中低速磁浮C型接觸軌絕緣支撐性能分析與應用

王鐵環(huán)

(中鐵建電氣化局集團科技有限公司 河北高碑店 074000)

1 前言

中低速磁浮作為一種新型、建設(shè)周期短、建設(shè)速度快的軌道交通，不僅可滿足城市居民出行需求，也可促進旅游業(yè)發(fā)展，給乘客提供舒適便捷的出行體驗[1]。中低速磁浮機車依靠電磁力實現(xiàn)懸浮、驅(qū)動，見圖1。車輛電磁鐵的兩極與F型軌道相互吸引，車輛與F軌間隙維持在8～10 mm。車輛轉(zhuǎn)向架模塊下方的直線電機定子與軌道上表面的鋁感應板組成直線電機，牽引機車[2]。

圖1 中低速磁浮列車懸浮及導向原理

中低速磁浮機車具有以下優(yōu)點:(1)噪聲低、振動小。機車與軌道非接觸的運行特點，不存在傳統(tǒng)機車車輪與軌道接觸產(chǎn)生振動和噪聲。(2)爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小。(3)快啟快停。短定子同步非黏著牽引－制動，具有較大的加速度。(4)運輸力強。可高密度發(fā)車，靈活編組。(5)性價比高。運維便捷，機車與軌道無接觸無磨損。大修周期長，全壽命周期技術(shù)經(jīng)濟性好[3－4]。

國內(nèi)株洲磁浮試驗線、長沙磁浮快線、北京S1線列車均采用DC1500V接觸軌側(cè)部受流的供電方式，具有使用壽命長、維護量小、電能損耗低、運營安全可靠性高、外形美觀等優(yōu)點[5]。接觸軌沿軌道梁側(cè)壁設(shè)置，與軌道線路平行，一側(cè)設(shè)置正極軌，另一側(cè)設(shè)置負極軌。中低速磁浮接觸軌主要有C型和工字型接觸軌。在側(cè)向受流中，C型接觸軌系統(tǒng)具有安裝便捷、定位準確、安裝精度高等優(yōu)點[6]。

2 磁浮C型接觸軌絕緣支撐裝置組成

如圖2所示，磁浮接觸軌絕緣支撐裝置由底座、中間腔體、復合絕緣子、卡塊、尼龍墊塊等組成。絕緣支撐可實現(xiàn)y方向的伸縮調(diào)節(jié)，同時可以實現(xiàn)yoz平面內(nèi)的角度調(diào)節(jié)。

圖2 磁浮接觸軌絕緣支撐裝置構(gòu)造

(1)底座、中間腔體和卡塊通過擠壓成型，材質(zhì)為6061-T6鋁合金材料，具有良好的力學性能。

底座通過螺栓固定于土建預留的槽道。中間腔體采用Ⅱ型結(jié)構(gòu)，Ⅱ型中間腔體與底座形成鑲嵌式裝配。中間腔體在y軸方向伸縮調(diào)節(jié)時，其他參數(shù)保持不變。相較于“矩形”結(jié)構(gòu)的中間腔體，可明顯改善作用在底座上的力的分布。中間腔體將所受的外力分布于底座支撐托臂，有利于絕緣支撐整體的穩(wěn)定性。

(2)硅橡膠復合絕緣子由端部金具、芯棒以及傘裙護套等構(gòu)成。金具起傳遞機械應力與連接固定的作用；芯棒承擔機械負荷和起內(nèi)部絕緣的作用；傘裙護套承擔電氣負荷。芯棒端部與金具通過徑向壓力產(chǎn)生的彈性形變將兩者連接成一體[7]。金具由6061-T6鋁合金鍛壓成型，具有優(yōu)異的機械性能；芯棒材質(zhì)為玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂，抗彎強度高、抗斷裂能力強；傘裙材質(zhì)為硅橡膠，具有優(yōu)異的絕緣和耐污性能[8－9]。復合絕緣子的傘裙護套和芯棒的界面貫穿了復合絕緣子帶電區(qū)域與不帶電區(qū)域，界面處的電場強度最高，易發(fā)生內(nèi)部擊穿放電[10]。在不增加金具的間距條件下優(yōu)化制造工藝，增大芯棒表面的粗糙度以提高硅橡膠－芯棒界面的結(jié)合性能，提升復合絕緣子的內(nèi)部絕緣性能。

