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下磨式接触轨防护罩位移问题的解决方案
2018-1-10  来源: 广州地铁集团有限公司   作者:康学剑 鄢 羽



  
        摘 要 为提高DC 1 500 V 下磨式接触轨系统供电的可靠性,广州地铁4、5 、6 号线全线安装了GRP(玻璃纤维增强树脂)材质的绝缘防护罩。然而运行中原本相互搭接的防护罩会因为诸多原因产生位移,甚至在缺乏有效支撑时出现侵入集电靴工作范围的情况。通过调研现场设备的运行环境、设备特点,并结合运营经验做出了周密细致的分析,最终提供了锚固及接触面粘合2 种解决方案。
  
       关键词 地铁;接触轨;绝缘支架;位移
  
       截止20 1 4 年底,建成通车的广州地铁4、5 、6 号线均采用DC 1 500 V 下磨式接触轨系统供电。该系统利用GRP(玻璃纤维增强树脂)制造的防护罩实现绝缘保护。防护罩贯通搭接于接触轨上方,采用方形缺下边式设计,从水平两侧及垂直上表面保护裸露的接触轨本体。
  
      根据运营中病害记录,4 号线高架段发生数次外部金属性线索侵入线路的状况;4、5 号线地面段出现多次流浪人员翻越围网进入带电接触轨区域的险情。在上述情况下,若接触轨未设计防护罩保护,可能会造成高压端接地引起供电中断,甚至是人员触电伤亡的惨剧。
  
      1 、下磨式接触轨防护罩的安装方式
  
      接触轨防护罩由防护罩支撑卡、普通防护罩、支架防护罩、电连接防护罩(上网电缆处使用)、特殊中锚防护罩(特殊中心锚节处使用)等组成。普通防护罩通过安放在接触轨上间隔500 mm 布置的防护罩支撑卡架设安装,一般安装长度4 200 mm。支架防护罩安装在定位点绝缘支架处,扣接于该定位点两侧的普通防护罩上(扣接重合长度200 mm)。如此便形成全线贯通并且完全遮蔽的绝缘保护,如图1 所示。
  
  
    图1  防护罩的配合形式
  
     2 、接触轨防护罩位移问题
  
     广州地铁4、5 、6 号线均有部分线路建设在地面,这部分线路基础由碎石道床及高架段板式道床交替布置。露天工作的接触轨系统受气候变化及线路基础特性的影响很大。

     接触轨普通防护罩的出厂规格为4 800 mm,施工时依据接触轨的实际跨距进行人工切割以确定普通防护罩的长度。因此带来了无法避免的施工误差。运行中,各条线路均发现了多次本该相互搭接的防护罩因位移造成接触轨裸露、防护罩下陷,甚至是偏移侵入列车限界的情况。
  
     总结广州地铁接触轨防护罩位移现象,有多个突出的特点:
  
     (1 )温度差异会影响防护罩状态。通过运营记录数据统计,得出20 1 3 年位移情况表(见表1 )。每年的2 月、3 月、1 2 月广州当地昼夜温差最大时达1 5 摄氏度,这种24 h 内的剧烈温度变化使得露天接触轨防护罩位移问题高发。
  
                                            表1  2013 年广州地铁4、5 号线正线防护罩位移情况统计
  
    
     (2)地铁4 号线新造站—石碁站经过了隧道整体道床、地面碎石道床再到高架桥板式道床的线路基础交替变化。运行中的列车在通过这些变化的道床时,产生了多样的振动效果。这种不同形式道床交接处的防护罩因此发生频繁的位移问题。
  
     (3)地铁5 号线路最小曲线半径为200 m,坡度多处超过40‰。此条件下,防护罩、支撑卡因自身重力在线路平面产生的分力对其影响颇大。这直接导致该地段的支撑卡呈现出单方向运动的特点,进而使得跨距内另一端的防护罩失去有效支撑。
  
     (4)地铁4 号线低涌站—东涌站段横跨市桥沥河,河面宽度约602 m;5 号线滘口站—坦尾站段横跨珠江,江面宽度约3 1 7 m,这些过江线路的设备受气象小环境变化的影响明显。江面杂乱的风向、潮汐的变化造成单一设备多方向的载荷变化。尤其在风负载作用强烈的位置,防护罩位移情况时有发生。总体上,隧道段因为温度的相对恒定与整体减振道床的阻尼特性,接触轨系统中防护罩的工况比较平稳;与之相比,高架段的防护罩位移发生较为频繁。
  
     3、防护罩位移问题分析
  
     这种简单的位移现象一直困扰着设备的运营单位,干扰了正常的生产维护秩序。为此,接触轨技术人员集中力量成立专项课题小组展开了大量的数据测量、实地检查,通过交叉对比各方的信息展开了细致的分析。
  
     接触轨设计跨距为4.0~5 .2 m,定位整体绝缘支架通过底座槽钢安装在桥梁或者碎石道床的轨枕上。高架段的高架桥梁均为阶段式拼接而成,两段桥梁间预留桥梁伸缩缝隙,缝隙的宽度与单段桥体长度有关。在过江大桥等大跨度连续桥体处,伸缩缝隙的预留宽度高达300 ~400 mm,然而以此为基础的接触轨在一个长达2 km 的供电分区内只能贯通安装。在温度变化时,接触轨安装基础的伸缩变化会带动定位整体绝缘支架工作位置的往复移动,进而牵连接触轨本体运动。这势必造成接触轨系统中第一层动态因素———接触轨定位点的实时动态。下磨式接触轨系统与柔性接触网本质是相同的,归根结底依然具备接触“悬挂”的特点,如图2所示。


