钢铝复合轨在北京市轨道交通大兴线工程中的应用

刘 岗

(中铁电气化勘测设计研究院接触网设计所，天津 300250)

1 接触轨工程概况

北京市轨道交通大兴线正线线路全长21.8 km,其中高架段及过渡段长约4.35 km,其余为地下段。全线共设11座车站,其中地下站10座,高架站1座(西红门站),另在南兆路站设车辆段1座。全线电化线路机车行进方向的左侧均铺设接触轨,在道岔、车站、人防门等特殊区段接触轨需断开或换边铺设。供电系统采用10 kV开闭所双环网供电方式。

电动车组编组为3动3拖,受电方式为DC750V接触轨上接触受电方式,接触轨采用钢铝复合接触轨,最高行车速度为80 km/h。

2 接触轨形式及受流方式的确定

钢铝复合接触轨与低碳钢接触轨相比,具有以下优点：载流量大、供电距离长、耐腐蚀性强、使用寿命长。

目前国内采用接触轨的轨道交通工程均采用钢铝复合接触轨,因此不再对低碳钢轨及钢铝复合接触轨进行比较。

传统的接触轨受流方式主要有3种,即：上部受流、下部受流和侧部受流。侧部受流除重庆地铁的跨座式地铁为类似侧部受流方式外,目前国内尚无其他实例,侧部受流方式的最大优势是对侧面的限界要求较小,在国外通常用于限界条件较差的旧线改造工程。按照目前现行的国家标准,采用B1型车辆的受流方式只有上部受流和下部受流两种方式,因此侧部受流方式不在此做深入地讨论。上、下部受流方式技术特点如表1所示。

表1 上部受流方式和下部受流方式的综合技术性能比较

通过表1可以看出,上、下部两种受流方式在经济比较方面没有较大差别,在技术的成熟性方面也是相当,只是在某些功能方面略有差异,主要集中在运营安全和系统兼容性两个方面,从提高运营安全的角度出发,采用下部受流方式则更加适宜,而当重点考虑与北京地铁既有线的兼容性则上部受流方式更为适宜。相比较而言,上接触受流方式安装简单,受流质量平稳可靠,适于隧道内安装。

北京地铁4号线采用了钢铝复合接触轨上部安装方式,大兴线与4号线在公益西桥站南侧接轨并贯通运营,为实现路网和车辆资源共享,保持与4号线的一致性,因此,北京地铁大兴线工程接触轨系统采用了DC750V上接触受流方式的钢铝复合轨系统。

3 钢铝复合轨的功能及技术特点

供电系统通过钢铝复合接触轨系统将电能持续不断地输送给列车,以保证列车安全正常运行。由于接触轨系统是无备用的供电装置,受气象条件等影响比较大,因此,保证接触轨系统的运行可靠是地铁列车安全正常运行的必要条件。

接触轨系统包括钢铝复合轨、接触轨接头、端部弯头、电缆连接板、中心锚结、端部弯头及接触轨防护系统。

3.1 接触轨的形式

大兴线采用了ASS5100型接触轨,其技术参数见表2。

ASS5100型接触轨的不锈钢带是由1Cr17不锈钢材料预加工制成，其组成成分中17%的铬保证了接触轨具有优良的耐腐蚀性和抗电腐蚀性。其接触面的有效宽度为65 mm。铝轨体的材质为铝合金6063 T6。采用冷压机械复合成型,不锈钢带预加工成“C”字形,并在磨耗层两侧沿纵向留有1排相同间距的小孔,将铝合金压嵌入不锈钢带预先加工好的孔洞中,形成榫接。钢铝复合工艺如图1所示。复合时将不锈钢带紧压在铝轨上,并通过实施间隙检测,确保钢铝结合面最大间隙不大于0.2 mm。

表2 大兴线钢铝复合接触轨技术参数

图1 钢铝复合工艺示意

3.2 接触轨安装位置

接触轨安装在列车行进方向的左侧,在有道岔等特殊区段,为保证可靠供电的要求,换边敷设布置。接触轨中心线至相邻走行轨内侧工作边的水平距离为(700±5)mm,接触轨轨顶面至走行轨轨面连线的垂直距离为(140±5)mm。

