廣州地鐵四號線接觸軌絕緣支架斷裂問題分析

1接觸軌系統(tǒng)概況

接觸軌是沿線路布置一條與軌道平行的附加軌并供給列車電能的特殊輸電系統(tǒng),是城市軌道交通接觸網的一種形式,又稱為第三軌。接觸軌系統(tǒng)作為向地鐵列車提供電能且無備用的供電設備,主要由接觸軌、絕緣支座、端部彎頭、膨脹接頭、防護罩、中間接頭、中心錨結、電連接和接地線等組成。接觸軌系統(tǒng)相比其他的接觸懸掛具有安裝簡便、維護少、使用壽命長、對城市景觀影響小等特點。

廣州地鐵四號線首期段于2005年12月26日開通,線路全長59km,其中金洲一新造段為高架線,長30.5km,是廣州第一條高架地鐵線路。運行至今,接觸軌系統(tǒng)設備運行情況良好,未出現過影響行車的重大事故。

2接觸軌絕緣支架斷裂問題分析

絕緣支架是接觸軌系統(tǒng)中支撐接觸軌并起絕緣作用的裝置,接觸軌通過托架、卡爪固定在絕緣支架上。在日常維護過程中,工作人員還是發(fā)現部分位置的絕緣支架出現裂紋、斷裂的情況,如不采取措施,將會給運營帶來影響。

2.1中心錨結處絕緣支架開裂

維修人員在檢修維護接觸軌系統(tǒng)時發(fā)現,高架段接觸軌中心錨結時常會發(fā)生偏移,使中心錨結處的絕緣支架偏離鉛垂面,如圖1所示。根據我們統(tǒng)計的情況,中心錨結偏移后絕緣支架的破損率達析93.85%。

圖1 中心錨節(jié)處絕緣支架偏移

到對中心錨結處絕緣支架開裂帶來的影響,我們對絕緣支架針送檢測時做了試驗,圖2是絕緣支架載荷與位移關系圖。試驗報告相關內容說明:絕緣支架完好時,支架載荷與位移成線性關系。曲線彎折處表示支架已開裂、破損,不能繼續(xù)承受載荷,隨著位移的增加,破壞程度也持續(xù)增加。即絕緣支架、卡爪及托架開裂后,絕緣支架對接觸軌的支撐夾持力極速下降,可能造成接觸軌的整體下降,使得接觸軌參數不符合行車要求,造成集電靴與接觸軌發(fā)生碰撞或其他一些傾入限界的行車事故,進一步引發(fā)較大的設備故障,存在較大的安全隱患。另送,由于中心錨結處的絕緣支架卡爪、托架斷裂,失去了中心錨節(jié)的作用,接觸軌橫向竄動阻力變小,造成接觸軌向一側滑動加強,就造成附近的中心錨結受力加大,更容易發(fā)生偏移及卡爪、托架斷裂,形成惡性循環(huán),造成更多的中心錨結偏移和卡爪、托架斷裂,給安全運營造成極大的隱患。

圖2 支架載荷與位移關系圖

由于環(huán)境溫度的變化或運行中電流產生的熱量都會造成接觸軌溫度的變化,使得接觸軌因熱脹冷縮而產生長度變化。因此,需要安裝膨脹接頭裝置以補償兩根長軌在機械和電氣特性方面的間隙。中心錨結處絕緣支架偏移主要是溫差變化造成接觸軌長度的伸縮變化量,無法在相鄰的膨脹接頭上補償,造成的原因主要是膨脹接頭初始滑動力過大。

為了進一步確定現場絕緣支架承受負荷情況,我們對四號線的絕緣支架進行現場受力模擬試驗,試驗結果如表1所示。

另送,為了測試四號線在線使用的膨脹接頭初始滑動力,我們從線上更換了6臺膨脹接頭進行了拉力試驗,試驗數據如表2所示。

從表1、表2的數據可以看出,四號線絕緣支架在水平負荷達到1.8kN以上時就會出現偏移,在水平負荷達到3kN時就會出現開裂的情況,而四號線膨脹接頭的初始滑動力最少為9kN以上,遠大于絕緣支架偏移、開裂時的負載。因此,接觸軌在溫差變化時產生的長度變化尚未在膨脹接頭上滑動補償時,中心錨結處絕緣支架的受力已經超出了最大荷載,從而導致中錨偏移,支架斷裂。

