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长沙磁浮快线提速改造接触轨系统无缝化处理工程实践 邹同友 城市轨道交通 73 DOI：10.19587/ki.1007-936x.2023.03.016 长沙磁浮快线提速改造接触轨系统无缝化处理工程实践 邹同友 摘 要：结合长沙磁浮快线既有线接触轨系统无缝化处理的工程实践，对接触轨系统受流面平滑过渡效果、靴轨耦合关系及绝缘支撑震动进行了分析；从工程实施重点、系统新工艺等方面介绍了接触轨系统无缝化处理技术措施及施工技术配合全过程工程应用实践，为我国中速磁浮工程建设积累宝贵经验。关键词：磁浮；接缝焊接打磨；无缝膨胀；减震垫片 Abstract:With reference of engineering practice of jointless treatment of third rail system of the existing line of Changsha Maglev Express,analysis is made for the smooth transition effect of current receiving surface of the third rail system,shoe rail coupling relationship and insulation support vibration.The seamless treatment technical measures and overall process of engineering application of construction technique cooperation of the third rail system are introduced in terms of engineering implementation emphasis and new process of the system,accumulating valuable experience for the construction of medium speed maglev projects in our country.Key words:maglev;joint welding grinding;seamless expansion;shock absorbing gasket 中图分类号：U237 文献标识码：B 文章编号：1007-936X(2023)03-0073-04 0 引言 长沙磁浮快线设计初期最高运营时速为 100 km，牵引供电制式采用在走行梁两侧绝缘敷设 DC 1 500 V 正极轨授电、负极轨回流方式。然而，随着我国现代化进程的加快，长沙磁浮快线作为国内第一条自主研发的中低速磁浮运营线路，也在不断推陈革新，需对既有线路提速改造升级，满足140160 km/h 中速磁浮列车运行要求，是本次提速工程的难点和重点。长沙磁浮快线提速改造工程在维持线路平/纵断面、轨道超高不变，以及线下结构不动的前提下，通过对既有土建设施的评估和接触轨系统改造实现系统提质升级。其中刚性接触轨供电在国内最高工程应用时速为 120 km，暂无时速 160 km 的应用先例。经系统技术论证，结合长沙磁浮快线车辆运行特点，通过对接触轨系统采用无缝膨胀接头、加装防转减震垫片、焊接打磨中间接缝等系列技术措施，改善靴轨耦合关系，推进接触轨系统无缝化工程应用实践。1 接触轨无缝化处理技术应用及效果 接触轨作为与磁浮列车唯一有物理接触的设备，受流靴与接触轨之间的良好接触和稳定受流是 作者简介：邹同友.湖南磁浮交通发展股份有限公司，工程师。保证车辆正常供电和安全运行的必要条件1。1.1 采用无缝膨胀接头 1.1.1 无缝膨胀接头工作原理 接触轨之间通过膨胀接头连接，传统膨胀接头在特定长度处均预留伸缩缝，见图 1。此类膨胀接头很大程度上造成了车辆行驶至该处时产生冲击与噪音，对车辆的受流、系统平顺性及乘车体验造成了不良影响。而本工程推行的无缝膨胀接头可通过竖向补偿消除为接触轨热胀冷缩预留的伸缩缝，能自适应轨体热胀冷缩，避免接触轨授流面物理高差带来的靴轨冲击。