广州地铁四号线接触轨绝缘支架断裂问题分析

1接触轨系统概况

接触轨是沿线路布置一条与轨道平行的附加轨并供给列车电能的特殊输电系统,是城市轨道交通接触网的一种形式,又称为第三轨。接触轨系统作为向地铁列车提供电能且无备用的供电设备,主要由接触轨、绝缘支座、端部弯头、膨胀接头、防护罩、中间接头、中心锚结、电连接和接地线等组成。接触轨系统相比其他的接触悬挂具有安装简便、维护少、使用寿命长、对城市景观影响小等特点。

广州地铁四号线首期段于2005年12月26日开通,线路全长59km,其中金洲一新造段为高架线,长30.5km,是广州第一条高架地铁线路。运行至今,接触轨系统设备运行情况良好,未出现过影响行车的重大事故。

2接触轨绝缘支架断裂问题分析

绝缘支架是接触轨系统中支撑接触轨并起绝缘作用的装置,接触轨通过托架、卡爪固定在绝缘支架上。在日常维护过程中,工作人员还是发现部分位置的绝缘支架出现裂纹、断裂的情况,如不采取措施,将会给运营带来影响。

2.1中心锚结处绝缘支架开裂

维修人员在检修维护接触轨系统时发现,高架段接触轨中心锚结时常会发生偏移,使中心锚结处的绝缘支架偏离铅垂面,如图1所示。根据我们统计的情况,中心锚结偏移后绝缘支架的破损率达析93.85%。

图1 中心锚节处绝缘支架偏移

到对中心锚结处绝缘支架开裂带来的影响,我们对绝缘支架针送检测时做了试验,图2是绝缘支架载荷与位移关系图。试验报告相关内容说明:绝缘支架完好时,支架载荷与位移成线性关系。曲线弯折处表示支架已开裂、破损,不能继续承受载荷,随着位移的增加,破坏程度也持续增加。即绝缘支架、卡爪及托架开裂后,绝缘支架对接触轨的支撑夹持力极速下降,可能造成接触轨的整体下降,使得接触轨参数不符合行车要求,造成集电靴与接触轨发生碰撞或其他一些倾入限界的行车事故,进一步引发较大的设备故障,存在较大的安全隐患。另送,由于中心锚结处的绝缘支架卡爪、托架断裂,失去了中心锚节的作用,接触轨横向窜动阻力变小,造成接触轨向一侧滑动加强,就造成附近的中心锚结受力加大,更容易发生偏移及卡爪、托架断裂,形成恶性循环,造成更多的中心锚结偏移和卡爪、托架断裂,给安全运营造成极大的隐患。

图2 支架载荷与位移关系图

由于环境温度的变化或运行中电流产生的热量都会造成接触轨温度的变化,使得接触轨因热胀冷缩而产生长度变化。因此,需要安装膨胀接头装置以补偿两根长轨在机械和电气特性方面的间隙。中心锚结处绝缘支架偏移主要是温差变化造成接触轨长度的伸缩变化量,无法在相邻的膨胀接头上补偿,造成的原因主要是膨胀接头初始滑动力过大。

为了进一步确定现场绝缘支架承受负荷情况,我们对四号线的绝缘支架进行现场受力模拟试验,试验结果如表1所示。

另送,为了测试四号线在线使用的膨胀接头初始滑动力,我们从线上更换了6台膨胀接头进行了拉力试验,试验数据如表2所示。

从表1、表2的数据可以看出,四号线绝缘支架在水平负荷达到1.8kN以上时就会出现偏移,在水平负荷达到3kN时就会出现开裂的情况,而四号线膨胀接头的初始滑动力最少为9kN以上,远大于绝缘支架偏移、开裂时的负载。因此,接触轨在温差变化时产生的长度变化尚未在膨胀接头上滑动补偿时,中心锚结处绝缘支架的受力已经超出了最大荷载,从而导致中锚偏移,支架断裂。

2.2普通定位绝缘支架开裂

四号线高架段接触轨普通定位处的绝缘支架也会出现托架、卡爪开裂、断裂的情况,如图3所示。根据日常统计,普通定位绝缘支架开裂主要集中在大坡度、曲线段、碎石道床等位置。

普通定位处的绝缘支架开裂的原因主要有以下两个方面:

(1)四号线绝缘支架是早期产品,托架、卡爪卡轨的内边缘未安装滑动摩擦系数较小的滑轨,由于接触轨因温差变化的窜动,导致托架、卡爪卡轨的内边缘磨耗严重,如图4所示。当磨耗达到一定程度时,托架、卡爪的强度无法支撑接触轨的水平荷载、垂直荷载,导致托架、卡爪破损、开裂。

图4 托架、卡爪卡轨的内边缘磨耗严重

(2)绝缘支架定位点卡滞,无法满足接触轨的自由伸缩要求,致使该支架位置受力异常。由于前期建设施工问题,部分绝缘支架底座未按要求调整到与轨道中心线垂直,导致绝缘支架定位点处卡滞。另外,在大坡度、曲线段等特殊位置,接触轨在无预弯安装后会存在一定的倾斜和扭曲,也会造成在绝缘支架定位点处卡滞的情况。定位点出现卡滞后,接触轨伸缩产生的水平力就会施加在该支架上,受接触轨自身重力和应力的影响会加剧定位点托架、卡爪内边缘的磨耗,当绝缘支架的受力超过绝缘支架的最大工作负载时,支架的托架、卡爪将出现破损、开裂。绝缘支架定位点卡滞示意图如图5所示。

3应对措施

中心锚结偏移导致绝缘支架的断裂有一定的规律性,受气温变化的影响较大,在转季时节发生的比较多。中心锚结偏移的处理通常的做法是通过人工调整相邻的膨胀接头,使其恢复到正常状态,更换受损的绝缘支架,但这些中心锚结经过一段时间后又会重复出现偏移,不能彻底解决此故障。2018年我们在蕉门至金洲区间上行线路全面更换了24台sG07z型轴套式膨胀接头,这种新型膨胀接头初始滑动力不大于800N,更换后效果良好,有效解决了中心锚结偏移的问题。另外对在线膨胀接头开展技术改造,通过减小其初始滑动力,同样可以有效实现补偿作用,消除中心锚结偏移的问题。

普通定位绝缘支架的开裂情况通常不是突发的,而是经过较长一段时间的磨耗,当磨耗达到一定量时,支架强度无法支撑接触轨的荷载时,才发生开裂。因此,在日常维护中要留意绝缘支架托架、卡爪内边缘的磨耗情况,特别是碎石道床、大坡度、曲线段等特殊位置要加强检查,对于磨耗异常点要建立台账,定期跟踪。对于后续更换时,采用新型的带尼龙垫滑轨的绝缘支架,可有效减小接触轨窜动的摩擦力,避免绝缘支架托架、卡爪因磨损导致绝缘支架强度减小发生断裂事件。

4结语

广州地铁四号线直流1500V接触轨属于国内首次应用,又是广州第一条高架地铁线路,高架段距离长,结构环境复杂,很多问题在设计时是不可预知的。本文结合广州地铁四号线接触轨设备运行多年的维护经验,不断积累设备运行数据,对接触轨绝缘支架的断裂原因进行分析,并简单介绍应对措施,积极探求解决方法。随着接触轨系统的广泛应用,接触轨的产品也在不断优化改进,运营管理者要总结运营维护经验,为新产品的开发研制提供思路,从设备本质方面来解决问题。