車宇哲

1 接觸網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀

城市軌道交通牽引網(wǎng)系統(tǒng)根據(jù)接觸網(wǎng)安裝位置和接觸線不同，分為接觸軌和架空接觸網(wǎng)兩種型式，其中架空接觸網(wǎng)按接觸懸掛方式不同又可分為柔性架空接觸網(wǎng)和剛性架空接觸網(wǎng)[1]。剛性架空接觸網(wǎng)具有接觸線不受力、零部件簡(jiǎn)單、運(yùn)營(yíng)維護(hù)方便、事故范圍小等特點(diǎn)，因此非常適合在長(zhǎng)大隧道內(nèi)使用。自2003年廣州地鐵2號(hào)線地下區(qū)段開始應(yīng)用以來(lái)，剛性架空接觸網(wǎng)已成為城市軌道交通地下區(qū)段接觸網(wǎng)懸掛的主要型式。

目前已運(yùn)營(yíng)線路的剛性架空接觸網(wǎng)（圖1）中，接觸線比匯流排使用壽命短，在一個(gè)匯流排使用周期內(nèi)需要更換接觸線；另外，運(yùn)營(yíng)中也出現(xiàn)了受電弓滑板磨耗不均勻現(xiàn)象，滑板使用壽命短，增加了運(yùn)營(yíng)成本和維護(hù)工作量。

圖1 典型剛性架空接觸網(wǎng)

在城市軌道交通第三軌載流系統(tǒng)中，為了兼顧接觸網(wǎng)載流系統(tǒng)耐磨性和載流問題，采用了鋼鋁復(fù) 合導(dǎo)電軌，其主要結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。這種鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌是將不銹鋼帶與鋁匯流排固定在一起。

圖2 第三軌鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌結(jié)構(gòu)形式

2 新型復(fù)合導(dǎo)電軌結(jié)構(gòu)形式確定

目前，剛性架空接觸網(wǎng)載流系統(tǒng)是由銅接觸線、Π型鋁匯流排[2]組成，載流截面積分別為150和2 213 mm2，折合成鋁當(dāng)量截面積約為2 498 mm2，Π型鋁匯流排結(jié)構(gòu)尺寸如圖3（a）所示。如采用新型復(fù)合導(dǎo)電軌，其鋁載流截面需不小于2 498 mm2。為減少備品備件種類及實(shí)現(xiàn)新舊兩種截面形式過(guò)渡，新型復(fù)合導(dǎo)電軌結(jié)構(gòu)形式應(yīng)滿足以下要求：（1）新型復(fù)合導(dǎo)電軌載流截面積不小于目前鋁當(dāng)量截面積；（2）新型復(fù)合導(dǎo)電軌底座及高度尺寸與目前Π型鋁匯流排安裝接觸線后一致；（3）其他尺寸盡量一致。

圖3 載流體（單位：mm）

對(duì)于第三軌系統(tǒng)接觸軌，在道岔處直股和斜股接觸軌均設(shè)置斷口，車輛在同一處集電靴不同時(shí)與直股和斜股接觸軌接觸受流。對(duì)于剛性架空接觸網(wǎng)，道岔處直股與斜股接觸線平行布置間距約為200 mm，與受電弓同時(shí)接觸，車輛受電弓通過(guò)羊角斜面與接觸網(wǎng)線側(cè)面接觸駛?cè)牖蝰傠x另一支接觸線。因此，如采用復(fù)合軌，需要復(fù)合軌頂部完全鑲嵌在鋼帶中，以確保受電弓始終與鋼帶接觸。上述（圖2（c）所示）結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)電復(fù)合軌是將兩塊“J”形不銹鋼帶通過(guò)焊接將復(fù)合軌頂部固定在鋼帶中，新型復(fù)合軌可采用該結(jié)構(gòu)形式。

在滿足上述載流截面及限界要求下，盡量采用現(xiàn)有Π型鋁匯流排尺寸，如圖3（b）所示，截面積為2 530 mm2，以滿足現(xiàn)有載流系統(tǒng)的鋁當(dāng)量截面積要求。新型復(fù)合導(dǎo)電軌與Π型鋁匯流排載流系統(tǒng)比較，單位長(zhǎng)度質(zhì)量相當(dāng)（表1），支撐絕緣子及其附件受力與目前Π型鋁匯流排相差約6%，滿足目前零件受力要求，采用新型復(fù)合導(dǎo)電軌無(wú)需新增現(xiàn)有備件種類。

表1 載流系統(tǒng)單位長(zhǎng)度質(zhì)量比較 kg/m

3 新型復(fù)合導(dǎo)電軌載流量校核計(jì)算

根據(jù)“Chapuolie and Rols”公式[3]，復(fù)合導(dǎo)電軌載流量校核計(jì)算式為

式中：I為標(biāo)稱連續(xù)直流額定電流，A；S為鋁質(zhì)導(dǎo)體橫截面積，mm2；L為截面周長(zhǎng)，mm；K=k1·k2·k3·k4，k1為材質(zhì)性能常數(shù)，取1.01；k2為環(huán)境溫度40℃時(shí)性能常數(shù)，取1.01；k3為允許溫升因子（45 ℃）性能常數(shù)，取1.07；k4為空氣循環(huán)因子性能常數(shù)，取1.15。

新型復(fù)合導(dǎo)電軌截面S= 2 530 mm2，截面周長(zhǎng)L= 525 mm，代入式（1）可得I= 3 632 A。

通過(guò)校核計(jì)算，新型復(fù)合導(dǎo)電軌與Π型匯流排系統(tǒng)載流能力相當(dāng)，滿足現(xiàn)有載流系統(tǒng)要求。

