钢铝复合轨生产及不锈钢带冲孔冷弯技术的应用

冀 炎，张 晶

（1．中铁高铁电气装备股份有限公司，陕西 宝鸡 721013；2．济南普玛金属科技有限公司，山东 济南 250022）

接触轨被城市轨道交通行业称为“第三轨”，它通过集电靴与复合轨的接触来实现的电力的输送，将电能传输给电客列车时要时刻保证地铁的正常供电和稳定运行。这就对接轨轨设备有相当高的要求，作为主要部件的钢铝复合轨尤其重要，是将电能传输到地铁和城市轨道交通系统电力牵引车辆上的装置中的生命线。

对城市轨道交通而言，运输密度大，间隔小，在夜间停运很短的时间内进行定期检修比较困难。维修工作不均衡会造成劳动力组织的困难与浪费，因此基础设施的少维修化具有非常重要的意义，显然第三轨受流在这方面具有优势。另外对于运营维护来说，第三轨作业不需要专门的触网作业车，也能够节约很大的维修成本投入。

钢铝复合接触轨是上世纪70年代出现的新型导电轨，该产品以其导电性好、安全系数高、维护成本小、防腐性能及耐磨性好、供电距离长、工程土方量小、城市景观好、安装方便等优点，已成为城市轨道交通发展的主导方向，有着很重要的现实意义和经济价值。本文着重介绍复合轨的应用和重要材料——不锈钢带的冷弯工艺、设备及其复合技术。

1 接触轨的发展历史

接触轨是沿线路敷设为地铁和城市轨道交通系统电力牵引车辆提供电能的装置。它是一种古老的电力牵引车辆供电形式，早在18世纪90年代就有接触轨雏形的产生。接触轨由于传输电流大，重量轻以及安装方便而得到广泛应用。导电接触轨主要应用于城市轨道交通，接触轨材料分为两种：一种为低碳钢材质，另一种为（不锈）钢铝复合材质。接触轨早期采用的是低碳钢材料，低碳钢材料制造的接触轨重量大（51.36kg/m），电阻率高。国外发达国家在上世纪初期也采用的是传统的低碳钢导电轨，位于伦敦第一条电气化地铁1890年开通使用第三轨供电方式，第三轨早期使用的就是低碳钢轨，如北京、天津早期的地铁。

20世纪70年代末出现了一种新型的接触轨-钢铝复合接触轨。随着地铁和城轨交通事业的发展，为了加大导电轨的一次输电距离、改善受流条件、减小机械磨损和电腐蚀、提高经济和社会效应,推出了钢铝复合导电轨。德国在1978年建成了世界上第一段钢铝复合轨，运行长度为3.3km。

国内应用概况：低碳钢接触轨的历史悠久，自1965年北京建造我国第一条地铁线以来，在本世纪前我国已有3个城市6条地铁线路采用了接触轨系统，分别是：1969年通车的北京地铁1号线，1984年通车北京地2号(环线)工程、天津地铁1号线中段、1999年9月通车的北京地铁复八线工程、北京地铁13号线工程(即北京城市铁路工程)，武汉轨道交通1号线一期工程。另外，由中国援建的1984年开通的朝鲜平壤地铁，以及由中国承建的2000年2月21日开通一期工程的伊朗德黑兰地铁，用了接触轨系统。这些线路总长度超过200km。

伴随着我国地铁建设事业的发展，接触轨技术也走过了近40年的发展历程，这期间接触轨技术不断发展。近些年国内逐步使用钢铝复合轨，国内武汉首次采用，目前北京、天津、广州地铁已广泛采用，如北京地铁5号、10号线、广州市轨道交通4号线等等。

2 接触轨系统简介

2.1 构成

接触轨系统由两部分组成：正极供电网，负极供电网。

供电网由接触轨、端部弯头、中间接头、电缆连接板、膨胀接头、绝缘支架或绝缘子、绝缘防护罩、中心锚结、隔离开关、电缆等组成；回流网由回流轨、有关电气设备及电缆等组成。

