跨座式单轨系统接触轨选型分析

于素芬



跨座式单轨系统接触轨选型分析

于素芬

介绍了目前国内跨座式单轨侧部授流系统中接触轨的几种结构型式，重点对工字轨和C型轨进行比较分析，提出了适合于跨座式单轨系统接触轨的结构型式。

工字轨；C型轨；选型

0 引言

跨座式单轨列车采用胶轮作为走行轮支撑车体，走行时会发生横向、垂直方向位移。根据目前对跨座式单轨车辆动态包络线情况的分析，在不同运行工况下，车辆横向位移偏移量较小，垂直方向位移偏移量较大。针对该特点，应为跨座式单轨列车选择一种较为适合的接触轨结构型式。

1 接触轨类型简介

目前，可用于侧部授流的接触轨主要有C型钢铝复合轨、工字型钢铝复合轨、T型汇流排+滑触线3种型式。图1所示为国内外采用不同制式的接触轨单轨工程应用实例。

图1 国内外接触轨工程应用实例

2 钢铝复合轨与汇流排的选择

针对跨座式单轨交通，若采用柔性接触网（T型汇流排+滑触线）作为移动供电方式，其接触位置通流密度较授流面更宽的接触轨将大幅增大，从而更易引起电弧烧蚀。若采用接触轨结构型式，无需考虑拉出值，便于系统安装。因此，从安全性、平顺性、安装便捷性及经济性等方面考虑，采用接触轨方式比T型汇流排+滑触线方式更具优势。表1所示为汇流排与接触轨主要特点对比。

同时，考虑到T型汇流排+滑触线的结构型式存在施工工艺复杂、安装调整困难、系统寿命短、与工程拟采用车辆的集电装置不匹配等因素，单轨工程中不再进行分析考虑，下文主要针对C型钢铝复合轨（简称C型轨）和工字型钢铝复合轨（简称工字轨）进行比较分析。

3 工字轨与C型轨的比较分析

由于C型轨和工字轨采用不同的截面形状，在限界、授流面尺寸、辅件（绝缘支架、膨胀接头等）类型、安装方式等诸多方面存在差异，在选型分析时，从系统整体安全性、稳定性、授流平顺性、安装便捷性、经济性等方面对两者进行对比，旨在为项目的接触轨选型提供科学客观的参考依据。

表1 汇流排与接触轨特点对比

3.1 有效授流面

由于跨座式单轨列车依靠胶轮支撑，走行时会因载客量的不同或极端条件（如爆胎等）发生Y向（垂直方向）位移，进而造成列车在接触轨授流面沿Y向上下移动。更大的接触轨授流面可为车辆行驶提供更大的安全冗余，同时减少由于车辆运行时授流器因接触面发生变化引起的烧蚀，从而降低其运营维护工作量，提升使用寿命。

图2所示为C型轨与工字轨截面对比示意图，图中工字轨为巴西圣保罗Tiradentes单轨项目拟选用的与Innovia车型配套的接触轨。由图可见，C型轨的有效授流面宽度为100 mm，较巴西圣保罗Tiradentes项目所采用的工字型接触轨68.9 mm授流面宽度提升约45%。目前国产工字轨产品的授流面宽度仅为65 mm，意味着车辆在发生Y向位移（特别是授流器靴面会部分错开轨面）时，拥有更大授流面的C型轨可以为车辆授流器提供更大的接触面，从而实现更稳定的授流。

图2 2种接触轨截面对比

以庞巴迪跨座式单轨车辆Innovia在巴西圣保罗Tiradentes项目中不同工况条件下授流器在接触轨轨面的位置情况（静态）为例，在静态状态下，当车辆处于空载（AW0）时，授流器上沿与接触轨授流面上沿齐平，与车辆在满载状态时（AW2）一样，授流器与接触轨接触良好；当车辆处于故障状态（爆胎）时，车体发生下沉，授流器与接触轨发生错位。当车辆处于动态行驶状态下，由于路幅的颠簸和车辆行驶速度发生变化而引起的车辆起伏都将影响授流器的Y向位移，此时，更宽大的授流轨面必将为授流器提供更安全充裕的冗余，提供更好的授流条件。

此外，更大的授流面可以更大程度上避免授流器与接触轨发生错位导致的偏磨（图3所示为工字轨因授流器发生偏磨的实物照片），从而减少由此引起的烧损及授流器频繁更换造成的维护成本。

图3 授流器未完全接触接触轨导致偏磨

图4所示为C型轨与巴西圣保罗Tiradentes项目选用的工字轨在不同工况条件下相互位置关系示意图。当接触轨在相同安装高度条件下，授流器高度为68 mm（巴西圣保罗Tiradentes项目）时，C型轨在各种工况条件下授流器与接触轨的授流面接触情况均优于工字轨。其原因在于C型轨授流面宽大且平直，无工字轨由于其固有生产工艺造成的接触面边缘圆角。

图4 不同工况C型轨与工字轨对比示意图

根据庞巴迪300型车辆不同工况条件下位移+32～-57 mm（0位为AW2工况时的工作高度）的情况，其最大位移量达到了89 mm，这就意味着为满足各种工况下授流器均可稳定授流，必须保证接触轨的有效授流面宽度大于89 mm。目前的工字型接触轨产品还尚未达到该项技术指标要求，而长沙磁浮快线使用的C型轨授流面可达到100 mm的需求。

