一種斜井三軌式剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

伏松平

(北京中鐵建電氣化設(shè)計研究院有限公司 北京 100043)

1 前言

隨著礦用地下工程技術(shù)的革新，地下設(shè)備廠房、隧道、人防等地下工程深度越來越深，而地下工程材料設(shè)備的運(yùn)輸也成為控制施工工期、效益的重中之重[1]。將無軌運(yùn)輸供電系統(tǒng)引入煤炭、礦山運(yùn)輸領(lǐng)域，把傳統(tǒng)以柴油為動力的運(yùn)輸方式轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵀h(huán)保的電力驅(qū)動運(yùn)輸方式，可以有效解決煤礦井下傳統(tǒng)運(yùn)輸方式的缺點，也符合目前國家的節(jié)能減排政策，對地下斜礦井輔助運(yùn)輸方式是一次歷史性的變革，具有很大的經(jīng)濟(jì)及環(huán)保意義。

接觸網(wǎng)系統(tǒng)是無軌運(yùn)輸供電系統(tǒng)中的重要組成部分，電氣化鐵路的架空接觸網(wǎng)分為剛性架空接觸網(wǎng)和柔性架空接觸網(wǎng)兩類[2]。接觸軌系統(tǒng)是城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，由于接觸軌下部受流安裝高度及水平方向均可適度調(diào)整，接觸面上不易積累塵屑，能較好地確保牽引網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行[3]，國內(nèi)地鐵普遍采用下接觸式的接觸軌系統(tǒng)。

某礦用斜井組成復(fù)雜，其中新建盾構(gòu)井筒的平硐部分，凈空高度為4 810～4 950 mm；矩形輔運(yùn)巷道部分，凈空高度為4 950～7 283 mm。根據(jù)運(yùn)輸要求，需要在該斜井同一斷面中設(shè)置上、下行的接觸網(wǎng)，以便無軌電車同時上行和下行運(yùn)行，同時在線路岔口處設(shè)置供車輛變換方向的剛性線岔裝置。

針對礦用斜井的線路條件和巷道凈空高度較低的特點和礦用車輛負(fù)荷及無軌運(yùn)輸供電系統(tǒng)供電制式為DC1500V的要求，本文提出了一種下接觸三軌式剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)，并結(jié)合鐵路道岔和接觸網(wǎng)線岔提出了一種新型的剛性線岔裝置。

2 剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成

基于該礦用斜井無軌運(yùn)輸供電系統(tǒng)采用DC1500V，且斜井坡度大、頻繁變坡、豎向S曲線特殊不利的線路條件，為保證接觸網(wǎng)通過受電弓安全可靠地向車輛供電，接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式及弓網(wǎng)匹配就非常關(guān)鍵。結(jié)合高鐵、地鐵、城市軌道交通的受電技術(shù)，電氣列車受流的可靠性主要取決于弓網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備的實用性和可靠性[4]。為了解決地下斜井內(nèi)不同尺寸凈空下的剛性接觸網(wǎng)坡度大以及其與三極滑觸式受電弓[5]相匹配的要求，提出了新型三軌式剛性接觸網(wǎng)。

上行和下行接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)相同，其組成如圖1所示。正極受流軌、負(fù)極受流軌和導(dǎo)向接地軌安裝在橫向懸掛的支撐絕緣子上，形成一個穩(wěn)定的倒三角形結(jié)構(gòu)。

圖1 上(下)行接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)

(1)支撐絕緣子

絕緣子性能的好壞，對接觸網(wǎng)能否正常供電影響很大，絕緣子應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，能承受一定的機(jī)械荷載和能經(jīng)受住不利環(huán)境的影響[6]。絕緣子承受帶電系統(tǒng)產(chǎn)生的機(jī)械荷載，應(yīng)同時滿足電氣與機(jī)械要求[7]。