接触轨系统主要由钢铝复合轨(包括铝轨本体和不锈钢带)、中间接头、膨胀接头、电缆连接板、端部弯头、中心锚结、接触轨支架、接触轨防护罩及支撑卡等相关部件组成。

2.2 钢铝复合接触轨

钢铝复合轨，顾名思义就是钢材和铝材通过某种机械或物理方式结合而成的接触轨。它是由轻质的导电铝轨本体和非常耐磨的不锈钢接触面构成。轨身由高强度耐腐蚀铝合金挤压而成；接触面是连续的不小于4.8mm厚的不锈钢带（一般为5～6mm）。基体材料为铝材，因此它与低碳钢接触轨相比，具有重量轻，电阻小的特点。

“铝合金”具有导电性高、导热性好、耐腐蚀、吸震隔音、比重轻等优点，但其弱点是：强度较低，耐磨性差；为了增加接触轨的耐磨性能，将不锈钢带作为接触面，这使钢铝复合接触轨的寿命可以达到30～50年以上。而“不锈钢”具有强度及硬度高、耐磨性及延展性好等优点。由这两种材料制成的层叠复合材料兼备了铝和钢的双重优点，又克服了两者的不足之处，因此成为了一种理想的导电轨复合材料。

2.3 三轨的其他特点

随着钢铝复合轨的使用，电阻率更低、牵引网损耗小、供电距离更长、需要的变电所数目减少，建设成本愈发低廉。其优点主要有：

（1）第三轨安装在轨道梁上，电动车辆取流靴与第三轨接触面大且对其磨损极小。采用第三轨式接触网的优点是工程易于安装，检修方便、维护简单，寿命长。由于其单位电阻值低，因此可减少牵引变电所的数量和投资，降低能耗。从实际运行情况看，第三轨磨损也较小，寿命更长，维护次数少，因此第三轨维护成本较低。如图1所示。

图1 “三轨”安装示意图

（2）从维护成本看，由于第三轨铺在轨道上，不需要高架网的轨道车便可方便检修和维护。采用第三轨供电，尽管建设阶段造价较高，但节省了架电杆、土方、用材、施工、维修等大量工程和费用，而今后的可靠性高，维修费用低，设计使用期长达30～50年，其经济效益不可估量。据粗略调查，北京地铁运营30年，第三轨端面磨耗仅4～5mm，基本上可以做到无维修或少维修，因而也就相应减少了维修费用。

（3）采用第三轨方式供电，即通过集电靴（钢铝复合材料）供电，用电时放下集电靴，不用时可以收起集电靴（犹如飞机的起落架）。

（4）接触轨安装直接在地面进行，安装简便易行，相比接处网、刚性悬挂等地铁受流方式均更便于安装及维护。初期投资相对接触网、刚性悬挂略高，但就长期价值进行比对，具有后续维护量小、维护简便的优点。

（5）第三轨供电与公路交通相比，具有没有尾气，噪声小，拥有独立的通道和路线，便于集中管理，占地面积小，节能减排等优势，提高了土地使用率，大大节约了土地使用面积。

2.4 接触轨的安装形式

如图2所示，钢铝复合接触轨的安装类似钢轨，其安装在绝缘支架上与木枕、混凝土轨枕或者其它基座相连。

图2 三轨的安装形式

接触轨通过集电靴将电能传输给车辆。根据集电靴从接触轨的取流方式不同，接触轨的安装方式可分为：上接触、下接触、侧接触三种方式。法国、美国、英国一直采用易于安装的上接触设计。我国的北京地铁一号线、北京地铁2号线工程、北京地铁复八线工程等接触轨也属于上接触方式。而德国、俄罗斯、奥地利和欧洲其他国家主要采用下接触方式。我国投入运营的武汉地铁一期、广州地铁4号线也属于下接触方式，深圳市轨道交通二期龙岗线钢铝复合轨安装方式也属于下接触。侧接触方式由于安装精度要求高，用的较少，只在四轨系统有应用。

3 钢铝复合接触轨的构成及种类

不锈钢带同导电铝轨本体机械复合，确保了它们之间的金属结合，从而保证铝和不锈钢带间的较小的接触电阻。20℃时，3000A复合轨的直流电阻不超过8.3μΩ/m。复合轨供货长度为15m，每根3000A接触轨的重量约为218kg。正在急剧增长的地铁不锈钢型材也是其中一类，长度达近20m，品种有十几个规格。