由上可知，C型轨较工字轨拥有更宽的授流面，可为跨座式单轨车辆提供更好的授流条件，具有显著优势。

3.2 限界/绝缘净空

单轨车辆集电器工作面与梁面之间的距离较小（仅为140 mm），为保证接触轨系统的安装空间及绝缘要求，系统对接触轨的安装限界要求十分严格。以C型轨和工字轨均可满足授流需要的载流量为前提，对两者所需的安装空间及对应的绝缘净空进行对比，如表2所示。

表2 2种钢铝复合轨限界/绝缘净空对比

3.3 授流平顺性

作为车辆供电的主要载体，接触轨应为车辆运行提供安全平稳的供电。其供电方式是由车载授流器与接触轨轨面的接触进行电能传输，除应考虑轨面的有效授流面宽度外，还应考虑接触轨轨面的平顺性。

无论是工字轨还是C型轨，其单位长度轨体表面的平顺性指标均在制造商厂内进行控制，目前主要的接触轨供货商所供产品均满足要求。除此之外，影响其平顺性的关键因素还包括轨体进行连接时的连接方式、精度控制，以及接触轨线路布置所需的膨胀接头等。

3.3.1 中间接头

图5所示为2种轨型中间接头连接方式对比示意，工字轨采用在轨腰部打孔，通过鱼尾板进行紧固连接的方式，其轨面的平顺性（高差）由工字轨腰部与鱼尾板连接面的加工精度保证。C型轨采用内外芯板通过螺栓紧固夹持的方式进行连接，其轨面的平顺性（高差）由轨体与内外芯板接触面的加工精度保证。目前接触轨采用的铝合金本体部分通常采用挤压成型工艺完成，2种轨型的尺寸精度处于同一水平。工字轨精度控制面为异型，无法通过后续加工提高精度，C型轨可通过接头部分精加工提高精度，或可为其中间接头连接部分提供更高的连接精度，避免在轨体上打孔（影响连接固定精度），具有一定优势。据调研，目前工字轨接头处连接精度为±0.5mm，C型轨接头处连接精度可达到±0.1 mm。

图5 2种接触轨轨体连接方式对比

3.3.2 膨胀接头

图6所示为接触轨常用的膨胀接头示意图，主要分为单缝式、双缝式、梳状缝式3类。传统的膨胀接头均采用预留伸缩缝形式来解决由于温度变化引起的轨体长度变化，其缺点是该预留伸缩缝将对车辆的授流产生波动，影响其授流平顺性，并增加授流器经过该处时的损耗，进而增加运营成本。

图6 传统膨胀接头

据了解，目前已有接触轨制造商开发了无缝膨胀接头，并已通过型式试验验证。其原理是将沿线路方向的轨体尺寸随温度的变化通过楔形结构转变为垂直线路方向，在实现轨体伸缩变化的同时保障了两侧轨面的紧密连接，同时实现了电连接功能。如图7所示。

图7 无缝膨胀接头

若可将无缝膨胀接头应用于跨座式单轨用接触轨系统，不仅可消除原有预留伸缩缝对车辆授流产生的波动影响，同时可避免授流器经过该处时的损耗，进而降低运营成本。

以C型轨为例，因其较工字轨刚柔度更为适度，在弯道处安装无需预弯，且在道岔处可实现连续可挠，避免了工字轨在道岔处安装时因其刚度过大而出现断轨和折点，并辅之以无缝膨胀接头在道岔处的布置，可以对道岔转辙时内外侧接触轨因弯曲半径不同引起的长度方向的尺寸变化进行无缝补偿，从而实现接触轨系统全线的无缝安装。

3.4 安装便捷性

以轨体安装为例，C型轨采用旋转式内卡固定，安装时可悬挂于支座上，便于定位及安装，且其轨体刚柔度适中，安装应力小，便于调整，弯道处可实现弹性过弯，无需预弯。工字轨采用鱼尾板连接固定方式，无法预先定位，其轨体刚度亦过大，安装应力大，不便于调整，且在弯道处需进行预弯。在安装便捷性方面，C型轨优于工字轨。

在辅件安装方面，工字轨配套辅件除在安装后存在侵界的情况外，其安装时还需在轨体上进行打孔，一定程度上将破坏轨体强度，且增加了安装施工难度，同时会影响其安装精度，而C型轨安装时则无需进行轨体打孔。

3.5 耐候性

用于侧部授流的工况条件下，工字轨“腰部”开口向上，较C型轨更易积水结冰，甚至延伸至授流面，存在一定安全隐患，或增加运维工作量；C型轨其槽装部分均隐匿于轨体内部，不易积水结冰，更具优势。同时，C型轨外轮廓为矩形，接头、卡件等辅件可装入轨体内部，简洁美观；工字轨外轮廓较为复杂，接头、卡件等辅件外露，美观性稍逊，且其表面积较C型轨小，使其散热性能也逊于C型轨。

4 结语

由工字轨与C型轨在膨胀接头、分段绝缘器、中间接头、电连接等接触轨系统辅件方面的对比分析可以看出，现有工字轨无法满足绝缘要求，而C型接触轨系统较工字型接触轨系统具有更为紧凑的结构，可为单轨系统和车辆提供更大的安全冗余，更为可靠，具有明显优势。

在平顺性方面，C型轨辅之以无缝膨胀接头，可实现接触轨的全线无缝布置，从而提升了车辆行驶的平顺性、舒适性，减小了由此造成的授流器损耗，提升使用寿命，降低线路的后期运维成本。

综上分析，C型钢铝复合轨较工字型钢铝复合轨具有较宽的授流面、较低的限界需求、较好的授流平顺性、优良的耐候性等优点，可作为跨座式单轨侧部授流系统接触轨的最佳选择。

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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.中铁工程设计咨询集团有限公司，高级工程师。