2.2普通定位絕緣支架開裂

四號線高架段接觸軌普通定位處的絕緣支架也會出現托架、卡爪開裂、斷裂的情況,如圖3所示。根據日常統(tǒng)計,普通定位絕緣支架開裂主要集中在大坡度、曲線段、碎石道床等位置。

普通定位處的絕緣支架開裂的原因主要有以下兩個方面:

(1)四號線絕緣支架是早期產品,托架、卡爪卡軌的內邊緣未安裝滑動摩擦系數較小的滑軌,由于接觸軌因溫差變化的竄動,導致托架、卡爪卡軌的內邊緣磨耗嚴重,如圖4所示。當磨耗達到一定程度時,托架、卡爪的強度無法支撐接觸軌的水平荷載、垂直荷載,導致托架、卡爪破損、開裂。

圖4 托架、卡爪卡軌的內邊緣磨耗嚴重

(2)絕緣支架定位點卡滯,無法滿足接觸軌的自由伸縮要求,致使該支架位置受力異常。由于前期建設施工問題,部分絕緣支架底座未按要求調整到與軌道中心線垂直,導致絕緣支架定位點處卡滯。另外,在大坡度、曲線段等特殊位置,接觸軌在無預彎安裝后會存在一定的傾斜和扭曲,也會造成在絕緣支架定位點處卡滯的情況。定位點出現卡滯后,接觸軌伸縮產生的水平力就會施加在該支架上,受接觸軌自身重力和應力的影響會加劇定位點托架、卡爪內邊緣的磨耗,當絕緣支架的受力超過絕緣支架的最大工作負載時,支架的托架、卡爪將出現破損、開裂。絕緣支架定位點卡滯示意圖如圖5所示。

3應對措施

中心錨結偏移導致絕緣支架的斷裂有一定的規(guī)律性,受氣溫變化的影響較大,在轉季時節(jié)發(fā)生的比較多。中心錨結偏移的處理通常的做法是通過人工調整相鄰的膨脹接頭,使其恢復到正常狀態(tài),更換受損的絕緣支架,但這些中心錨結經過一段時間后又會重復出現偏移,不能徹底解決此故障。2018年我們在蕉門至金洲區(qū)間上行線路全面更換了24臺sG07z型軸套式膨脹接頭,這種新型膨脹接頭初始滑動力不大于800N,更換后效果良好,有效解決了中心錨結偏移的問題。另外對在線膨脹接頭開展技術改造,通過減小其初始滑動力,同樣可以有效實現補償作用,消除中心錨結偏移的問題。

普通定位絕緣支架的開裂情況通常不是突發(fā)的,而是經過較長一段時間的磨耗,當磨耗達到一定量時,支架強度無法支撐接觸軌的荷載時,才發(fā)生開裂。因此,在日常維護中要留意絕緣支架托架、卡爪內邊緣的磨耗情況,特別是碎石道床、大坡度、曲線段等特殊位置要加強檢查,對于磨耗異常點要建立臺賬,定期跟蹤。對于后續(xù)更換時,采用新型的帶尼龍墊滑軌的絕緣支架,可有效減小接觸軌竄動的摩擦力,避免絕緣支架托架、卡爪因磨損導致絕緣支架強度減小發(fā)生斷裂事件。

4結語

廣州地鐵四號線直流1500V接觸軌屬于國內首次應用,又是廣州第一條高架地鐵線路,高架段距離長,結構環(huán)境復雜,很多問題在設計時是不可預知的。本文結合廣州地鐵四號線接觸軌設備運行多年的維護經驗,不斷積累設備運行數據,對接觸軌絕緣支架的斷裂原因進行分析,并簡單介紹應對措施,積極探求解決方法。隨著接觸軌系統(tǒng)的廣泛應用,接觸軌的產品也在不斷優(yōu)化改進,運營管理者要總結運營維護經驗,為新產品的開發(fā)研制提供思路,從設備本質方面來解決問題。