地铁接触轨技术发展

我国地铁接触轨技术发展综述与研发建议接触轨，又称第三轨，或简称三轨。接触轨系统是地铁牵引供电系统的重要子系统，它直接影响到地铁供电系统甚至整个地铁系统的安全运以营。自1965年北京建造我国第一条地铁线以来，仟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。这期间接触轨枝术不断发展，其主要表现为：安装方式由以上部接触搔流方式为主导发展成上部接触交流方式与下部接触授流方式并存：导电轨由低磺钢材料发展成钢铝复合材科：防护罩(及支架)由木板材料发展成玻璃钢材料：绝缘子材料除电瓷外，还开发出环氧树脂材料及硅橡胶材料。相应地，一些施工安装方法也有所改进．目前，直流1500V接触轨系统又在积极研发之中，同时钢铝复合接触轨的国产化工作也正在逐步展开，当然这其中面临的问题和遇到的困难也有许多。在这种情况下，对我国地铁接触轨技术的发展历史进行总结，将有助于目前接触轨新技术的研究与开发。1概述1．1接触轨系统的国内应用概况目前，在我国有3个城市6条地铁线路采用了接触轨系统，分别是：北京地铁1号线上程。北京地铁2号线(环线)工程、天津地铁1号线中段、北京地铁复八线工程、北京地铁门号线工程(即北京城市铁路工程)，北京地铁八通线工程、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。这些线路韵总长度超过200km，触孰电压等级均为直流750V。1．2接触轨系统的构成在接触轨系统零部件中，除包括作为导电轨的接触轨以外，还包括绝缘支架(或绝缘子)。防护罩．隔离开关设备、电缆等。接触轨、绝缘支架(或绝缘子)、防护罩是接触轨系统中送电。支撑、防护的三大件。1．3接触轨系统的三大技术特征谈及接触孰系统，其技术特征有三个级，二是安装方式，二是导电轨材料。1．3．1电压等级目前世界上城市轨道交通中的直流牵引网电压等级繁多，接触轨系统的电压等级有600V、630V。700V、750V、825V，900V、1000V、1200V等，国外接触轨系统的标称电压一般在1000V以下，西班牙巴塞罗那采用过直流1500V及1200V接触轨，美国旧金山BART系统为直流1000v接触轨。目前国内接触轨系统标称电压为直流750V，国际上接触轨电压等级的发展趋向是IEC标准中的直流600V、750V。1．3．2安装方式接触轨系统根据授流位置的不同，司分为上部授流接触轨、下部授流接触轨和侧部授漉接触轨三种形式。13.3导电蓑材料接触轨可采用低碳钢材料或钢铝复合材料。2北京地铁早期建成线路的接触轨系统北京地铁早期建成的线路包括；1969年通车的北京地铁1号线工程，1984年通车的北京地铁环线工程，1999年9月通车的北京地铁复八线工程。2．1北京地铁1号线工程北京地铁1号线工程，东起北京站，西至苹果园，全长24，17km。工程于1958年开始前期研究，1965年7月1日开工建设，1969年9月20日基事建成并试运营。该工程接触轨系统是我国第一个地铁接触轨系统．本工程接触轨系统的电压等级开始为直流825V，以后随着牵引变电所设备的改造而成为直流750V，安装方式为上部授挽方式，导电轨材质为低碳钢，主要技术标准如下．2．1．1接触轨的技术条件(1)接触轨断面的总断面积为6543mm2，(2)接触轨的比重为7．8g/cm3：(3)每米接触轨的理论重量为51．36kg，每根理论重量为642kg，每根12．5m，(4)对中性轴接触轨的惯性矩Jx=1026．8cm4，断面系数Wz=176．2cm3(5)接触轨的型号为JU-52，钢号为05铝(05A1)；(6)在温度为15度的情况下，接触轨的单位电阻不超过O．125Ω·mm2／m：(7)接触轨的断面应铣平，断面歪斜在任何方向测量均不得超过1．0mm；(8)接触轨采用转炉冶炼的优质镇静钢轧制。2．1．