     图2 下磨式接触轨的悬挂方式
  
   在这种悬挂方式下,绝缘支架需具备定位支撑作用和一定的韧性,使其在抵消接触轨重力的同时能兼顾解决摩擦力过大造成接触轨本体运动不畅的矛盾。广州地铁5 号线高架段接触轨的设计锚段长度L 为75 m(广州地铁6 号线高架段将接触轨锚段长度进一步减小为60 m),依据铝的线性热膨胀系数α=23 .2 × 1 0-6 m/℃,可测得单个锚段接触轨随温度的变量ΔL (Δt =1 5 ℃)为2.6 1 ×1 0-2 m对于锚段内的每个整体绝缘支架及用于支撑防护罩的支撑卡均需承受这个变量ΔL 带来的摩擦力。一个75 m 的锚段内共计设立约1 50 个支撑卡,单个支撑卡与接触轨接触面的摩擦因数,会因为材料配合的考虑不周、两者接触面上附着的杂质、线路坡度、列车振动幅度等变得千差万别。如此形成了接触轨系统中第二层“变”的因素———防护罩支撑卡的无序运动。
  
     GRP 纤维材质本身具有延展性,单个普通防护罩会因为延展形变出现无法接触部分支撑卡的现象。这部分防护罩下方的支撑卡因此也不承受防护罩的压力,仅依靠自身的静摩擦力保持工作位置。此时,列车通过的震动会引起支撑卡一定幅度的弹跳导致静摩擦力间歇性的消失,最终支撑卡在重力产生分力的作用下向线路坡底方向运动。
  
     以上便是接触轨防护罩安装、运行的条件。在道床安装基础、绝缘支架的相对位置、接触轨本体的实时动态和防护罩支撑卡的无序运动等诸多动态因素影响下,防护罩无法保证工作位置的相对静止。增加防护罩搭接重合长度可以消除其位移引起接触轨裸露的风险,但会带来防护罩端部切削接触轨绝缘支架部件的不良影响。理论上,设计200 mm 的搭接长度能避免防护罩的位移拉开,但如此庞大的施工量及人为控制带来的误差却无法实现理想的设计效果。即使在跨距内,长度符合的普通防护罩也会因为支撑卡向单方向窜动导致另一端失去支撑效果,进而下陷侵入集电靴工作范围,如图3 所示。
  
  
      图3  支撑卡单方向窜动的情况
  
      4 、防护罩位移问题的解决方案
  
       在当前接触轨设计方案中,若能将接触轨与防护罩的安装基础分开即可完全解决“接触轨的实时动态”问题,但如此带来的施工复杂性以及付出的成本值得进一步商榷。对于运营单位,目前只能考虑减弱甚至是采用其他方式来引导支撑卡“有序”地运动。
  
       4.1  安装圣诞树型尼龙铆钉或尼龙螺栓设立隔断
  
      防护罩支撑卡以间隔500 mm 布置,现场通过在普通防护罩上间隔500 mm 钻孔安装圣诞树型尼龙铆钉或尼龙螺栓的方式在单个支撑卡两侧实现物理的隔断,将单个支撑卡的无序活动范围限制在各自独立的500 mm 区间内。现场施工流程如图4所示。
  
  
      图4 尼龙圣诞树型铆钉施工流程图
  
    通过在广州地铁5 号线滘口站—坦尾站上行公里标K1 +680~K1 +800 区间半年的测试,该方案能有效地限制支撑卡的活动范围,保证一个跨距内每个支撑卡均匀受力,解决了普通防护罩失去支撑后下陷侵入列车集电靴设备限界的问题。采用尼龙螺栓的流程与此相似,同样能在不改变整个防护罩绝缘性能、静电场分布的条件下,取得改造前预计的效果。

     4.2 通过汉高乐泰263/2701 锁固剂粘合防护罩支撑卡
  
     汉高乐泰锁固剂为厌氧型金属粘合剂,多见用于金属螺母锁固,亦可用于多种基材表面。在与空气隔绝的情况下,室温即可快速粘合接合面。初固时间1 5 min,24 h 后达最大强度。具备阻燃、耐高温、耐油污的特点。
  
     静态试验中,分别选取乐泰243、乐泰2701 、汉高pattex 万能胶3 种粘合剂将支撑卡与接触轨接触面粘合比对固定效果,乐泰2701 表现符合预想。在多个位置的剪切力试验里,乐泰2701 试件组平行接触轨轴线可承受的剪切力达93.1 N,如图5 所示。通过运营经验判断,该载荷已远远大于现场设备上致使支撑卡滑动的负荷,该设想的静态试验成功。
  
   上线试验中,选取5 号线坦尾站K1 + 1 1 0 处2个跨距的支撑卡进行动态耐久试验。该地点位于露天高架段,线路存在一定坡度,具备代表性。通过多次试验、观察、总结,形成工艺流程,如图6 所示。

      
      图5  剪切力实验
  
      
      图6 锁固胶施工流程图
  
      从2 0 1 3 年9 月至2 0 1 4 年4 月,经历了环境温度的多次变化后,支撑卡与接触轨的位置仍能与试验初期保持一致。由此可见,通过两者的粘合作用彻底解决了“防护罩支撑卡的无序运动”问题,在取得既定效果的同时具备了大面积推广的条件。经过8 个多月的在线跟踪作业,该解决方案在最大程度简化现场操作流程的情况下,已能彻底解决接触轨防护罩的位移问题。
  
      5 、结语
  
     自2005 年,国内首条DC 1 500 V 下磨式接触轨供电的广州地铁4 号线投入运营至今,从例行的周期性检修维护到主体设备的大修保养,从施工运营的安全高效开展到各类突发情况的应急处置,经过数年积累,技术人员逐步摸索出了一整套设备设施的运营维护思路。
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