀性稍遜，且其表面積較C型軌小，使其散熱性能也遜于C型軌。

4 結(jié)語

由工字軌與C型軌在膨脹接頭、分段絕緣器、中間接頭、電連接等接觸軌系統(tǒng)輔件方面的對比分析可以看出，現(xiàn)有工字軌無法滿足絕緣要求，而C型接觸軌系統(tǒng)較工字型接觸軌系統(tǒng)具有更為緊湊的結(jié)構(gòu)，可為單軌系統(tǒng)和車輛提供更大的安全冗余，更為可靠，具有明顯優(yōu)勢。

在平順性方面，C型軌輔之以無縫膨脹接頭，可實現(xiàn)接觸軌的全線無縫布置，從而提升了車輛行駛的平順性、舒適性，減小了由此造成的授流器損耗，提升使用壽命，降低線路的后期運維成本。

綜上分析，C型鋼鋁復合軌較工字型鋼鋁復合軌具有較寬的授流面、較低的限界需求、較好的授流平順性、優(yōu)良的耐候性等優(yōu)點，可作為跨座式單軌側(cè)部授流系統(tǒng)接觸軌的最佳選擇。

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The paper introduces several structural types of contact rails for lateral feeding to the straddle type monorail system in our country, puts emphasis on comparison and analysis of H type and C type contact rails, proposes the structural type of contact rails which are suitable to the straddle type monorail system.

H type contact rail; C type contact rail; model selection

U232.8

B

1007-936X(2018)02-0060-04

2018-01-24

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.016

于素芬.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，高級工程師。