剛性架空接觸網(wǎng)采用新型復(fù)合導(dǎo)電軌技術(shù)可行性研究

車宇哲

1 接觸網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

城市軌道交通牽引網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)接觸網(wǎng)安裝位置和接觸線不同，分為接觸軌和架空接觸網(wǎng)兩種型式，其中架空接觸網(wǎng)按接觸懸掛方式不同又可分為柔性架空接觸網(wǎng)和剛性架空接觸網(wǎng)[1]。剛性架空接觸網(wǎng)具有接觸線不受力、零部件簡單、運(yùn)營維護(hù)方便、事故范圍小等特點(diǎn)，因此非常適合在長大隧道內(nèi)使用。自2003年廣州地鐵2號線地下區(qū)段開始應(yīng)用以來，剛性架空接觸網(wǎng)已成為城市軌道交通地下區(qū)段接觸網(wǎng)懸掛的主要型式。

目前已運(yùn)營線路的剛性架空接觸網(wǎng)（圖1）中，接觸線比匯流排使用壽命短，在一個(gè)匯流排使用周期內(nèi)需要更換接觸線；另外，運(yùn)營中也出現(xiàn)了受電弓滑板磨耗不均勻現(xiàn)象，滑板使用壽命短，增加了運(yùn)營成本和維護(hù)工作量。

圖1 典型剛性架空接觸網(wǎng)

在城市軌道交通第三軌載流系統(tǒng)中，為了兼顧接觸網(wǎng)載流系統(tǒng)耐磨性和載流問題，采用了鋼鋁復(fù) 合導(dǎo)電軌，其主要結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。這種鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌是將不銹鋼帶與鋁匯流排固定在一起。

圖2 第三軌鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌結(jié)構(gòu)形式

2 新型復(fù)合導(dǎo)電軌結(jié)構(gòu)形式確定

目前，剛性架空接觸網(wǎng)載流系統(tǒng)是由銅接觸線、Π型鋁匯流排[2]組成，載流截面積分別為150和2 213 mm2，折合成鋁當(dāng)量截面積約為2 498 mm2，Π型鋁匯流排結(jié)構(gòu)尺寸如圖3（a）所示。如采用新型復(fù)合導(dǎo)電軌，其鋁載流截面需不小于2 498 mm2。為減少備品備件種類及實(shí)現(xiàn)新舊兩種截面形式過渡，新型復(fù)合導(dǎo)電軌結(jié)構(gòu)形式應(yīng)滿足以下要求：（1）新型復(fù)合導(dǎo)電軌載流截面積不小于目前鋁當(dāng)量截面積；（2）新型復(fù)合導(dǎo)電軌底座及高度尺寸與目前Π型鋁匯流排安裝接觸線后一致；（3）其他尺寸盡量一致。

圖3 載流體（單位：mm）

對于第三軌系統(tǒng)接觸軌，在道岔處直股和斜股接觸軌均設(shè)置斷口，車輛在同一處集電靴不同時(shí)與直股和斜股接觸軌接觸受流。對于剛性架空接觸網(wǎng)，道岔處直股與斜股接觸線平行布置間距約為200 mm，與受電弓同時(shí)接觸，車輛受電弓通過羊角斜面與接觸網(wǎng)線側(cè)面接觸駛?cè)牖蝰傠x另一支接觸線。因此，如采用復(fù)合軌，需要復(fù)合軌頂部完全鑲嵌在鋼帶中，以確保受電弓始終與鋼帶接觸。上述（圖2（c）所示）結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)電復(fù)合軌是將兩塊“J”形不銹鋼帶通過焊接將復(fù)合軌頂部固定在鋼帶中，新型復(fù)合軌可采用該結(jié)構(gòu)形式。

在滿足上述載流截面及限界要求下，盡量采用現(xiàn)有Π型鋁匯流排尺寸，如圖3（b）所示，截面積為2 530 mm2，以滿足現(xiàn)有載流系統(tǒng)的鋁當(dāng)量截面積要求。新型復(fù)合導(dǎo)電軌與Π型鋁匯流排載流系統(tǒng)比較，單位長度質(zhì)量相當(dāng)（表1），支撐絕緣子及其附件受力與目前Π型鋁匯流排相差約6%，滿足目前零件受力要求，采用新型復(fù)合導(dǎo)電軌無需新增現(xiàn)有備件種類。

表1 載流系統(tǒng)單位長度質(zhì)量比較 kg/m

3 新型復(fù)合導(dǎo)電軌載流量校核計(jì)算

根據(jù)“Chapuolie and Rols”公式[3]，復(fù)合導(dǎo)電軌載流量校核計(jì)算式為

式中：I為標(biāo)稱連續(xù)直流額定電流，A；S為鋁質(zhì)導(dǎo)體橫截面積，mm2；L為截面周長，mm；K=k1·k2·k3·k4，k1為材質(zhì)性能常數(shù)，取1.01；k2為環(huán)境溫度40℃時(shí)性能常數(shù)，取1.01；k3為允許溫升因子（45 ℃）性能常數(shù)，取1.07；k4為空氣循環(huán)因子性能常數(shù)，取1.15。

新型復(fù)合導(dǎo)電軌截面S= 2 530 mm2，截面周長L= 525 mm，代入式（1）可得I= 3 632 A。

通過校核計(jì)算，新型復(fù)合導(dǎo)電軌與Π型匯流排系統(tǒng)載流能力相當(dāng)，滿足現(xiàn)有載流系統(tǒng)要求。

4 新型復(fù)合導(dǎo)電軌技術(shù)可行性分析

在Π型鋁匯流排載流系統(tǒng)中，關(guān)鍵部位尺寸是膨脹關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸、匯流排間連接處和接觸網(wǎng)平面布置中拉出值極限位置。

