城市軌道交通均回流電纜與鋼軌膠粘卡接方式研究

劉 力，袁英強(qiáng)，張獻(xiàn)恒，張勝龍，李照星

（鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081）

城市軌道交通常采用走行軌作為牽引回流系統(tǒng)的負(fù)載導(dǎo)體，為保證供電區(qū)間內(nèi)走行軌的電氣連通，軌縫兩側(cè)的鋼軌需用電纜進(jìn)行連接；此外，為使?fàn)恳娏骰亓魍〞常档妥咝熊壙v向電阻，均衡鋼軌電壓，同一行的 2根鋼軌之間以及上下行的4根鋼軌之間也需每隔300～500 m采用電纜進(jìn)行短接[1]。在實(shí)際工程中，隨著線路服役年限的增加，因均回流電纜與鋼軌連接不良引起的軌道電位升高、鋼軌電極灼傷，甚至斷軌的現(xiàn)象屢有發(fā)生，給行車安全造成極大隱患。本文在總結(jié)均回流電纜與鋼軌既有連接方式特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究出一種施工簡(jiǎn)便、無損鋼軌、連接可靠的電纜與鋼軌新型連接方式，以解決既有連接方式的弊端。

1 均回流電纜與鋼軌既有連接方式

目前，我國(guó)城市軌道交通均回流電纜與鋼軌的連接方式主要包含快速銅熱焊、螺栓連接和低溫釬焊3種類型。

1.1 快速銅熱焊

快速銅熱焊與鋼軌鋁熱焊類似，其反應(yīng)機(jī)理為3Cu2O + 2Al = 6Cu + Al2O3[2]，即利用鋁熱焊劑的燃燒發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生高溫（1 084 ℃以上），將氧化銅置換成高溫液態(tài)銅，從而使鋼軌軌腰與電纜或銅排熔接在一起[3]。快速銅熱焊的接觸電阻小，但工藝要求嚴(yán)格，特別是低氣溫環(huán)境下的焊前預(yù)熱和焊后鋼軌溫降速度難以控制，極易導(dǎo)致鋼軌熱影響區(qū)內(nèi)產(chǎn)生硬度約為鋼軌母材硬度3倍的馬氏體組織，致使鋼軌嚴(yán)重脆化。在輪軌接觸力的作用下，焊接點(diǎn)脆硬組織區(qū)域處極易形成微裂紋，進(jìn)而發(fā)展為鋼軌的垂向劈裂，嚴(yán)重影響行車安全。

1.2 螺栓連接

螺栓連接分為普通螺栓連接和脹栓連接2種形式。當(dāng)采用普通螺栓連接時(shí)，先在鋼軌軌腰中和軸上鉆孔，再通過不銹鋼螺栓對(duì)接線端子或銅排進(jìn)行壓接，使其與鋼軌軌腰密貼即可；當(dāng)采用脹栓連接時(shí)，先利用拉鉚機(jī)使銅套管膨脹后緊帖在軌腰孔壁內(nèi)，再用螺栓將接線端子或銅排壓接在銅套管上。螺栓連接形式施工工藝簡(jiǎn)單，成本低；但軌腰鉆孔會(huì)傷損鋼軌母材，特別是在施工時(shí)間和環(huán)境受限制以及人員操作因素影響的條件下，鉆孔質(zhì)量難以保證，孔位錯(cuò)誤、孔距過小、倒角遺漏等問題都會(huì)形成鋼軌新的傷損源；其形成后若不采取換軌措施進(jìn)行根除，在列車荷載的長(zhǎng)期作用下容易形成螺栓孔周圍的縱向或垂向開裂和發(fā)展，甚至導(dǎo)致斷軌。此外，隨著運(yùn)營(yíng)年限的增加和列車荷載的反復(fù)作用，軌腰接觸面的銹蝕和連接螺栓的松動(dòng)均會(huì)造成接觸點(diǎn)電阻的增加；導(dǎo)致回流不暢，軌電位升高；進(jìn)而引發(fā)鋼軌電極灼傷、雜散電流增大等一系列問題[4]。

1.3 低溫釬焊

低溫釬焊綜合了螺栓連接和銅熱焊接的優(yōu)點(diǎn)，采用熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于鋼軌母材的釬料（一般不高于300 ℃）作為介質(zhì)，將其熔化后填充匯流銅排與軌腰間的縫隙，并通過其與母材間相互擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)被焊工件的連接，最后再使用螺栓對(duì)匯流銅排與鋼軌軌腰進(jìn)行二次栓接加固。低溫釬焊保證了匯流銅排與鋼軌連接的緊密性和可靠性，具有足夠的連接強(qiáng)度，接觸電阻低，不會(huì)破壞鋼軌的金相組織，受流性能可靠[5]；但其施工工藝較為復(fù)雜，施工效率不高，造價(jià)相對(duì)較高，且未能根除在鋼軌上鉆孔的弊端，施工所造成的鋼軌傷損源依然存在。