图 1 有缝膨胀接头 无缝膨胀接头由限位导向体、接触面滑块和导电体等组成，其工作原理如图 2 所示。当膨胀接头两侧的接触轨发生热胀冷缩时，沿线路方向的接触轨位移将使接触面滑块产生垂直于两个接触轨段长度方向上的位移，以此适应接触轨的热胀冷缩。无缝膨胀接头自动填补热胀冷缩变形引起的接缝，可明显减小靴轨冲击震动2。城市轨道交通 电气化铁道 2023年第3期 74 接触轨A段接触轨B段接触面滑块 图 2 无缝膨胀接头 1.1.2 无缝膨胀接头对靴轨耦合的影响 目前常用的有缝膨胀接头由于其固有的伸缩缝，使得在车辆行驶过程中不可避免地出现受流靴冲击伸缩缝的现象3，这是导致受流靴在伸缩缝处受到异常冲击磨损及靴轨离线电弧烧蚀的主要原因。采用无预留伸缩缝的膨胀接头可消除有缝膨胀接头的固有缺陷，提高接触轨授流稳定性4。1.2 绝缘支撑加装防转减震垫片 为保证轨体自由热胀冷缩，接触轨系统绝缘悬挂在轨道梁两侧，绝缘支点悬挂扣件与 C 型轨燕尾槽之间存在物理间隙，间隙的存在破坏了理想的机械配合，使悬挂扣件配合结果与理想状态存在偏差，尤其是在靴轨高速耦合情况下，靴轨间的动态压力使得悬挂支点卡扣与轨体内腔壁之间机械应力瞬时失衡，产生冲击和碰撞，进而导致元件弹性形变、加剧磨损，伴随产生机械震动、噪声等。为不破坏接触轨系统固有应力平衡，通过在绝缘支撑卡头和接触轨之间加装减震防转阻尼垫片，用于消除卡头与轨体之间的间隙，达到减震降噪的目的，并对绝缘子卡头进行固定防转，见图 3。图 3 减震防转垫片安装示意图 1.3 接触轨竖缝焊接打磨 接触轨标准长度 11.7 m，轨与轨之间通过中间接头进行电气连接，接头处存在物理连接缝，加上接触轨生产工艺、外夹板安装方式及前期施工安装误差的累积，局部接缝处存在 0.10.3 mm 的错台高差，这些高差带来的是靴轨异常冲撞和噪声，严重影响受流质量和受流靴的使用寿命。为提高接触轨系统授流稳定性，降低靴轨异常磨耗和冲击，技术人员通过开展专项技术研究与论证，推出国内首创钢铝复合接触轨无缝焊接处理技术与平面打磨新工艺，在不伤及铝基体前提下，实现焊接接头平整、光滑，焊接熔深 34 mm，焊缝两端接触轨面平滑过渡，500 mm 范围内轨面高差不大于 0.2 mm，极大提升了授流质量，如图 4、图5 所示。图 4 轨缝焊接工艺示意图 图 5 焊缝平面打磨工装 1.4 无缝膨胀接头应用 长沙磁浮快线接触轨系统升级改造初期，对车辆分别以 15 km/h 匀速往复通过有缝膨胀接头、无缝膨胀接头进行噪音测试比对。图 6 所示为列车以15 km/h 速度经过膨胀接头处采集到的声波，分别记录了更换无缝膨胀接头前、后的声波。0 2 4 6 80.30.20.10-0.1-0.2-0.3强度分贝/dB时间/sA1 A2（a）更换前（有缝膨胀）0 2 4 6 80.30.20.10-0.1-0.2-0.3强度分贝/dB时间/s（b）更换后（无缝膨胀）图 6 膨胀接头处声波 上触点 下触点 焊丝要紧贴坡口 焊枪偏角7590 约 90 平面打磨机 接触轨 长沙磁浮快线提速改造接触轨系统无缝化处理工程实践 邹同友 城市轨道交通 75 从图 6（a）可以看到，在磁浮列车通过时出现了明显的特征峰（A1、A2），现场音频也记录了与特征峰相对应的“咔哒”声。另外，磁浮列车的首尾两侧各有一组受流靴，每组受流靴由 2 枚受流靴单元构成，根据现场车辆受流靴的安装情况以及磁浮列车在线路上的运行情况，推测 A1峰和 A2峰是受流靴通过有缝膨胀接头缝隙处产生的噪音。通过波形图可以得到A1和A2峰之间的时间间隔约为 0.65 s，根据列车运行速度 15 km/h 计算得到音源之间距离为 2.7 m，这与磁浮列车每组受流靴单元间隔 2.8 m 吻合，因此可以确定该声波图如实记录了列车通过有缝膨胀接头处的异响。图 6（b）为更换无缝膨胀接头后磁浮列车以15 km/h 速度通过的声波图，图中除显示出随时间增加声音的波形振幅整体增大的趋势外，并未出现其他特征峰，分析是由于列车靠近音频采集器使得采集到的声音增大导致，而列车通过无缝膨胀接头处并未产生异响。声波图反映的信息与现场记录的视频和音频一致，列车通过时没有听到“咔哒”声。