3.3 接触轨安装方式

在整体道床、减震器扣件道床、明挖及暗挖隧道浮置板道床区段采用接触轨与短轨枕合架方式安装,接触轨通过绝缘支座安装固定在加长短轨枕上,绝缘支座与加长短轨枕之间通过预埋于轨枕内的尼龙套管用螺纹道钉进行固定,接触轨与绝缘支座之间采用扣板连接,扣板与接触轨之间留有0.5 mm的间隙,以利于接触轨在温度变化时沿纵向自由伸缩。道岔区、断轨的端部弯头处、梯形轨枕、圆形隧道浮置板道床等区段，由于轨道不具备接触轨合架的条件,而采用胀锚螺栓将整体绝缘支架直接固定在道床上。在车辆段木轨枕区段,用木螺纹道钉直接将整体绝缘支座固定在加长木枕上。预留尼龙套管及加长木枕的布置原则一般为每7根或6根轨枕布置1个,跨距不大于4 600 mm。图2为大兴线现场接触轨安装照片。

图2 现场接触轨安装

3.4 接触轨的锚段设置

钢铝复合轨2组膨胀接头之间的膨胀伸缩补偿段称之为一个锚段。锚段长度通过接触轨的膨胀伸缩补偿范围计算来确定,膨胀伸缩间隙通过如下公式计算

s=α×ΔT×L

式中s——接触轨膨胀伸缩间隙；

α——钢铝复合接触轨的综合热膨胀系数；

ΔT——温差(地面段计算温度范围：-25～+85 ℃；隧道内计算温度范围：0～+85 ℃)；

L——锚段长度。

南京赛彤的膨胀接头最大膨胀间隙为200 mm,通过上述分析并考虑相应的产品误差及安装误差等综合因素,计算结果为地面及高架区段采用70 m为一锚段,地下隧道内采用105 m为一锚段,隧道进出口内的最后2个锚段应按地面段考虑。

3.5 接触轨接头

接触轨接头分为正常接头和膨胀接头2种。正常接头通过同材质的鱼尾板安装在成品接触轨之间以及接触轨端部与端部弯头之间,中间接缝密贴,连接可靠。膨胀接头安装在长轨与长轨之间。由于环境温度的变化或运行中电流传输都会造成接触轨长度的变化。接触轨长度的变化造成的纵向应力要补偿。因此需要安装膨胀接头在机械和电气特性两方面连接2根长轨中间的空隙。膨胀接头分成3段接触轨,中间轨较短,两侧轨较长,长轨与短轨之间通过鱼尾板连接,连接处接触轨对角按30°切角(即膨胀接头处接触轨的接缝为斜角),以保证受流器能够顺利通过膨胀接头,2根长轨上开长孔,以长孔的尺寸补偿温度变化引起的膨胀行程。接触轨的电气连接依靠安装在膨胀接头底部可以相对运动的镀银软椭圆铜排来实现,保证电气连接可靠,而且不会产生电化学腐蚀。膨胀接头的总长为1 600 mm,膨胀接头的间隙根据安装曲线确定。

3.6 接触轨标准长度

根据这2个锚段长度以及连接处鱼尾板尽量设置于2个支撑点之间的原则进行标准轨配轨,从而减少锯轨,避免浪费。根据计算,标准轨长度为16.7 m及17.5 m。

在地面及高架区段：锚段长度70 m=16.7 m+17.5 m+17.5 m+16.7 m+1.6 m(膨胀接头长度)。

在地下区段：锚段长度105 m=16.7 m+17.5 m×4+16.7 m+1.6 m(膨胀接头长度)。

通过以上2个算式可以看出,通过配轨,基本杜绝了接触轨锯轨,最大限度地提高了接触轨的利用率。

3.7 中心锚结设置

接触轨每个锚段中部均设置中心锚结,保证锚段内接触轨在温度变化时能够均匀地向两侧伸缩。当线路坡度小于20‰时,锚段中部设置1组中心锚结,当线路坡度大于等于20‰而小于40‰时,应设置2组中心锚结,当线路坡度大于等于40‰时,应设置3组中心锚结。每一套中心锚结是由4个不锈钢铸件和2套不锈钢紧固件组成,铸件通过螺栓、螺母从两侧紧紧夹在接触轨的底座上,从而起到防窜的作用。

