鋼鋁復(fù)合軌生產(chǎn)及不銹鋼帶沖孔冷彎技術(shù)的應(yīng)用

冀 炎，張 晶

（1．中鐵高鐵電氣裝備股份有限公司，陜西 寶雞 721013；2．濟(jì)南普瑪金屬科技有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

接觸軌被城市軌道交通行業(yè)稱為“第三軌”，它通過集電靴與復(fù)合軌的接觸來實(shí)現(xiàn)的電力的輸送，將電能傳輸給電客列車時(shí)要時(shí)刻保證地鐵的正常供電和穩(wěn)定運(yùn)行。這就對(duì)接軌軌設(shè)備有相當(dāng)高的要求，作為主要部件的鋼鋁復(fù)合軌尤其重要，是將電能傳輸?shù)降罔F和城市軌道交通系統(tǒng)電力牽引車輛上的裝置中的生命線。

對(duì)城市軌道交通而言，運(yùn)輸密度大，間隔小，在夜間停運(yùn)很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行定期檢修比較困難。維修工作不均衡會(huì)造成勞動(dòng)力組織的困難與浪費(fèi)，因此基礎(chǔ)設(shè)施的少維修化具有非常重要的意義，顯然第三軌受流在這方面具有優(yōu)勢(shì)。另外對(duì)于運(yùn)營維護(hù)來說，第三軌作業(yè)不需要專門的觸網(wǎng)作業(yè)車，也能夠節(jié)約很大的維修成本投入。

鋼鋁復(fù)合接觸軌是上世紀(jì)70年代出現(xiàn)的新型導(dǎo)電軌，該產(chǎn)品以其導(dǎo)電性好、安全系數(shù)高、維護(hù)成本小、防腐性能及耐磨性好、供電距離長、工程土方量小、城市景觀好、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，已成為城市軌道交通發(fā)展的主導(dǎo)方向，有著很重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文著重介紹復(fù)合軌的應(yīng)用和重要材料——不銹鋼帶的冷彎工藝、設(shè)備及其復(fù)合技術(shù)。

1 接觸軌的發(fā)展歷史

接觸軌是沿線路敷設(shè)為地鐵和城市軌道交通系統(tǒng)電力牽引車輛提供電能的裝置。它是一種古老的電力牽引車輛供電形式，早在18世紀(jì)90年代就有接觸軌雛形的產(chǎn)生。接觸軌由于傳輸電流大，重量輕以及安裝方便而得到廣泛應(yīng)用。導(dǎo)電接觸軌主要應(yīng)用于城市軌道交通，接觸軌材料分為兩種：一種為低碳鋼材質(zhì)，另一種為（不銹）鋼鋁復(fù)合材質(zhì)。接觸軌早期采用的是低碳鋼材料，低碳鋼材料制造的接觸軌重量大（51.36kg/m），電阻率高。國外發(fā)達(dá)國家在上世紀(jì)初期也采用的是傳統(tǒng)的低碳鋼導(dǎo)電軌，位于倫敦第一條電氣化地鐵1890年開通使用第三軌供電方式，第三軌早期使用的就是低碳鋼軌，如北京、天津早期的地鐵。

20世紀(jì)70年代末出現(xiàn)了一種新型的接觸軌-鋼鋁復(fù)合接觸軌。隨著地鐵和城軌交通事業(yè)的發(fā)展，為了加大導(dǎo)電軌的一次輸電距離、改善受流條件、減小機(jī)械磨損和電腐蝕、提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效應(yīng),推出了鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌。德國在1978年建成了世界上第一段鋼鋁復(fù)合軌，運(yùn)行長度為3.3km。

國內(nèi)應(yīng)用概況：低碳鋼接觸軌的歷史悠久，自1965年北京建造我國第一條地鐵線以來，在本世紀(jì)前我國已有3個(gè)城市6條地鐵線路采用了接觸軌系統(tǒng)，分別是：1969年通車的北京地鐵1號(hào)線，1984年通車北京地2號(hào)(環(huán)線)工程、天津地鐵1號(hào)線中段、1999年9月通車的北京地鐵復(fù)八線工程、北京地鐵13號(hào)線工程(即北京城市鐵路工程)，武漢軌道交通1號(hào)線一期工程。另外，由中國援建的1984年開通的朝鮮平壤地鐵，以及由中國承建的2000年2月21日開通一期工程的伊朗德黑蘭地鐵，用了接觸軌系統(tǒng)。這些線路總長度超過200km。