目前常见的有三种结构：①侧焊复合式（图3）；②上焊复合式（图4）；③冲孔铆接式（图5）。

图3 侧焊复合式结构

图4 上焊复合式

图5 冲孔铆接式

4 不锈钢带生产技术

接触轨的主要技术性能考核指标是耐磨性和导电性能，为降低不锈钢带和铝轨本体之间的接触电阻，不管采用何种工艺复合，必须保证它们之间的密贴接触，不得出现结合缝隙，否则就要降低导电性能。

4.1 不锈钢带的种类

无论是哪种形式的钢铝复合轨，其铝轨本体均为挤压直接成型的，精度比较容易保证。而不锈钢带是作为另一个关键的零件的不锈钢带，则根据复合轨的形式不同有三种规格：

（1）冲铆式不锈钢带，见图6，需要在冷弯成型前称、腿高对称，腿高尽可能小，降低铝轨槽深（一般16mm～20mm）。

下面着重介绍冲铆式不锈钢带的冷弯工艺及自动化生产过程。

4.2 冷弯成型自动生产线

4.2.1 生产线技术参数

适用板材 304不锈钢（06Cr19Ni10） Rm=450MPaRpo≥280MPa

适用板厚 Max 6mm

过料宽度 96～126.5mm±0.2mm

卷料内径 ø508mm～ø610mm

生产线速度 2～6m/min

06Cr19Ni10材料性能参数如表1所示。冲孔、压印，以利于铆接。

表1 06Cr19Ni10性能参数

（2）侧焊复合式，类似上一种，不冲孔，成型后再增加不锈钢边条，经过焊接与铝轨本体成为一体。这种不锈钢带用材较宽，焊接工艺难度相对较大，对铝轨的侧下边的形状、尺寸要求也变高。

（3）上焊复合式，就是钢带分成两条，侧边辊压成型和铝轨弥合，焊接为中缝焊接，即工作面上有焊缝，需要增加铣削工序来做中完成复合轨产品。

不锈钢带的冷弯成型工艺必须满足：①钢带的工作表面平面度小于0.1mm；②在15m甚至长达20m的长度方向上，不锈钢带的内表面（结合面）与铝轨的接触面形位公差一致，确保均匀密贴接触，满足复合工艺要求；③如果是焊接式钢带，钢带两腿高及形状必须高度对称、边沿光滑，以防止二次焊接时产生新的缺陷；④如果是冲铆式钢带，钢带两侧的铆接孔，在长度方向上均布，积累误差要小；两侧孔对

图6 不锈钢带冲孔（压印）

4.2.2 工艺流程及生产线

工艺流程如图7所示。

图7 冷弯成型生产线工艺流程

如图8所示，冷弯成型生产线包括开卷机、引料校平机、剪切对焊平台、伺服送料机、冲孔机、冷弯成型机、定尺切断机、出料架、液压系统、电气控制系统；伺服送料机和冲孔机用来在钢带两侧边冲孔并压印，在冷弯成型机后设有定尺切断机。

这种生产线结构新颖，使用卷料一次成型，可实现在线冲孔、使钢带加工序简便，可连续稳定生产，效率高；整条生产线自动化程度高，生产的不锈钢带质量稳定，性能良好，可满足批量生产钢铝复合轨的生产要求。目前多条生产线在国内运行，完全国产化生产不锈钢带。

4.2.3 钢带冷弯自动生产线技术要点

（1）使用卷料是自动化的保证，由于钢带厚而较软，易划伤。液压涨紧、导料压料、铲头是必要的。开卷也是安全隐患处和影响生产效率等的重要成本控制点。

图8 生产线示意图

（2）冲孔、压印是冲铆式复合轨（不锈钢带）加工必不可少的环节，其自动化、柔性化非常必要。对于非冲铆式复合轨，不锈钢带的加工则可省掉这一工序。

（3）冷弯成型机主要是要刚性好，变形合理。保证钢带的截面尺寸精度和直线度、边缘形状等。

（4）自动化控制技术以及齐头对焊设备的应用，使生产线达到不停机、基本无废料生产。特别是对于冲铆式不锈钢带的生产，这一点尤为重要。

（5）冲铆式钢铝复合轨在复合前将钢带放入铝轨预制的型腔内，铝轨两侧腿已将钢带两侧的小孔覆盖，小孔变成盲孔。不锈钢带冷弯自动化生产中的压印工艺，可以消除钢带冲孔、成型加工的制造系统误差和接触轨复合过程进给时产生的系统误差。