4.1 膨脹關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸

Π型鋁匯流排膨脹關(guān)節(jié)處工作支與非工作支的間距為300 mm，如圖4（a）所示。如果采用新型復(fù)合導(dǎo)電軌，關(guān)節(jié)處工作支與非工作支的間距也為300 mm，如圖4（b）所示。各項(xiàng)關(guān)節(jié)尺寸基本上沒有變化，充分保障了兩支新型復(fù)合導(dǎo)電軌自由伸縮的空間。

將新型復(fù)合導(dǎo)電軌膨脹關(guān)節(jié)和Π型鋁匯流排膨脹關(guān)節(jié)進(jìn)行比較，由圖4（c）可見，新型復(fù)合導(dǎo)電軌頂部輪廓線在Π型鋁匯流排膨脹關(guān)節(jié)匯流排外輪廓線及接觸線頂面范圍內(nèi)，腰部與底部尺寸與Π型鋁匯流排膨脹關(guān)節(jié)匯流排完全一致。因此，新型復(fù)合導(dǎo)電軌膨脹關(guān)節(jié)不僅完全符合車輛限界要求，也滿足膨脹關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸要求。

圖4 膨脹關(guān)節(jié)處尺寸（單位：mm）

經(jīng)過上述比較，新型復(fù)合導(dǎo)電軌膨脹關(guān)節(jié)處結(jié)構(gòu)尺寸完全符合現(xiàn)有Π型鋁匯流排載流系統(tǒng)膨脹關(guān)節(jié)各項(xiàng)要求，可以與現(xiàn)有Π型鋁匯流排載流系統(tǒng)膨脹關(guān)節(jié)進(jìn)行互換。

4.2 接頭處結(jié)構(gòu)尺寸

Π型鋁匯流排使用8個(gè)M12×20不銹鋼螺栓分別與匯流排內(nèi)腔中的兩塊帶有內(nèi)螺紋的連接板轉(zhuǎn)接固定，如圖5（a）所示。由于連接板為鋁材，其與不銹鋼螺栓硬度相差較大，螺栓與連接板連接緊固強(qiáng)度受限，需進(jìn)行螺栓防松處理。在日常運(yùn)營維護(hù)中，匯流排連接處是巡視檢查的重點(diǎn)部位。

采用新型復(fù)合導(dǎo)電軌后可用8個(gè)M9哈克螺栓和兩塊連接板在復(fù)合導(dǎo)電軌外側(cè)將兩根對接復(fù)合導(dǎo)電軌夾緊連接，如圖5（b）所示。哈克螺栓將套環(huán)擠壓到螺桿凹槽使套環(huán)與螺栓形成100%的結(jié)合，產(chǎn)生永久性緊固力，該緊固力約為傳統(tǒng)同等級緊固件的1.5倍以上。每根哈克螺栓緊固件在組裝完成后具有相同的緊固力及永不松動等特性，可以解決新型復(fù)合導(dǎo)電軌接頭處連接防松問題，從而減少運(yùn)營維護(hù)工作量。

圖5 接頭連接方式

5 新型復(fù)合導(dǎo)電軌經(jīng)濟(jì)性分析

目前全世界都面臨著不可再生資源越來越少的困境，銅已經(jīng)成為每個(gè)國家的重要戰(zhàn)略資源，近幾年價(jià)格更是居高不下。為在工程建設(shè)中減少銅的用量，應(yīng)探尋替代產(chǎn)品，新型復(fù)合導(dǎo)電軌滿足了這方面的需求。

Π型鋁匯流排載流系統(tǒng)是通過自身鉗口張力固定接觸線，運(yùn)營中需經(jīng)常巡查接觸線是否脫槽。新型復(fù)合導(dǎo)電軌不需接觸線，從而可以大量減少工程建設(shè)及運(yùn)營維護(hù)工作量。

Π型鋁匯流排載流系統(tǒng)在匯流排正常使用壽命內(nèi)通常需要至少更換3次接觸線，本文暫按3次考慮；新型復(fù)合導(dǎo)電軌使用壽命與現(xiàn)有匯流排使用壽命基本一致，可以避免在壽命周期內(nèi)更換接觸線，從而減少維護(hù)費(fèi)用和工作量。按目前價(jià)格水平，比較Π型鋁匯流排載流系統(tǒng)和新型復(fù)合導(dǎo)電軌的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，見表2。

表2 兩種方式經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比較 萬元/條公里

由表2可以看出，同樣在一個(gè)載流體壽命周期內(nèi)，采用新型復(fù)合導(dǎo)電軌每條公里可以節(jié)省工程建設(shè)費(fèi)用2.23萬元、接觸線更換費(fèi)用21.6萬元，合計(jì)每條公里共節(jié)省費(fèi)用23.83萬元。因此，在剛性架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)中使用新型復(fù)合導(dǎo)電軌，可以降低工程造價(jià)，減少資源消耗及運(yùn)維工作量。

6 結(jié)語

綜合本文各項(xiàng)理論分析，剛性架空接觸網(wǎng)載流系統(tǒng)采用鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌（新型復(fù)合導(dǎo)電軌）在理論上是完全可行的，可以減少銅用量，避免運(yùn)營期間更換接觸線，可降低工程建設(shè)及運(yùn)營維護(hù)費(fèi)用。