2接抽孰用绝缘子接触轨用绝缘子由以下三个丰要部分组成：(1)瓷件，材料为电磁，工作电压1000V，抗弯800kg,(2)下座，材料为HT15-33灰铸铁：(3)上帽，材料为11T15-33灰铸铁。另外，瓷件与下座间还没有1-5层的油毡纸垫片．2．1．3木防护板木防护板的木科全部是在天然干性油中浸透的松木制成，井做烘干处理，木防护板翠表面涂阽火滦，木防护板外表面涂防腐油漆。2．1．4端部弯头端部弯头总长度2300mm．2．2北京地铁2号线工程北京地铁2号线工程，线路长16．1Fan．1974年完成接触孰施工图设计，1976年建成并试运营，1984年完成改造．根据北京地铁1号线工程的施工运营经验，针对存在的问题及接触轨要加强防护的指示，1974年2号线在工程接触轨系统设计时进行了一些修改与完善．1978年5月，根据市兵办工程组技术处于1978年3月27日召开的关于地铁三轨防护板设计问题的会议纪要精神，将2号线工程接触轨防护板靠近线路侧上下的两块和防护支架下边的一块予以取消，形成了日前的结构形式，如图1所示。2．3北京地铁复八线工程北京炔铁复八线工程，西起复兴门，东至八王坟，线路长12.7KM。该工程接触轨系统施工图设计完成于1993年10月，工程于1999年9月通车。与北京地铁环线接触轨系统相比，主要进行了以下修改：(1)接触轨端部弯头由原来的2300mm加长到2775mm，以使受流器与弯头接触时更平稳；同时减小了坡端的接触面到走行轨顶面的垂育距离。(2)采用3000V支柱绝缘子代替原绝缘子。(3)结合工程需要，本工程册剥开发了玻璃钢防护罩．并在车站、道岔、隧道联络线等局部地段进行了试验安装(单线总长度约6km)．3德黑兰地铁1．2号线的接触轨系统德黑兰地铁1、2号线，线路全长约53km．1992年初开始投标，1996年合同正式生效，2000年2月21日第一期工程建成通车．根据招标文件要求，北京城建院联合高校与工厂，以产学研相结合的方式，研制开发出“下部校流接触轨系统”，填补丁国内空白，该技术成果于1994年6月8H从得了国家实用新型专利(zL93224173．5)．相应地，研制出玻璃钢材料的接触轨支架及防护罩，代替了传统的木板防护罩，这一创新成果带来了接触轨支架与防护罩材料的革命。本工程接触轨系统的电压等级为直流750V，导电轨材质为低碳钢．3．1下部授流接触轨的安装结构描述下部授流接触轨主要由导电轨，绝缘支架、防护罩等构成，见图2．绝缘支架由顶郎支架，中部支架，下部支架三部分组成，并共同构成悬臂结构型式；导电轨通过顶部、中部支架，悬挂在下部支架上；下部支架刚根据线路情况固定在整体道床上或碎石道床的轨枕上：防护罩靠自身弹性及支撑垫块固定在导电轨上。3．2下部授流接触轨的安装结构特点防护罩对带电接触轨的防护性能好，带电接触轨不容易被无章识地触碰到，能确保人身安全，另外，下部授流方式的遮挡雨雪条件也优于上部授流方式，能确保牵引网系统的安全可靠运行．这里需要说明，北京城铁采用的是上部授流接触轨系统。据2003年11月7日《北京晚报》报道：“城铁今晨中断一个多小时。由于昨天深夜雪量较大且融化速度慢，遭遇今天凌晨急剧下降的气温后，造成城铁部分路段轨道表面结冰。首发车在运行过程中，接触轨与列车受流器之间逐渐形成‘地穿甲’似的冰层．造成列车受流器无法受电，车辆网压不稳，使得车辆无法正常行驶。’3．3接触轨所含化学元素对电阻宰影响分析合同要求：导电轨在15度时电阻率p=0．125mm2Ω/m．为确保接触轨按照上述合同要求交货，对制造厂欲采用的接触轨材料进行了电阻串测试及化学元素分析，前后历时达伴年之久，分析结论简述如下。如果采用与北京地铁接触轨相同的材料来加工制造导电轨，则20度时电阻率p（平均值）在0.134Ω·mm2／m左右，将大于合同要求的15度时电阻率为0．125Ω·mm2/m．仅从各元素对电阻串的影响看，P、Si的影响较大，而Mn的影响较小：但由于接触轨中Mn的绝对含量比P与Si要高，因而Mn实际上对电阻系数的影响也非常大．换言之．