4 新型復(fù)合導(dǎo)電軌技術(shù)可行性分析

在Π型鋁匯流排載流系統(tǒng)中，關(guān)鍵部位尺寸是膨脹關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸、匯流排間連接處和接觸網(wǎng)平面布置中拉出值極限位置。

4.1 膨脹關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸

Π型鋁匯流排膨脹關(guān)節(jié)處工作支與非工作支的間距為300 mm，如圖4（a）所示。如果采用新型復(fù)合導(dǎo)電軌，關(guān)節(jié)處工作支與非工作支的間距也為300 mm，如圖4（b）所示。各項(xiàng)關(guān)節(jié)尺寸基本上沒有變化，充分保障了兩支新型復(fù)合導(dǎo)電軌自由伸縮的空間。

將新型復(fù)合導(dǎo)電軌膨脹關(guān)節(jié)和Π型鋁匯流排膨脹關(guān)節(jié)進(jìn)行比較，由圖4（c）可見，新型復(fù)合導(dǎo)電軌頂部輪廓線在Π型鋁匯流排膨脹關(guān)節(jié)匯流排外輪廓線及接觸線頂面范圍內(nèi)，腰部與底部尺寸與Π型鋁匯流排膨脹關(guān)節(jié)匯流排完全一致。因此，新型復(fù)合導(dǎo)電軌膨脹關(guān)節(jié)不僅完全符合車輛限界要求，也滿足膨脹關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸要求。

圖4 膨脹關(guān)節(jié)處尺寸（單位：mm）

經(jīng)過(guò)上述比較，新型復(fù)合導(dǎo)電軌膨脹關(guān)節(jié)處結(jié)構(gòu)尺寸完全符合現(xiàn)有Π型鋁匯流排載流系統(tǒng)膨脹關(guān)節(jié)各項(xiàng)要求，可以與現(xiàn)有Π型鋁匯流排載流系統(tǒng)膨脹關(guān)節(jié)進(jìn)行互換。

4.2 接頭處結(jié)構(gòu)尺寸

Π型鋁匯流排使用8個(gè)M12×20不銹鋼螺栓分別與匯流排內(nèi)腔中的兩塊帶有內(nèi)螺紋的連接板轉(zhuǎn)接固定，如圖5（a）所示。由于連接板為鋁材，其與不銹鋼螺栓硬度相差較大，螺栓與連接板連接緊固強(qiáng)度受限，需進(jìn)行螺栓防松處理。在日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)中，匯流排連接處是巡視檢查的重點(diǎn)部位。

采用新型復(fù)合導(dǎo)電軌后可用8個(gè)M9哈克螺栓和兩塊連接板在復(fù)合導(dǎo)電軌外側(cè)將兩根對(duì)接復(fù)合導(dǎo)電軌夾緊連接，如圖5（b）所示。哈克螺栓將套環(huán)擠壓到螺桿凹槽使套環(huán)與螺栓形成100%的結(jié)合，產(chǎn)生永久性緊固力，該緊固力約為傳統(tǒng)同等級(jí)緊固件的1.5倍以上。每根哈克螺栓緊固件在組裝完成后具有相同的緊固力及永不松動(dòng)等特性，可以解決新型復(fù)合導(dǎo)電軌接頭處連接防松問題，從而減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量。

圖5 接頭連接方式

5 新型復(fù)合導(dǎo)電軌經(jīng)濟(jì)性分析

目前全世界都面臨著不可再生資源越來(lái)越少的困境，銅已經(jīng)成為每個(gè)國(guó)家的重要戰(zhàn)略資源，近幾年價(jià)格更是居高不下。為在工程建設(shè)中減少銅的用量，應(yīng)探尋替代產(chǎn)品，新型復(fù)合導(dǎo)電軌滿足了這方面的需求。

Π型鋁匯流排載流系統(tǒng)是通過(guò)自身鉗口張力固定接觸線，運(yùn)營(yíng)中需經(jīng)常巡查接觸線是否脫槽。新型復(fù)合導(dǎo)電軌不需接觸線，從而可以大量減少工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量。

Π型鋁匯流排載流系統(tǒng)在匯流排正常使用壽命內(nèi)通常需要至少更換3次接觸線，本文暫按3次考慮；新型復(fù)合導(dǎo)電軌使用壽命與現(xiàn)有匯流排使用壽命基本一致，可以避免在壽命周期內(nèi)更換接觸線，從而減少維護(hù)費(fèi)用和工作量。按目前價(jià)格水平，比較Π型鋁匯流排載流系統(tǒng)和新型復(fù)合導(dǎo)電軌的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，見表2。

表2 兩種方式經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)比較 萬(wàn)元/條公里

由表2可以看出，同樣在一個(gè)載流體壽命周期內(nèi)，采用新型復(fù)合導(dǎo)電軌每條公里可以節(jié)省工程建設(shè)費(fèi)用2.23萬(wàn)元、接觸線更換費(fèi)用21.6萬(wàn)元，合計(jì)每條公里共節(jié)省費(fèi)用23.83萬(wàn)元。因此，在剛性架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)中使用新型復(fù)合導(dǎo)電軌，可以降低工程造價(jià)，減少資源消耗及運(yùn)維工作量。

6 結(jié)語(yǔ)

綜合本文各項(xiàng)理論分析，剛性架空接觸網(wǎng)載流系統(tǒng)采用鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌（新型復(fù)合導(dǎo)電軌）在理論上是完全可行的，可以減少銅用量，避免運(yùn)營(yíng)期間更換接觸線，可降低工程建設(shè)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用。