于素芬

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跨座式單軌系統(tǒng)接觸軌選型分析

于素芬

介紹了目前國(guó)內(nèi)跨座式單軌側(cè)部授流系統(tǒng)中接觸軌的幾種結(jié)構(gòu)型式，重點(diǎn)對(duì)工字軌和C型軌進(jìn)行比較分析，提出了適合于跨座式單軌系統(tǒng)接觸軌的結(jié)構(gòu)型式。

工字軌；C型軌；選型

0 引言

跨座式單軌列車采用膠輪作為走行輪支撐車體，走行時(shí)會(huì)發(fā)生橫向、垂直方向位移。根據(jù)目前對(duì)跨座式單軌車輛動(dòng)態(tài)包絡(luò)線情況的分析，在不同運(yùn)行工況下，車輛橫向位移偏移量較小，垂直方向位移偏移量較大。針對(duì)該特點(diǎn)，應(yīng)為跨座式單軌列車選擇一種較為適合的接觸軌結(jié)構(gòu)型式。

1 接觸軌類型簡(jiǎn)介

目前，可用于側(cè)部授流的接觸軌主要有C型鋼鋁復(fù)合軌、工字型鋼鋁復(fù)合軌、T型匯流排+滑觸線3種型式。圖1所示為國(guó)內(nèi)外采用不同制式的接觸軌單軌工程應(yīng)用實(shí)例。

圖1 國(guó)內(nèi)外接觸軌工程應(yīng)用實(shí)例

2 鋼鋁復(fù)合軌與匯流排的選擇

針對(duì)跨座式單軌交通，若采用柔性接觸網(wǎng)（T型匯流排+滑觸線）作為移動(dòng)供電方式，其接觸位置通流密度較授流面更寬的接觸軌將大幅增大，從而更易引起電弧燒蝕。若采用接觸軌結(jié)構(gòu)型式，無(wú)需考慮拉出值，便于系統(tǒng)安裝。因此，從安全性、平順性、安裝便捷性及經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，采用接觸軌方式比T型匯流排+滑觸線方式更具優(yōu)勢(shì)。表1所示為匯流排與接觸軌主要特點(diǎn)對(duì)比。

同時(shí)，考慮到T型匯流排+滑觸線的結(jié)構(gòu)型式存在施工工藝復(fù)雜、安裝調(diào)整困難、系統(tǒng)壽命短、與工程擬采用車輛的集電裝置不匹配等因素，單軌工程中不再進(jìn)行分析考慮，下文主要針對(duì)C型鋼鋁復(fù)合軌（簡(jiǎn)稱C型軌）和工字型鋼鋁復(fù)合軌（簡(jiǎn)稱工字軌）進(jìn)行比較分析。

3 工字軌與C型軌的比較分析

由于C型軌和工字軌采用不同的截面形狀，在限界、授流面尺寸、輔件（絕緣支架、膨脹接頭等）類型、安裝方式等諸多方面存在差異，在選型分析時(shí)，從系統(tǒng)整體安全性、穩(wěn)定性、授流平順性、安裝便捷性、經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比，旨在為項(xiàng)目的接觸軌選型提供科學(xué)客觀的參考依據(jù)。

表1 匯流排與接觸軌特點(diǎn)對(duì)比

3.1 有效授流面

由于跨座式單軌列車依靠膠輪支撐，走行時(shí)會(huì)因載客量的不同或極端條件（如爆胎等）發(fā)生Y向（垂直方向）位移，進(jìn)而造成列車在接觸軌授流面沿Y向上下移動(dòng)。更大的接觸軌授流面可為車輛行駛提供更大的安全冗余，同時(shí)減少由于車輛運(yùn)行時(shí)授流器因接觸面發(fā)生變化引起的燒蝕，從而降低其運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量，提升使用壽命。

圖2所示為C型軌與工字軌截面對(duì)比示意圖，圖中工字軌為巴西圣保羅Tiradentes單軌項(xiàng)目擬選用的與Innovia車型配套的接觸軌。由圖可見(jiàn)，C型軌的有效授流面寬度為100 mm，較巴西圣保羅Tiradentes項(xiàng)目所采用的工字型接觸軌68.9 mm授流面寬度提升約45%。目前國(guó)產(chǎn)工字軌產(chǎn)品的授流面寬度僅為65 mm，意味著車輛在發(fā)生Y向位移（特別是授流器靴面會(huì)部分錯(cuò)開(kāi)軌面）時(shí)，擁有更大授流面的C型軌可以為車輛授流器提供更大的接觸面，從而實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的授流。