表 1 所示为磁浮列车以 15 km/h 速度通过膨胀接头时记录下的分贝值。可以看出，在更换无缝膨胀接头前、后列车通过时均有噪声产生，噪声的来源有列车电机运行声、受流靴与接触轨摩擦声等。在更换无缝膨胀接头后，列车通过时的噪声与列车悬停时仅由电机运行发出的噪声接近，列车通过时受流靴碰撞轨道缝隙处的异响消失。表 1 更换无缝膨胀接头前、后噪音值 检验项目 检验结果/dB 膨胀接头 位置 更换前 环境噪音 47.4；最大噪音 76.3 更换后 环境噪音 45；最大噪音 67.2 磁浮列车悬停时 环境噪音 46.1；最大噪音 67.7 在膨胀接头处进行的噪声对比试验表明：受流靴碰撞接触轨上的缝隙是列车运行时发出“咔哒”异响的主要来源，而在磁浮线上最主要的缝隙是线路上的膨胀缝；当列车以 15 km/h 速度运行时，受流靴平滑过渡，未与无缝膨胀接头碰撞发出异响，显著降低了靴轨耦合时产生的冲击噪音，靴轨关系得到明显改善。2 工程施工难点 2.1 作业环境复杂（1）长沙磁浮快线高架占比 95%。改造工程在轨道梁两侧进行，施工最高点距离地面 30 m，高架施工安全系数较大，人工工效偏低，同时作业组所需的柴油发电机、高频冷焊机、氮气瓶、定尺短轨、无缝膨胀接头等器具材料重达 300 kg，若由作业组人工搬运至施工现场，工作量巨大。经技术论证，决定采用改进型抱轨施工小车（图 7）固定安装后整体吊装至轨道梁上进行作业，施工小车左右限位安装在轨道梁上5，并设计了便于作业的吊篮，以提高施工效率。图 7 抱轨施工小车（2）施工小车采用汽车吊进行吊装。长沙磁浮快线架设主要集中在城市快速主干道及市郊，汽车吊的站位布置严重受限，为确保作业人员穿行马路及吊装作业的安全，需综合考虑在上下磁浮桥架通道及道路低速区域且视野开阔的地段进行吊装。因此在吊装作业前需提前摸排施工现场吊装环境，选择地基牢固且作业半径不受限的位置进行吊装，并按道路施工作业要求设置路障，安排专职安全员现场管控，以确保施工安全及效率。2.2 作业时间短 接触轨系统无缝化改造工程是利用既有线夜间停电检修时间进行的间歇性施工，每周有 3 天线路停电施工时间，接触轨设备停电时间为夜间 23点 30 分至次日凌晨 4 点，为确保次日磁浮压道车在 5 点正点发车，须遵循既有线施工管理要求，严格按照接触轨停电接挂地线防护（1520 min）申请作业计划（1015 min）在车站办理上下桥钥匙借用手续并送至现场（2035 min）上线施工作业出清销点（2540 min）接触轨送电（1020 min）固有流程开展施工，而“上线施工作业”为实际作业时间，平均不足 4 h，因此对于本工程的施工时间管理要求非常严格，在出现施工任务无法完成时须做好立即恢复系统原状的准备，以确保次日磁浮列车的正常运行。2.3 “三清”任务重 提速改造施工平均每次施工上线 12 个作业组，作业面绵延数公里，作业现场约 80 人次，施工作城市轨道交通 电气化铁道 2023年第3期 76 业涉及工装设备及材料多而杂，作业结束后需专人对线路进行“三清”确认，以确保线路无遗留工器具、杂物等影响次日列车通行的隐患。2.4 施工精度管控严（1）接触轨预制：根据实际所需接触轨长度，使用锯轨机切割接触轨。锯轨机垂直于接触轨纵向中心线，轨锯与接触轨纵向中心线呈 90，切割面应平整、垂直，切面的垂直度误差不得超过0.3，切割完成后用锉刀清除切面上的残屑。预制达标后，进行试对接，对接后接缝应密贴，避免出现错位偏斜现象6。（2）无缝膨胀接头对接：预制短轨与无缝膨胀接头对接后，授流面高差应控制在0.1 mm 范围内。（3）接头竖缝焊接打磨精度控制：观察焊缝，抛光后应平整光洁，无焊接缺陷，无表面裂纹；焊缝前后 500 mm 轨道平面的高差不大于 0.2 mm。3 施工技术要点 3.1 测量控制 测量原膨胀接头长度 L 和施工地区环境温度，根据图 8 无缝膨胀接头安装尺寸曲线得出无缝膨胀接头安装尺寸，经过计算得出新增短轨长度为(L-)，见图 9。