3.8 接触轨断轨设置

接触轨自然断开称之为断轨,根据作用不同断轨分为电不分段和电分段2种形式。

电不分段主要指接触轨自然断开,在接触轨断轨处,接触轨端部均需安装端部弯头,正线区段安装高速端部弯头,其余区段安装低速端部弯头,两断轨间用电缆进行电气连接,断口大小根据具体情况确定。接触轨需要在以下部位设置电不分段：道岔处；人防门处；区间联络通道处；平交道口处；车库库房内。

正线电分段应满足正常运营情况下双边供电、一个变电所解列时构成大双边供电的原则；车辆段和停车场电分段应满足供电需要,同时考虑接触轨检修需要设置。两断轨间电气不连接,断口长度为14 m。接触轨需要在以下部位设置电分段：在设有牵引变电所的正线车站的车辆进站惰行侧；正线与停车线、折返线之间；正线与车辆段、停车场之间；车辆段各供电分区之间。

车场内供电分区需结合段内各线路功能进行设置,以利于段内行车的运营组织和线路的维修管理。

在接触轨的布置中,应体现少断轨原则。根据线路的实际情况,尽量选用道岔、人防门等处的断轨做电分段。

3.9 端部弯头设置

为保证列车集电靴平滑搭接或离开接触轨,在接触轨的端部设置具有适量纵向坡度的端部弯头。正线采用高速弯头,坡度为1∶50,长5.1 m；低速(低于35 km/h)通过区段可采用低速弯头,坡度为1∶30,长3.4 m。端部弯头是由接触轨加工而成的,其连接鱼尾板的端部没有坡度,与接触轨有同样的截面和高度公差,从而与接触轨之间连接密贴,不会形成高低差,保证受流器顺利通过。每一个端部弯头的尾部都经过预弯,坡度更大一些,这样能保证端部弯头具有更好的自熄弧特性。

3.10 电连接

在以下部位设置电连接：正线除电分段外,其余所有断轨之间须设电连接；辅助线与正线之间的衔接处通过隔离开关设电连接；车辆段库内两停车段之间的接触轨断轨须设电连接；电连接与接触轨的连接点一般距接触轨端部应大于端部弯头的长度。

正线电分段处,两侧接触轨经8×240 mm2电缆均与馈电开关连接,馈电开关的另一侧经6×400 mm2电缆接至牵引变电所直流开关柜,电分段两侧馈电开关柜出线之间设联络开关,以实现越区供电的要求。电连接在接触轨的连接点一般距接触轨端部弯头端部6 600 mm处。

3.11 接触轨防护系统

全线均安装接触轨防护罩,防护罩由防护板和防护板支架组成,防护罩与接触轨同侧安装,防护板通过螺栓安装在防护支架上,防护支架通过螺栓固定在接触轨上,并与接触轨支撑底座错开布置,防护支架间距一般为2.18 m。在接触轨端部弯头处,防护罩通过落地防护支架固定于支撑底座上。防护板和防护板支架均为玻璃纤维增强树酯采用高温模压或拉挤工艺制成,具有在2 m左右间距时,120 kg的重物放上及移开后不发生断裂或破碎,并能返回到原来的形状和位置的机械特性,防止紧急状态下人踩踏时发生事故。图3为大兴线接触轨防护罩安装现场照片。

图3 接触轨防护罩安装现场

4 结语

随着钢铝复合接触轨技术的不断发展及其在国内多条轨道交通线路上的采用,钢铝复合接触轨系统良好的景观效果、系统免维护性能方面得到了业内人士的广泛好评,已成为国内轨道交通主流供电制式之一。

参考文献：

[1]朱晓军，姜坚白，孙京健，等.钢铝复合轨试验线的研究[J].铁道标准设计，2007(10)：58-61.

[2]金 鹏，朱晓军.钢铝复合轨在北京地铁5号线工程中的应用研究[J].铁道标准设计，2007(10)：75-78.

[3]刘卫强，李相泉.钢铝复合接触轨系统概述[J].铁道标准设计，2007(10)：79-82.