圖2 2種接觸軌截面對(duì)比

以龐巴迪跨座式單軌車輛Innovia在巴西圣保羅Tiradentes項(xiàng)目中不同工況條件下授流器在接觸軌軌面的位置情況（靜態(tài)）為例，在靜態(tài)狀態(tài)下，當(dāng)車輛處于空載（AW0）時(shí)，授流器上沿與接觸軌授流面上沿齊平，與車輛在滿載狀態(tài)時(shí)（AW2）一樣，授流器與接觸軌接觸良好；當(dāng)車輛處于故障狀態(tài)（爆胎）時(shí)，車體發(fā)生下沉，授流器與接觸軌發(fā)生錯(cuò)位。當(dāng)車輛處于動(dòng)態(tài)行駛狀態(tài)下，由于路幅的顛簸和車輛行駛速度發(fā)生變化而引起的車輛起伏都將影響授流器的Y向位移，此時(shí)，更寬大的授流軌面必將為授流器提供更安全充裕的冗余，提供更好的授流條件。

此外，更大的授流面可以更大程度上避免授流器與接觸軌發(fā)生錯(cuò)位導(dǎo)致的偏磨（圖3所示為工字軌因授流器發(fā)生偏磨的實(shí)物照片），從而減少由此引起的燒損及授流器頻繁更換造成的維護(hù)成本。

圖3 授流器未完全接觸接觸軌導(dǎo)致偏磨

圖4所示為C型軌與巴西圣保羅Tiradentes項(xiàng)目選用的工字軌在不同工況條件下相互位置關(guān)系示意圖。當(dāng)接觸軌在相同安裝高度條件下，授流器高度為68 mm（巴西圣保羅Tiradentes項(xiàng)目）時(shí)，C型軌在各種工況條件下授流器與接觸軌的授流面接觸情況均優(yōu)于工字軌。其原因在于C型軌授流面寬大且平直，無(wú)工字軌由于其固有生產(chǎn)工藝造成的接觸面邊緣圓角。

圖4 不同工況C型軌與工字軌對(duì)比示意圖

根據(jù)龐巴迪300型車輛不同工況條件下位移+32～-57 mm（0位為AW2工況時(shí)的工作高度）的情況，其最大位移量達(dá)到了89 mm，這就意味著為滿足各種工況下授流器均可穩(wěn)定授流，必須保證接觸軌的有效授流面寬度大于89 mm。目前的工字型接觸軌產(chǎn)品還尚未達(dá)到該項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求，而長(zhǎng)沙磁浮快線使用的C型軌授流面可達(dá)到100 mm的需求。

由上可知，C型軌較工字軌擁有更寬的授流面，可為跨座式單軌車輛提供更好的授流條件，具有顯著優(yōu)勢(shì)。

3.2 限界/絕緣凈空

單軌車輛集電器工作面與梁面之間的距離較?。▋H為140 mm），為保證接觸軌系統(tǒng)的安裝空間及絕緣要求，系統(tǒng)對(duì)接觸軌的安裝限界要求十分嚴(yán)格。以C型軌和工字軌均可滿足授流需要的載流量為前提，對(duì)兩者所需的安裝空間及對(duì)應(yīng)的絕緣凈空進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2 2種鋼鋁復(fù)合軌限界/絕緣凈空對(duì)比

3.3 授流平順性

作為車輛供電的主要載體，接觸軌應(yīng)為車輛運(yùn)行提供安全平穩(wěn)的供電。其供電方式是由車載授流器與接觸軌軌面的接觸進(jìn)行電能傳輸，除應(yīng)考慮軌面的有效授流面寬度外，還應(yīng)考慮接觸軌軌面的平順性。

無(wú)論是工字軌還是C型軌，其單位長(zhǎng)度軌體表面的平順性指標(biāo)均在制造商廠內(nèi)進(jìn)行控制，目前主要的接觸軌供貨商所供產(chǎn)品均滿足要求。除此之外，影響其平順性的關(guān)鍵因素還包括軌體進(jìn)行連接時(shí)的連接方式、精度控制，以及接觸軌線路布置所需的膨脹接頭等。

3.3.1 中間接頭

圖5所示為2種軌型中間接頭連接方式對(duì)比示意，工字軌采用在軌腰部打孔，通過(guò)魚尾板進(jìn)行緊固連接的方式，其軌面的平順性（高差）由工字軌腰部與魚尾板連接面的加工精度保證。C型軌采用內(nèi)外芯板通過(guò)螺栓緊固夾持的方式進(jìn)行連接，其軌面的平順性（高差）由軌體與內(nèi)外芯板接觸面的加工精度保證。目前接觸軌采用的鋁合金本體部分通常采用擠壓成型工藝完成，2種軌型的尺寸精度處于同一水平。工字軌精度控制面為異型，無(wú)法通過(guò)后續(xù)加工提高精度，C型軌可通過(guò)接頭部分精加工提高精度，或可為其中間接頭連接部分提供更高的連接精度，避免在軌體上打孔（影響連接固定精度），具有一定優(yōu)勢(shì)。據(jù)調(diào)研，目前工字軌接頭處連接精度為±0.5mm，C型軌接頭處連接精度可達(dá)到±0.1 mm。