由于供電系統(tǒng)采用DC1500V，地下斜井的長期高濕度、重污染環(huán)境特點，以及接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式，本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)的復(fù)合絕緣子，該絕緣子采用雙側(cè)懸掛的結(jié)構(gòu)形式，連接金具安裝在絕緣芯棒中間部分，絕緣芯棒兩側(cè)內(nèi)嵌螺紋套，用于安裝受流導(dǎo)軌，如圖2所示。

圖2 DC1500V雙懸掛支撐絕緣子(單位：mm)

在絕緣子兩側(cè)通過螺栓安裝導(dǎo)流的正極軌和負(fù)極軌，中間下側(cè)通過螺栓安裝接地導(dǎo)軌。由圖1可知，各導(dǎo)軌間距小，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于凈空高度受限的條件；同時采用硅橡膠復(fù)合絕緣材料，電絕緣性能好，具有良好的耐污性。絕緣子可保證各導(dǎo)軌間的絕緣要求。

(2)導(dǎo)軌及導(dǎo)軌連接裝置

正極受流軌、負(fù)極受流軌與受電弓碳刷接觸，用以承載正、負(fù)極電流；接地導(dǎo)向軌與受電弓的導(dǎo)向輪接觸，為受電弓起導(dǎo)向作用，同時通過受電弓的接地極與車體連接以確保電氣安全接地。3根導(dǎo)軌型號一致，均為橫截面長×寬(80 mm×40 mm)、厚度5 mm的Q235矩形鋼，每根軌長一般為9 000 mm。

為保證導(dǎo)軌接縫處受電弓能平順通過，設(shè)置3根調(diào)整螺栓，借助焊接到本體上的螺母，調(diào)節(jié)上面兩根螺栓的旋入深度，實現(xiàn)兩根鋼軌水平高差的調(diào)整，保證其對齊；側(cè)面1根螺栓，借助焊接到本體上的螺母和擋塊，實現(xiàn)導(dǎo)軌接縫處的調(diào)整。

調(diào)整螺栓依據(jù)不同的受力特點，采用彈簧墊圈或雙螺母結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了螺栓的鎖緊，以提高可靠性。

(3)導(dǎo)軌定位座

導(dǎo)軌定位座包括頂板、底板、方管和筋板，頂板和底板平行設(shè)置，并通過方管焊接在一起，方管與底板之間安裝數(shù)個筋板，筋板沿方管的外圍均勻設(shè)置，相鄰兩筋板之間設(shè)有穿過底板的螺栓孔。

一般低凈空處通過U型螺栓將導(dǎo)軌定位座上部的底板固定安裝在橫梁上，在超低凈空處則通過T型螺栓安裝在懸吊底座上。導(dǎo)軌定位座下部的頂板通過螺栓連接支撐絕緣子以固定和定位3根導(dǎo)軌。根據(jù)不同凈空高度的需要，其按豎向尺寸可分為125型和95型，其中95型適用于超低凈空的接觸懸掛。

3 剛性接觸網(wǎng)懸掛方案

如圖3所示，三軌式剛性接觸網(wǎng)懸掛方案一般采用上下行整體安裝的形式，分為上部錨固懸吊裝置以及導(dǎo)軌懸掛裝置兩部分。上部錨固懸吊裝置由化學(xué)錨栓(或預(yù)留錨桿)、懸吊底座、T型螺栓和懸掛橫梁組成。下部導(dǎo)軌懸掛裝置安裝于懸掛橫梁下，由導(dǎo)軌定位座、接地軌吊夾、支撐懸掛絕緣子、受流軌、導(dǎo)向接地軌、導(dǎo)軌接頭組成。

圖3 接觸網(wǎng)懸掛方案系統(tǒng)(單位：mm)

上部錨固懸吊裝置，通過可調(diào)節(jié)部件錨固于斜井/巷道頂部，并通過懸吊底座和T型頭螺栓與懸吊橫梁連接，使橫梁在保證懸掛點的跨距基本不變的情況下，調(diào)整并適應(yīng)斜井/巷道凈空變化。參照地鐵設(shè)計規(guī)范[8]及斜井凈空高度、車輛及受電弓的實際情況，接地軌距地面高度為4 300 mm。