长沙历史最低轨温-12/mm700+65700+55700+45700+35700+25700+15700+5700700-5700-15700-25700-35700-45700-55700-6585 80 7570 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0-5-10-15t/L=22.5 mL=25 mL=27.5 mL=30 mL=32.5 mL=35 mL=37.5 mL=40 mL=42.5 mL=45 mL=47.5 mL=50 m 图 8 无缝膨胀接头安装尺寸曲线 原有缝膨胀接头原有缝膨胀接头更换无缝膨胀接头后无缝膨胀接头L新增L拆除拆除 图 9 无缝膨胀接头更换示意图 3.2 无缝膨胀接头施工更换（1）核实测量尺寸，如无误，进行原膨胀接头拆卸，对其两个中间接头及铜带与轨体连接螺栓进行拆卸，拆卸完成取出接头的两根短轨。（2）拆卸膨胀接头芯板，将方头螺栓更换为旋转卡头，并加装防转减震垫片。（3）安装无缝膨胀接头，将无缝膨胀接头和所需短轨预装至正确位置，配合拉轨器调整接头的接缝及螺栓力矩大小。3.3 难点问题解决方案（1）接触轨与无缝膨胀接头钢带面存在高差，通过在接触轨端部与无缝膨胀转接板之间增/减铝垫片的方式解决，见图 10。图 10 受流面高差调整（2）部分无缝膨胀接头现场安装空间不足，可通过挂轨切除一端长轨解决。切除长轨长度为S，则新增短轨长度为(L+S-)。（3）靴轨动态耦合是一种线性接触关系，靴轨间存在 0750 N 动态压力，焊接接头存在高差会造成靴轨异常磨耗和冲击，严重影响受流质量，通过研制平面打磨工装解决焊接接头高差问题。4 结语 长沙磁浮快线接触轨系统升级改造工程难度大，对施工时间利用率及系统可靠性要求高：一是确保接触轨系统无缝化处理后授流面过渡平滑及平稳授流；二是保障更换后的无缝膨胀与焊接接头机械性能可靠，能够长时间耐受大温差应力变化；三是降低磁浮车辆运行的靴轨冲击与噪声，避免受流靴异常磨损与电烧蚀。本工程推行的世界首创无伸缩缝膨胀接头、钢铝复合导电轨焊接打磨等工艺技术的工程应用，（下转第 92 页）铝垫片 技术交流 电气化铁道 2023年第3期 92 安全性，程序控制中还设置了时间保护功能，移位操作开始后，如果在指定时间内未检测到所有限位信号，程序将强制结束本次移位。在本套装置中，理论移动时间为 48.67 s，设定的强制结束时间为50 s。4 结语 本文根据实际需求设计了基于 PLC 的移动接触轨控制系统，重点阐述了移动接触轨系统的工作原理、组成以及基于 PLC 的控制系统，并对其进行现场试验，表明本文所设计方案合理可行。该系统可以随时实现移动接触轨前后移动的功能，为轨道车辆提供电能，满足现场工作需求，为后期移动接触轨系统在轨道交通供电系统中应用提供了一定的实践和理论参考。参考文献：1 李贵剑.高速接触轨系统关键技术研究J.电气化铁道，2020，31（s2）：62-65.2 赵金凤.刚性可移动接触网水平转动设计研究J.锻压装备与制造技术，2012，47（3）：61-63.3 张龙飞，杨美传，吴云飞，等.水平移动式接触网方案研究J.电气化铁道，2017，28（1）：41-43.4 黄涛.基于 S7-300 PLC 的移动接触网控制研究D.兰州：兰州交通大学，2019.收稿日期：2022-09-06 （上接第 76 页）实现了接触轨系统的无缝化处理，改善了靴轨耦合关系，延长了受流靴的使用寿命，提高了接触轨系统授流的稳定性。长沙磁浮快线提速改造工程完成后，各项技术指标满足安全运营要求，各项测试数据正常，靴轨耦合状态稳定，为今后中速磁浮线路接触轨系统无缝化应用积累了实践经验。参考文献：1 尹洪权.地铁车辆受流靴与第三接触轨稳定性研究D.成都：西南交通大学，2016.2 梁潇，陈峰，傅庆湘.160 km/h 中速磁浮交通系统的关键技术问题J.城市轨道交通研究，2019，22（9）：21-26.3 宋文义.钢铝复合接触轨膨胀接头的设置及计算J.都市快轨交通，2005（5）：40-42.4 曾鉴，周明哲，姜兴振.无缝接触轨在城市轨道交通中的应用J.城市轨道交通研究，2020，23（8）：194-197.5 周琳.唐山中低速磁浮既有试验线供电轨改造钢铝复合接触轨更换的工程实践J.现代城市轨道交通，2012（2）：28-30.6 李月俊.城市轨道交通供电系统接触轨施工技术J.铁道建筑技术，2009（3）：62-65.收稿日期：2022-10-20