(3)卡塊支撐固定C型接觸軌，卡塊與絕緣子形成鑲嵌裝配?？▔K在x方向滑動，y方向不能發(fā)生位移，z方向通過調(diào)節(jié)螺栓調(diào)整。調(diào)節(jié)螺栓為M10-M8型錐型螺栓，絕緣子金具有M10內(nèi)螺紋。通過控制緊固力矩的大小來調(diào)節(jié)卡塊與C型接觸軌之間的作用力，保證接觸軌固定的穩(wěn)定性。

(4)墊塊采用碳纖維增強尼龍材質(zhì)。碳纖維增強尼龍?zhí)岣吡瞬牧系睦鞆姸群捅砻嬗捕?，降低與鋁合金之間的摩擦系數(shù)。碳纖維增強尼龍具有導電性，C型接觸軌與復合絕緣子上端金具等電位同時滿足靜電耗散和靜電放電保護的要求，在維護過程中能保證作業(yè)人員的安全。

如圖3所示，絕緣支撐裝置的尼龍墊塊與接觸軌接觸面相接觸的三個面均為圓弧面。C型接觸軌因溫度變化發(fā)生熱脹冷縮，接觸軌與絕緣支撐易相對滑動，避免了因卡頓引起的絕緣支撐在順線路方向的切應力。在工程應用中，曾出現(xiàn)過因接觸軌與絕緣支撐裝置因卡塞導致局部應力超過絕緣裝置材料的屈服強度而造成絕緣支撐裝置發(fā)生塑性變形和斷裂的事故。

圖3 墊塊

3 絕緣支撐裝置力學及電氣性能

(1)力學性能

國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對絕緣支撐裝置的力學性能進行檢測，檢測項目為接觸軌絕緣支撐3個方向，即順線路垂直方向、順線路水平方向、順線路豎直方向。檢測結(jié)果見表1。

表1 絕緣支撐力學性能檢測結(jié)果

(2)電氣性能

檢驗中心對接觸軌絕緣支撐電氣性能進行檢測，檢測項目包括爬電距離、工頻干耐受電壓、工頻濕耐受電壓、人工污耐受電壓、全波雷電沖擊閃絡(luò)電壓。檢測結(jié)果見表2。

表2 絕緣支撐電氣性能檢測結(jié)果

4 絕緣支撐裝置安裝及調(diào)整

磁浮列車受流器在接觸軌受流面滑動，為列車傳輸電能[11]。磁浮列車受流的工作狀態(tài)，直接影響到列車的動力供應、運行速度與效率以及行車運行安全。接觸軌不平順、接觸軌高度異常等，可導致受流器與接觸軌發(fā)生瞬間脫離產(chǎn)生燃?。灰惨自斐墒芰髌髋c接觸軌發(fā)生剛性沖擊，產(chǎn)生噪聲以及比較嚴重的機械磨損[12－14]。為達到良好的受流工作狀態(tài)，減少電氣磨損和機械磨損，需保證接觸軌安裝的精度、線路的平順性以及穩(wěn)定性。

絕緣支撐裝置通過預留槽道的T型螺栓固定在梁體上，再將C型軌掛在絕緣支撐上，將卡塊從一側(cè)推進C型軌內(nèi)腔至兩平面重合。C型軌的重心位于絕緣支撐的支撐面內(nèi)，處于穩(wěn)定的狀態(tài)。由于熱脹冷縮作用，接觸軌與絕緣支撐裝置需能夠發(fā)生相對滑動；在固定接觸軌時，不能將其完全鎖死；在側(cè)部受流的工程應用中，工字型接觸軌的重心不在支撐裝置的接觸面內(nèi)，在重力作用下接觸軌發(fā)生偏轉(zhuǎn)，交變載荷作用下，引起接觸軌振動。

通過調(diào)節(jié)中間腔體在長孔101的位置，絕緣支撐裝置在受流面法線方向可實現(xiàn)伸縮調(diào)節(jié)，其幅度為±15 mm；通過調(diào)節(jié)連接螺桿上的螺母，絕緣子以螺桿為中心轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)垂直于線路的平面內(nèi)可進行角度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)幅度為±6°。角度調(diào)節(jié)采用螺母在螺桿上上下移動，可實現(xiàn)角度的平滑調(diào)節(jié)及高精度控制。

5 絕緣支撐裝置安全可靠性分析

(1)絕緣支撐裝置一方面承載接觸軌的固定載荷，另一方面磁浮列車受流器與在接觸軌受流面的高速相對滑動，絕緣支撐裝置受到周期性變化的載荷。每個絕緣支撐承受接觸軌重力約為500 N，受流器施加在接觸軌的正壓力為80～150 N。絕緣支撐在外力作用下，以彈性應變?yōu)橹?，其疲勞壽命長，屬于高周疲勞。絕緣支撐連接螺栓均采用防松螺母，在交變載荷及振動作用下，保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性與安全性。