3.1 低凈空懸掛方案

由于本工程斜井凈空高度主要分布在4 843～4 950 mm區(qū)段，為保證接觸網(wǎng)系統(tǒng)帶電部分距離斜井巷道壁的空氣絕緣間隙不小于250 mm，懸掛方案采用圖3所示，上、下行三軌中心線間距離1 500 mm，導(dǎo)軌底座安裝距離線路中心750 mm，橫梁水平安裝。其他零部件還包括T型螺栓和125型導(dǎo)軌定位座等。

懸掛跨距為9 m，正負(fù)極受流軌中心距離360 mm，接地導(dǎo)向軌底面與正負(fù)極受流軌底面高差63 mm，導(dǎo)軌高為4 300 mm。

3.2 超低凈空懸掛方案

斜井凈空高度局部懸掛點只有4 810 mm的超低凈空時，如果采用圖3所示的三軌式剛性懸掛接觸網(wǎng)懸掛方案，則安裝空間不足。

為此，將低凈空懸掛方案的橫梁取消，并將懸掛跨距縮減一半，上下行剛性接觸網(wǎng)各利用4根化學(xué)錨栓固定2根懸吊底座，通過2根T型螺栓以及95型導(dǎo)軌定位座，直接將導(dǎo)流軌安裝于斜井頂部，如圖4所示。

圖4 超低凈空懸掛方案示意(單位：mm)

3.3 高凈空懸掛方案

由于斜井部分矩形斷面的巷道凈空大于6 000 mm，最高處可達(dá)7 283 mm，為了保證弓網(wǎng)受流、減少離線率，接觸網(wǎng)坡度不能因為凈空變高而突變增大，導(dǎo)軌高度只能在小范圍內(nèi)連續(xù)平順變化，因此必須根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果，逐處制定T型螺栓組合尺寸以保證導(dǎo)軌架設(shè)平順。

如圖5所示，由于T型螺栓組合較長，會導(dǎo)致懸掛結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，故在錨桿錨固處與橫梁增加懸掛交叉固定拉線裝置以增加懸掛處的橫向固定性；另外，在跨距中增加兩處上下行固聯(lián)裝置，將導(dǎo)軌整體連接在一起形成整體克服機(jī)車受電弓對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的橫向沖擊以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5 高凈空懸掛方案示意(單位：mm)

4 剛性線岔結(jié)構(gòu)及其控制

鐵路上道岔是一種能使機(jī)車車輛從一股道轉(zhuǎn)入另一股道的線路連接設(shè)備[9]。線岔的作用是保證電力機(jī)車受電弓安全平滑地由一條接觸線過渡到另一條接觸線，達(dá)到轉(zhuǎn)換線路的目的[10]。根據(jù)具體線路條件，斜井三軌式接觸網(wǎng)的剛性線岔兼具鐵路道岔和電氣化鐵路接觸網(wǎng)線岔的功能，主要分為單開型和雙開型。單開型線岔用在直道和側(cè)道交叉的岔口處，通過轉(zhuǎn)動變向?qū)蜍壱詫崿F(xiàn)線路的切換，側(cè)道連通和直道連通由信號檢測開關(guān)控制；雙開型線岔是單開型線岔的一種特殊型式，整個剛性線岔開口朝向兩條側(cè)線。單開型線岔是現(xiàn)場使用最多、最典型的線岔。

4.1 剛性線岔結(jié)構(gòu)

典型的單開型剛性線岔如圖6所示，主要由懸吊底座、固定架、絕緣子組件、導(dǎo)軌、傳動機(jī)構(gòu)以及電控系統(tǒng)組成。

圖6 典型單開型剛性線岔

其中導(dǎo)軌如圖7所示，由正負(fù)極受流軌、接地導(dǎo)向軌、絕緣軌、變向?qū)蜍壗M成。

圖7 單開型線岔導(dǎo)軌組成

在剛性線岔上下行導(dǎo)電軌交叉處設(shè)置環(huán)氧樹脂層壓布板加工而成的絕緣軌，實現(xiàn)不同極電流的斷開，通過氣缸控制與傳動機(jī)構(gòu)相連的變向?qū)蜍墝崿F(xiàn)線路的切換。