圖5 2種接觸軌軌體連接方式對(duì)比

3.3.2 膨脹接頭

圖6所示為接觸軌常用的膨脹接頭示意圖，主要分為單縫式、雙縫式、梳狀縫式3類。傳統(tǒng)的膨脹接頭均采用預(yù)留伸縮縫形式來(lái)解決由于溫度變化引起的軌體長(zhǎng)度變化，其缺點(diǎn)是該預(yù)留伸縮縫將對(duì)車輛的授流產(chǎn)生波動(dòng)，影響其授流平順性，并增加授流器經(jīng)過(guò)該處時(shí)的損耗，進(jìn)而增加運(yùn)營(yíng)成本。

圖6 傳統(tǒng)膨脹接頭

據(jù)了解，目前已有接觸軌制造商開(kāi)發(fā)了無(wú)縫膨脹接頭，并已通過(guò)型式試驗(yàn)驗(yàn)證。其原理是將沿線路方向的軌體尺寸隨溫度的變化通過(guò)楔形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪本€路方向，在實(shí)現(xiàn)軌體伸縮變化的同時(shí)保障了兩側(cè)軌面的緊密連接，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了電連接功能。如圖7所示。

圖7 無(wú)縫膨脹接頭

若可將無(wú)縫膨脹接頭應(yīng)用于跨座式單軌用接觸軌系統(tǒng)，不僅可消除原有預(yù)留伸縮縫對(duì)車輛授流產(chǎn)生的波動(dòng)影響，同時(shí)可避免授流器經(jīng)過(guò)該處時(shí)的損耗，進(jìn)而降低運(yùn)營(yíng)成本。

以C型軌為例，因其較工字軌剛?cè)岫雀鼮檫m度，在彎道處安裝無(wú)需預(yù)彎，且在道岔處可實(shí)現(xiàn)連續(xù)可撓，避免了工字軌在道岔處安裝時(shí)因其剛度過(guò)大而出現(xiàn)斷軌和折點(diǎn)，并輔之以無(wú)縫膨脹接頭在道岔處的布置，可以對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍時(shí)內(nèi)外側(cè)接觸軌因彎曲半徑不同引起的長(zhǎng)度方向的尺寸變化進(jìn)行無(wú)縫補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)接觸軌系統(tǒng)全線的無(wú)縫安裝。

3.4 安裝便捷性

以軌體安裝為例，C型軌采用旋轉(zhuǎn)式內(nèi)卡固定，安裝時(shí)可懸掛于支座上，便于定位及安裝，且其軌體剛?cè)岫冗m中，安裝應(yīng)力小，便于調(diào)整，彎道處可實(shí)現(xiàn)彈性過(guò)彎，無(wú)需預(yù)彎。工字軌采用魚尾板連接固定方式，無(wú)法預(yù)先定位，其軌體剛度亦過(guò)大，安裝應(yīng)力大，不便于調(diào)整，且在彎道處需進(jìn)行預(yù)彎。在安裝便捷性方面，C型軌優(yōu)于工字軌。

在輔件安裝方面，工字軌配套輔件除在安裝后存在侵界的情況外，其安裝時(shí)還需在軌體上進(jìn)行打孔，一定程度上將破壞軌體強(qiáng)度，且增加了安裝施工難度，同時(shí)會(huì)影響其安裝精度，而C型軌安裝時(shí)則無(wú)需進(jìn)行軌體打孔。

3.5 耐候性

用于側(cè)部授流的工況條件下，工字軌“腰部”開(kāi)口向上，較C型軌更易積水結(jié)冰，甚至延伸至授流面，存在一定安全隱患，或增加運(yùn)維工作量；C型軌其槽裝部分均隱匿于軌體內(nèi)部，不易積水結(jié)冰，更具優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，C型軌外輪廓為矩形，接頭、卡件等輔件可裝入軌體內(nèi)部，簡(jiǎn)潔美觀；工字軌外輪廓較為復(fù)雜，接頭、卡件等輔件外露，美觀性稍遜，且其表面積較C型軌小，使其散熱性能也遜于C型軌。

4 結(jié)語(yǔ)

由工字軌與C型軌在膨脹接頭、分段絕緣器、中間接頭、電連接等接觸軌系統(tǒng)輔件方面的對(duì)比分析可以看出，現(xiàn)有工字軌無(wú)法滿足絕緣要求，而C型接觸軌系統(tǒng)較工字型接觸軌系統(tǒng)具有更為緊湊的結(jié)構(gòu)，可為單軌系統(tǒng)和車輛提供更大的安全冗余，更為可靠，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

在平順性方面，C型軌輔之以無(wú)縫膨脹接頭，可實(shí)現(xiàn)接觸軌的全線無(wú)縫布置，從而提升了車輛行駛的平順性、舒適性，減小了由此造成的授流器損耗，提升使用壽命，降低線路的后期運(yùn)維成本。

綜上分析，C型鋼鋁復(fù)合軌較工字型鋼鋁復(fù)合軌具有較寬的授流面、較低的限界需求、較好的授流平順性、優(yōu)良的耐候性等優(yōu)點(diǎn)，可作為跨座式單軌側(cè)部授流系統(tǒng)接觸軌的最佳選擇。

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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.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，高級(jí)工程師。