在分析各元素对电阻系数的影响趋势时，要同时考虑各元素含量大小对此的影响。另外，工艺条件对各种成分在含量上有影响，即工艺条件也会影响导电轨的电阻系数．在上述测试分析基础上，决定不采用与北京地铁接触轨相同的原材抖加工制造接触轨．而从国外进口原材料来加工制造接触轨．最后的测试表明：用国外原材料加工制造的接触轨，在15度时电阻率p在0．111mm2Ω/m左右。3．4支架及防护罩的制造工艺3．4．1玻璃钢支架制造工艺玻璃钢支架制造采用了RTM成型工艺．其优点为：降低了产品成型过程中苯乙烯的挥发量，有利于提高产品质量，减少环境污染，工艺成熟、参数齐全，产品质量稳定：可防止玻璃纤维的排布方向发生偏移，使铺层设计、性能设计有保障;可使产品表面附着均匀的胶衣树脂层，增加产品的抗老化能力．3．4．2玻璃钢防护罩制造工艺玻璃钢防护罩制造采用了拉挤成型工艺．其优点为:可自动化连续生产，产品均匀，质量稳定;产品规格多样化．4北京地铁新建成线路的接触轨系统4．1北京地铁13号线北京地铁13号线，即北京城市铁路工程，线路全长40．85km。1999年8月12日，项目被批准立项：2000年9月26日，城市铁路西线全面开工：2002年9月28日，城市铁路西线开通试运行，2003年1月20门，城市铁路全线建成试运营。结合该工程，北京城建设计研究总院联合北京城市铁路股份有限公司等单位，研制开发出“新型上部授流接触轨系统”，见图3．该工程接触轨系统的电压等级为直流750V，导电轨材质为低碳钢。新型上部受流接触轨系统的特点：(1)防护罩支架及防护罩采用玻璃钢材质的防火和耐候性功能．使用寿命长，(2)结构形式造型比较美观，(3)结构设计较为合理，承受力的情况较好，省材料：(4)防护罩支架直接固定在接蚰轨上，所以能更好地保证防护罩支架及防护罩与接触轨的相对位置关系.(5)防护罩支架可以在接触轨上移动安装，所以施工安装及运蕾管理维护比较方便，不受走行轨轨枕间距施工误差的影响，从而使防护罩的定货长度与设计长度一致．避免了材料及施工费的损失．4．2北京地铁八通线北京地铁八通线，西起八王坟，东至通州土桥，线路全长18．964km；2003年12月7日完成热滑，2003年12月28日开通试运营．北京地铁1号线．2号线及13号线，均使用的是瓷绝缘子．瓷件是脆性材料．在运输．安装、运营维护等过程中，容易受到了硬器撞击而破损．近年来，复合绝缘子发展迅猛，性价比，可靠性不断提高．北京地铁八通线工程在前述北京城铁“新型上部授流接触轨系统”的基础上，在正线接触孰系统中采用了环氧树脂绝缘子，在车场线接触孰上试用了硅橡胶绝缘子．5武汉轨道交通一期工程的接触轨系统武权轨道交通1号线一期工程，自宗关站经硚口至黄浦路，线路全长10．234km，为全高架线路：2000年4月开始初步设计，2003年12月11日完成热滑，将于2004年上半年投入运营．该工程在国内首次采用钢铝复合接触轨技术。接触轨采用钢铝复合材料制成(见图4)，可有效地降低电阻率，并减少供电系统中牵引变电所的数量，降低运营时接触轨能量的的损耗；防腐蚀性能较好；钢铝复合接触轨重量小，便于运输和安装，在铝合金轨的接触面上包覆有一层不锈钢带，可人大提高耐磨性。该工程接触轨系统的电压等级为直流750V，安装方式为下部授流方式．5．2不锈钢带技术数据（示例）5．3天津地铁1号线(延伸)工程的接姓轨系统1984年12月，天津地铁1号线中段7．4km建成通车，其接触轨系统与北京地铁早期建成线路的接触轨系统一致，2001年7月因线路需向两端延伸改造而停运．天津地铁1号线（延伸）工程，线路全长26．2km，计划于2005年底建成通车．本工程采用直流750V上部授流接触轨系统，接触轨材料为钢铝复合接触轨，目前已完成钢铝复合接触孰的采购招标。6正在建设中的广州地铁4号线接触轨系统广州市轨道交通4号线大学城专线段工程，线路全长14．11km．该工程于2003年10月通过初步设计审查，计划2005年12月建成通车．广州地铁4号线几次穿越珠江