2 膠粘卡接方式的設(shè)計(jì)

綜合均回流電纜與鋼軌既有連接方式的特點(diǎn)，為避免對(duì)鋼軌母材造成損傷，保證連接點(diǎn)的受流性能，清晰劃分施工和養(yǎng)護(hù)維修過程中工務(wù)專業(yè)與電務(wù)專業(yè)的工作界面，本文設(shè)計(jì)了膠粘卡接的連接方式，并通過有限元計(jì)算和室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.1 結(jié)構(gòu)形式

膠粘卡接裝置的組成部件包括T2紫銅卡具（圖1）、尼龍輔助塊（圖2）、特制導(dǎo)電膠、A2-70級(jí)M10不銹鋼螺栓和奧氏體不銹鋼偏心防松螺母。采用特殊形狀銅排與鋼軌軌底側(cè)面卡接，并在軌底下部利用防松螺栓進(jìn)行固接，紫銅卡具與軌底上表面間填充特制導(dǎo)電膠進(jìn)行粘接和傳導(dǎo)，并可通過粘接面積的變化來調(diào)整接觸電阻的大小，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的電氣性能，組裝方式如圖3所示。與既有連接方式相同，軌縫兩側(cè)匯流銅排采用防松螺栓對(duì)電纜線進(jìn)行壓接，整體連接效果如圖4所示。

2.2 性能目標(biāo)

關(guān)于鋼軌與均回流電纜連接，目前沒有發(fā)布具體的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，僅CJJ/T 49-2020《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定電纜與鋼軌連接部位的接觸電阻不應(yīng)高于1 m長(zhǎng)走行鋼軌的電阻值[6]，實(shí)測(cè)1 m長(zhǎng)60 kg/m鋼軌的電阻值約為30 μΩ。由于在正常工作條件下，膠粘卡接裝置安裝于相鄰兩軌枕之間，其本身不直接承受外部荷載作用；本文根據(jù)使用功能要求和應(yīng)用環(huán)境條件，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，擬定了膠粘卡接方式的設(shè)計(jì)性能目標(biāo)值，如表1所示。

表1 膠粘卡接方式設(shè)計(jì)性能目標(biāo)值

3 膠粘卡接方式仿真研究

為研究工作狀態(tài)下膠粘卡接裝置的受力情況，保證連接的可靠性；本節(jié)通過建立有限元模型，計(jì)算分析膠粘卡接裝置在螺栓預(yù)緊荷載和鋼軌動(dòng)位移作用下的受力狀態(tài)。

3.1 模型建立

利用有限元軟件ANSYS建立鋼軌-卡具-連接螺栓實(shí)體有限元模型，其中鋼軌長(zhǎng)度按扣件間距0.6 m 選取，紫銅卡具按雙孔尺寸選取，各部件均采用實(shí)體單元，鋼軌與紫銅卡具接觸面采用接觸單元。為快速得到相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算分析結(jié)果，根據(jù)主從接觸面的選擇原理，選取鋼軌表面作為主表面，紫銅卡具接觸面為從表面，接觸表面摩擦系數(shù)為0.3，設(shè)置法向的接觸算法為“硬接觸”，切向的接觸算法為“罰函數(shù)”。利用彈簧單元模擬扣件支承剛度。為消除模型中存在的邊界效應(yīng)，模型對(duì)鋼軌的兩端進(jìn)行對(duì)稱約束，模擬長(zhǎng)鋼軌的相互作用。有限元模型如圖5所示，計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 計(jì)算參數(shù)

3.2 靜載作用分析

M10（A2-70）不銹鋼螺栓的推薦預(yù)緊扭矩為25～32 N · m[7]，為驗(yàn)證此扭矩是否適用于本結(jié)構(gòu)模型，靜載分析中針對(duì)不同的預(yù)緊扭矩（20～36 N · m）進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)預(yù)緊扭矩與軸向預(yù)緊力的關(guān)系[8]，如式（1）所示，計(jì)算得到的近似軸向預(yù)緊力如表3所示。

表3 螺栓軸向預(yù)緊力工況

式（1）中，M為螺栓預(yù)緊扭矩；K為擰緊力系數(shù)；P0為軸向預(yù)緊力；D為螺紋公稱直徑。

圖6和圖7分別為16 kN軸向預(yù)緊力作用下紫銅卡具的位移云圖和Mises應(yīng)力云圖。從圖6可以看出，紫銅卡具在軸向預(yù)緊力作用下有沿鋼軌軌底側(cè)面接觸點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，但由于卡槽與鋼軌軌底的接觸抑制作用，轉(zhuǎn)動(dòng)位移很小，最大位移發(fā)生在卡具頂面匯流排端部；從圖7可以看出，卡具上部基本無應(yīng)力作用，由于應(yīng)力集中的原因，最大應(yīng)力發(fā)生在卡槽下部底角螺栓孔位置處，仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際受力狀態(tài)吻合。