(2)絕緣支撐裝置優(yōu)異的耐污閃性能是中低速磁浮安全可靠運行的前提。絕緣支撐裝置污閃是影響供電系統(tǒng)安全運行的重要問題。絕緣支撐裝置的復合絕緣子經(jīng)一段時間運行，傘裙表面會累積一污層，在潮濕、大霧、陰雨或者結(jié)露環(huán)境下，傘裙上表面附著的水滴在足夠大的電場力作用下，相鄰水滴在沿電場方向易形成細長水帶。水帶的形成進一步增強了沿電場方向的相鄰水帶間的電場，使相鄰水帶的端部發(fā)生放電。污層的憎水性因火花放電而部分喪失，這使得污層在水帶的溶解程度增大，從而導致水帶電導率增大。當電壓值達到臨界時，某處的電弧迅速形成越過各水帶表面，連接各個局部電弧，形成閃絡(luò)現(xiàn)象。

硅橡膠具有良好的憎水性和獨特的憎水遷移性，可顯著提高絕緣部件的耐污閃性能。硅橡膠具有良好的憎水性使得附著在硅橡膠傘裙表面水分以不連續(xù)的孤立小水珠的形式存在，不易形成連續(xù)水帶。硅橡膠傘裙豎直方向放置，形成的水珠到達一定尺寸，在重力及外界擾動的作用下，水珠沿傘裙表面滾落，也有利于清理沉積于傘裙表面的污穢。

6 工程應用

2019年5月和10月產(chǎn)品分別應用在唐山中車和鐵建重工試驗線上，安裝調(diào)試過程精度高，伸縮調(diào)節(jié)精度在0.5 mm，角度調(diào)節(jié)精度為0.2°。線路投入使用以來，絕緣支撐裝置機械性能、電氣性能均達到設(shè)計要求。圖4為安裝在鐵建重工試驗線線路上的絕緣支撐裝置。

圖4 安裝在試驗線路固定接觸軌的絕緣支撐裝置

7 結(jié)束語

(1)本文介紹了一種中低速磁浮交通供電系統(tǒng)中一個關(guān)鍵裝置——絕緣支撐裝置。絕緣支撐作為固定支撐接觸軌裝置，其安裝及調(diào)節(jié)精度高保證了線路的平順性，其與接觸軌穩(wěn)定的支撐方式保證了線路的穩(wěn)定性與可靠性。

(2)該絕緣支撐裝置的材料選擇滿足機械力學及電氣性能要求。其中底座及中間腔體采用6061B-T6擠壓鋁合金，可承受沿線路方向及垂直線路方向的較大載荷；復合絕緣子由6061B-T6擠壓鋁合金與玻璃鋼芯棒壓接而成，具有絕緣性能好、尺寸精度高、表面光潔度好、耐污性能好等優(yōu)點；絕緣支撐裝置的碳纖維增強尼龍墊塊與接觸軌接觸面相接觸的三個面均為圓弧面，有效避免接觸軌與絕緣支撐裝置相對滑動時產(chǎn)生的卡塞現(xiàn)象，保證了滑動順暢，克服了同類產(chǎn)品軌體熱脹冷縮過程中易卡死的現(xiàn)象；在檢查維修時，碳纖維增強尼龍墊塊可及時將聚集絕緣支撐裝置的靜電釋放，保證了作業(yè)人員的安全。

(3)該絕緣支撐裝置的機械力學及電氣性能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，經(jīng)中鐵檢驗認證中心檢測，其靜態(tài)載荷、極限破壞載荷、爬電距離、工頻電壓干濕耐受試驗、雷電全波沖擊電壓耐受試驗及工頻人工污耐受電壓試驗等性能均合格，滿足設(shè)計規(guī)范的要求。

(4)產(chǎn)品應用于唐山中車中低速磁浮試驗線和鐵建重工中低速磁浮線，對絕緣支撐裝置在線運行情況及相關(guān)性能進行檢測，產(chǎn)品各項性能穩(wěn)定，與接觸軌配合良好，未出現(xiàn)變形、斷裂及電氣燒蝕等不良現(xiàn)象。

該絕緣支撐裝置已在中低速磁浮試驗線安裝應用，運行至今未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。其機械性能、電氣性能均滿足工程要求。絕緣支撐結(jié)構(gòu)簡潔、安裝調(diào)節(jié)方便，可大幅度提升安裝施工的作業(yè)效率。