在如圖8所示的斜井線路岔口，包括A岔口的雙開型線岔和B、C岔口的單開型線岔，通過線岔實現(xiàn)A、B、C三個方向互通。在每個分岔口均設(shè)有導(dǎo)軌切換裝置、區(qū)域開關(guān)和信號燈。

圖8 線路岔口示意

(1)導(dǎo)軌切換裝置

每個分岔口各有一套導(dǎo)軌切換裝置，通過氣缸驅(qū)動，改變導(dǎo)軌連通的方向，如A雙開型岔口，可以使導(dǎo)軌通往B岔口或者C岔口方向。

優(yōu)先級為1級AC、2級AB、3級BC。

初始狀態(tài)下，A岔口通向C岔口，C岔口通向A岔口，B岔口通向A岔口，A岔口、C岔口雙向互通。

若實現(xiàn)A岔口、B岔口互通需將A岔口導(dǎo)軌由通向C岔口切換為通向B岔口。若實現(xiàn)B岔口、C岔口互通需將B岔口導(dǎo)軌由通向A岔口切換為通向C岔口，同時將C岔口導(dǎo)軌由通向A岔口切換為通向B岔口。

(2)區(qū)域開關(guān)

每個岔口入口設(shè)兩個接近開關(guān)，出口設(shè)1個接近開關(guān)，如A岔口的入口接近開關(guān)代號為A1、A2，出口接近開關(guān)代號為A3，B岔口及C岔口的接近開關(guān)按同樣規(guī)則編號。

(3)信號燈

A、B、C每個岔口入口各有兩組信號燈，指示車輛兩個方向的通行和停止，如A岔口左側(cè)信號燈AC指示A岔口通向C岔口的通行和停止，右側(cè)信號燈AB指示A岔口通向B岔口的通行和停止。

4.2 剛性線岔的控制

利用氣動配合PLC的電動控制流程如圖9所示。由A岔口進(jìn)入的車輛行駛至A1信號時，開始計時，在時間Ta內(nèi)檢測到A2信號，導(dǎo)軌不動作，AC全通指示燈亮起可以AC通過，檢測到C3后，表明車已經(jīng)離開C岔口。

圖9 由A岔口進(jìn)入車輛的控制流程

如果開始計時后在時間Ta內(nèi)沒有檢測到A2的信號，A岔口電磁閥動作，A岔口切換至B岔口方向，這時B岔口為常態(tài)指向A岔口。AB全通指示燈亮起，車輛可以從AB導(dǎo)軌通過，當(dāng)檢測到B3時，A岔口電磁閥失電恢復(fù)到最初始的AC通過狀態(tài)。

5 結(jié)束語

本文提出的接觸網(wǎng)系統(tǒng)用于地下斜井無軌運(yùn)輸，可以有效解決礦用斜井傳統(tǒng)運(yùn)輸方式污染大、運(yùn)輸效率低及運(yùn)營成本高的缺點。

通過在某礦用斜井無軌運(yùn)輸供電系統(tǒng)中進(jìn)行冷滑及各種負(fù)荷條件下的送電試驗，接觸網(wǎng)系統(tǒng)零部件機(jī)械性能滿足電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件標(biāo)準(zhǔn)[11]；接觸網(wǎng)系統(tǒng)的電氣性能可靠，試驗電車通過該接觸網(wǎng)穩(wěn)定受流。將該接觸網(wǎng)系統(tǒng)引入礦用斜井無軌運(yùn)輸系統(tǒng)中，運(yùn)輸能力顯著提高，保障了礦井生產(chǎn)[12]。