圖8和圖9分別為卡具位移和Mises應(yīng)力隨表3各工況變化的情況。從圖中可以看出，紫銅卡具的位移和Mises應(yīng)力隨預(yù)緊力的增加而增大，并具有良好的線性關(guān)系；在推薦的25～32 N · m預(yù)緊扭矩內(nèi)，紫銅卡具的最大Mises應(yīng)力值為34.4～44.4 MPa，遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度90 MPa；可見，從靜力角度來看，推薦的扭矩范圍適用于本結(jié)構(gòu)的螺栓預(yù)緊值。

3.3 動(dòng)載作用分析

為研究列車動(dòng)載對(duì)卡具裝置受力情況的影響，利用北京地鐵6號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鋼軌動(dòng)位移作為激勵(lì)，如圖10所示，分析紫銅卡具在預(yù)緊力和動(dòng)位移共同作用下的應(yīng)力狀態(tài)。為節(jié)省計(jì)算量，鋼軌位移荷載選取1節(jié)車的數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

由圖11可以看出，在推薦最大扭矩32 N · m情況下，受列車動(dòng)載作用，卡具的最大Mises應(yīng)力較靜態(tài)有所增加，約達(dá)到63 MPa，達(dá)到紫銅屈服強(qiáng)度的70%?？梢姡瑢㈩A(yù)緊扭矩控制在25～32 N · m較為合適，能夠保證卡具結(jié)構(gòu)安全。

4 膠粘卡接方式室內(nèi)試驗(yàn)

4.1 接觸電阻試驗(yàn)

接觸電阻采用電流-電壓法測(cè)量。利用短鋼軌和膠粘卡接裝置制作1 : 1實(shí)物試件，采用回路電阻測(cè)試儀在紫銅卡具和臨近軌底上表面位置處分別施加100 A和200 A的持續(xù)電流，每次各測(cè)量5次電阻，計(jì)算其算術(shù)平均值作為接觸電阻的實(shí)測(cè)值。試驗(yàn)中，分別對(duì)填充導(dǎo)電膠和不填充導(dǎo)電膠2種試件進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)填充導(dǎo)電膠的試件進(jìn)行了3個(gè)月的觀測(cè)。在無導(dǎo)電膠情況下，實(shí)測(cè)接觸電阻值為572 μΩ；填充導(dǎo)電膠的試件電阻值隨時(shí)間變化如圖12所示，接觸電阻的最大值為16.8 μΩ，最小值為13.9 μΩ，電阻值隨時(shí)間變化波動(dòng)較小。實(shí)測(cè)接觸電阻平均值為15.2 μΩ，遠(yuǎn)小于無導(dǎo)電膠情況，并滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值不大于20 μΩ的要求。因此，導(dǎo)電膠對(duì)降低膠粘卡接裝置的接觸電阻起到了較大的作用。

4.2 浸水試驗(yàn)

參考鋼軌膠結(jié)絕緣接頭[9]對(duì)環(huán)氧粘接劑的要求，為研究雨水對(duì)卡具裝置電氣性能的影響，制作2組1 : 1實(shí)物試件，其中1組涂刷富鋅底漆和聚氨酯面漆防水材料作密封處理，然后對(duì)2組進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。將2組試件放入器皿中浸水24 h后取出，吹干表面水分后測(cè)量接觸電阻值，結(jié)果如圖13所示。由圖可知，密封處理試件試驗(yàn)前后電阻值無變化，均為12.2 μΩ，而無密封處理試件浸水前的電阻值為12.3 μΩ，浸水后的為13.8 μΩ，增加了1.5 μΩ。試驗(yàn)結(jié)果表明，密封涂料防水效果良好，對(duì)膠粘縫隙進(jìn)行防水處理有利于保證膠粘卡接裝置的電氣性能。

4.3 載流量試驗(yàn)

為驗(yàn)證膠粘卡接裝置的最大承載性能，截取長(zhǎng)度為1 m的60 kg/m鋼軌，以鋼軌跨中為中軸對(duì)稱安裝膠粘卡接裝置。將左右兩匯流銅排連接載流量試驗(yàn)臺(tái)母線，形成電流通路，并利用熱電偶同時(shí)監(jiān)測(cè)卡具與鋼軌連接點(diǎn)處的溫度，如圖14所示。裝置固定后由控制臺(tái)施加電流，并逐步增大和調(diào)整電流值，使紫銅卡具與鋼軌連接測(cè)點(diǎn)的溫度保持在95±1 ℃范圍內(nèi)30 min以上，此時(shí)測(cè)得所施加的電流值即為膠粘卡接裝置的載流量。實(shí)測(cè)2孔銅排卡具的載流量為2 280 A，大于2 000 A，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值的要求。