冲铆式复合轨的使用也使不锈钢带与铝轨复合技术提供了一个新的途径，使钢铝复合轨的生产自动化程度更高、更简单，而且更节约、更环保。

总之，不锈钢带冷弯、厚板小孔冲裁工艺研究、模具设计以及冷弯技术应用，对于特殊材质、中厚板高精度小型冷弯型材的生产技术具有一定的理论指导意义。

5 钢铝复合轨的自动化生产

前两种是铝轨本体侧边带燕尾的钢铝复合导电轨，不锈钢经焊接或其他工艺扣住两个侧边，使铝合金型材与不锈钢带紧密结合，形成一体。

5.1 中缝焊接复合

钢带通过辊压或模压的方法制成两个J形。将制好的两个J形钢带分别钩在铝本体的两侧，对钢带的顶面和侧面同时加压，使其与铝本体密贴，并使两个J形钢带的顶面处于一个平面内，在保压的条件下，将两个J形钢带的接缝焊合，最后将焊缝修（铣）平即可。缺点是：①焊接过程的热影响使钢铝材料的局部组织和性能发生变化，对复合前的形状和表面质量都有影响，且难于消除，影响钢铝复合轨的整体质量；②钢带尺寸较其它类型大，重量重，易因偶然因素而造成两金属层的相互移位；③受制造技术的限制，其钢带的厚度不能作的较厚，只适合于轻轨的场合，不太适合当今地铁及高速铁路的要求；④必须沿整个钢铝复合轨纵向进行焊接，需要焊接专用设备，工序复杂，对焊接技术及机加工精度要求高，对要求极高的钢带的平直度及平顺性有较大影响；⑤钢、铝间同样存在缝隙，接触电阻大，腐蚀介质易侵入来实现。

5.2 侧焊式复合

其模式同上，但对U型钢带腿高、铝轨截面形状要求更高，而且还需要过渡钢带，结构复杂，用材较多，成本也相应较高。

5.3 机械复合

其结构相对简单，复合时的牢固度决定了接触轨导电性、电流容量和使用寿命。

不锈钢钢带及铝轨材料准备→机械复合→切断、钻孔→打磨→包装。冲铆式钢铝复合过程如图9所示。

铆接式复合轨本体由铝轨和不锈钢带两个件组成，铝轨的电刷面上复合有不锈钢带，二者的复合界面实现无间隙结合，最大程度地节省了材料、加工方法更环保。

图9 复合轨成形

生产工艺为铝轨本体单独挤压成型，预先辊压成型加工成平直的不锈钢带自由嵌入铝轨槽内，不锈钢带辊压时两侧预先制好排气孔。先将处理好的不锈钢带扣入铝本体，使两者完全吻合，然后采用模压的方式，对轨头的上面加压，使钢带槽底内面与铝本体上面之间形成一定的压应力，在保压的同时，对铝本体轨头部分两侧面同时加压，使铝本体紧紧包住钢带，同时在铝本体上正对着钢带壁板小孔的部位外侧面铆压，形成圆柱形凹坑，则在内侧面形成圆柱形凸起并嵌入钢带壁板上的圆孔内，使钢铝结合的界面间形成了足够的应力，实现密贴的要求，同时也形成了凸凹连接功能，从而使不锈钢带与铝轨紧密连接。在外力冲击和运行振动的情况下，其连接仍是可靠的、密切的，即使钢带的顶部全部磨完，也不会剥落。但其缺点是需要专用设备，工序复杂，对母材挤压技术及机加工精度要求高，要求有极高的钢带平直度、冲孔精度。