4.4 溫升試驗(yàn)

為研究膠粘卡具裝置在持續(xù)大電流作用下的溫升特性以及對(duì)接觸電阻的影響，按載流量的試驗(yàn)方法，對(duì)實(shí)物試件施加2 280 A的持續(xù)電流3 h以上，監(jiān)測(cè)卡具與鋼軌連接點(diǎn)處的溫度變化如圖15所示。從圖中可以看出，在該電流持續(xù)作用下，連接點(diǎn)處的溫度隨其作用時(shí)間的增加逐漸升高，約2 h后溫度升高至94.2 ℃左右，并保持穩(wěn)定；說明在最大載流量的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)作用下，膠粘卡接方式的接觸電阻基本保持穩(wěn)定。加載完畢后，將試件靜置冷卻至室溫狀態(tài)，測(cè)得接觸電阻值為15.3 μΩ，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值不大于30 μΩ的要求；較加載前的接觸電阻14.2 μΩ增大約1.1 μΩ，增加幅度較小，可見持續(xù)大電流的長(zhǎng)時(shí)間作用對(duì)接觸電阻值影響不大。

4.5 濕熱老化試驗(yàn)

為驗(yàn)證導(dǎo)電膠的耐候性，采用浸水試驗(yàn)的方法對(duì)1 : 1實(shí)物試件進(jìn)行密封處理，然后將其置于老化試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行濕熱老化試驗(yàn)，如圖16所示。試驗(yàn)條件：溫度為50±2 ℃，相對(duì)濕度為93%±3%，老化周期為28天[9]。濕熱老化后24 h內(nèi)測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)前后接觸電阻值的變化。老化試驗(yàn)前后，試件的電阻值由12.55 μΩ增大到15.93 μΩ，增加了27%，但仍滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值不大于30 μΩ的要求，說明導(dǎo)電膠的耐候性和密封措施的有效性能夠滿足要求。

4.6 疲勞試驗(yàn)

為研究膠粘卡接裝置的疲勞性能以及循環(huán)荷載對(duì)接觸電阻的影響，參考扣件組裝疲勞試驗(yàn)方法[10]，制作長(zhǎng)為1.2 m的實(shí)物試件，扣件間距為600 mm，如圖17所示。對(duì)跨中施加24～120 kN（考慮16 t軸重，動(dòng)力系數(shù)為1.5）、頻率為3～5 Hz的循環(huán)荷載，荷載循環(huán)300萬次，每循環(huán)100萬次后，對(duì)卡具連接裝置進(jìn)行接觸電阻測(cè)試及觀察導(dǎo)電膠界面裂紋萌生情況。試驗(yàn)過程中測(cè)得的電阻值如表4所示。

由表4可以看出，試件疲勞試驗(yàn)前接觸電阻平均值為14.16 μΩ，經(jīng)過100萬次、200萬次和300萬次疲勞試驗(yàn)后接觸電阻值分別為15.99 μΩ、16.52 μΩ和16.66 μΩ。隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，接觸電阻存在逐漸增大的趨勢(shì)，經(jīng)過300萬次后接觸電阻值增大了17.7%，但仍遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)目標(biāo)值30 μΩ。疲勞試驗(yàn)過程中導(dǎo)電膠界面無裂縫產(chǎn)生，卡具裝置連接穩(wěn)固，防松螺栓未發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象。

表4 疲勞試驗(yàn)過程中實(shí)測(cè)接觸電阻值 μΩ

5 結(jié)語

本文針對(duì)城市軌道交通均回流電纜與鋼軌既有連接方式的弊端，設(shè)計(jì)了膠粘卡接新型連接方式；結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和工況，提出了膠粘卡接方式的設(shè)計(jì)目標(biāo)值，并通過仿真計(jì)算和一系列的室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行了驗(yàn)證。該連接方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工簡(jiǎn)便、無損鋼軌、電阻小、維修更換快等優(yōu)點(diǎn)；在施工和養(yǎng)護(hù)維修過程中僅需電務(wù)專業(yè)人員實(shí)施即可，無需工務(wù)人員配合，清晰劃分了工務(wù)與電務(wù)專業(yè)的工作界面，具有良好的應(yīng)用前景。下一步，膠粘卡接方式通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段鋪設(shè)，積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)后可推廣采用。