伴隨著我國地鐵建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，接觸軌技術(shù)也走過了近40年的發(fā)展歷程，這期間接觸軌技術(shù)不斷發(fā)展。近些年國內(nèi)逐步使用鋼鋁復(fù)合軌，國內(nèi)武漢首次采用，目前北京、天津、廣州地鐵已廣泛采用，如北京地鐵5號(hào)、10號(hào)線、廣州市軌道交通4號(hào)線等等。

2 接觸軌系統(tǒng)簡介

2.1 構(gòu)成

接觸軌系統(tǒng)由兩部分組成：正極供電網(wǎng)，負(fù)極供電網(wǎng)。

供電網(wǎng)由接觸軌、端部彎頭、中間接頭、電纜連接板、膨脹接頭、絕緣支架或絕緣子、絕緣防護(hù)罩、中心錨結(jié)、隔離開關(guān)、電纜等組成；回流網(wǎng)由回流軌、有關(guān)電氣設(shè)備及電纜等組成。

接觸軌系統(tǒng)主要由鋼鋁復(fù)合軌(包括鋁軌本體和不銹鋼帶)、中間接頭、膨脹接頭、電纜連接板、端部彎頭、中心錨結(jié)、接觸軌支架、接觸軌防護(hù)罩及支撐卡等相關(guān)部件組成。

2.2 鋼鋁復(fù)合接觸軌

鋼鋁復(fù)合軌，顧名思義就是鋼材和鋁材通過某種機(jī)械或物理方式結(jié)合而成的接觸軌。它是由輕質(zhì)的導(dǎo)電鋁軌本體和非常耐磨的不銹鋼接觸面構(gòu)成。軌身由高強(qiáng)度耐腐蝕鋁合金擠壓而成；接觸面是連續(xù)的不小于4.8mm厚的不銹鋼帶（一般為5～6mm）?；w材料為鋁材，因此它與低碳鋼接觸軌相比，具有重量輕，電阻小的特點(diǎn)。

“鋁合金”具有導(dǎo)電性高、導(dǎo)熱性好、耐腐蝕、吸震隔音、比重輕等優(yōu)點(diǎn)，但其弱點(diǎn)是：強(qiáng)度較低，耐磨性差；為了增加接觸軌的耐磨性能，將不銹鋼帶作為接觸面，這使鋼鋁復(fù)合接觸軌的壽命可以達(dá)到30～50年以上。而“不銹鋼”具有強(qiáng)度及硬度高、耐磨性及延展性好等優(yōu)點(diǎn)。由這兩種材料制成的層疊復(fù)合材料兼?zhèn)淞虽X和鋼的雙重優(yōu)點(diǎn)，又克服了兩者的不足之處，因此成為了一種理想的導(dǎo)電軌復(fù)合材料。

2.3 三軌的其他特點(diǎn)

隨著鋼鋁復(fù)合軌的使用，電阻率更低、牽引網(wǎng)損耗小、供電距離更長、需要的變電所數(shù)目減少，建設(shè)成本愈發(fā)低廉。其優(yōu)點(diǎn)主要有：

（1）第三軌安裝在軌道梁上，電動(dòng)車輛取流靴與第三軌接觸面大且對(duì)其磨損極小。采用第三軌式接觸網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是工程易于安裝，檢修方便、維護(hù)簡單，壽命長。由于其單位電阻值低，因此可減少牽引變電所的數(shù)量和投資，降低能耗。從實(shí)際運(yùn)行情況看，第三軌磨損也較小，壽命更長，維護(hù)次數(shù)少，因此第三軌維護(hù)成本較低。如圖1所示。

圖1 “三軌”安裝示意圖

（2）從維護(hù)成本看，由于第三軌鋪在軌道上，不需要高架網(wǎng)的軌道車便可方便檢修和維護(hù)。采用第三軌供電，盡管建設(shè)階段造價(jià)較高，但節(jié)省了架電桿、土方、用材、施工、維修等大量工程和費(fèi)用，而今后的可靠性高，維修費(fèi)用低，設(shè)計(jì)使用期長達(dá)30～50年，其經(jīng)濟(jì)效益不可估量。據(jù)粗略調(diào)查，北京地鐵運(yùn)營30年，第三軌端面磨耗僅4～5mm，基本上可以做到無維修或少維修，因而也就相應(yīng)減少了維修費(fèi)用。

（3）采用第三軌方式供電，即通過集電靴（鋼鋁復(fù)合材料）供電，用電時(shí)放下集電靴，不用時(shí)可以收起集電靴（猶如飛機(jī)的起落架）。

（4）接觸軌安裝直接在地面進(jìn)行，安裝簡便易行，相比接處網(wǎng)、剛性懸掛等地鐵受流方式均更便于安裝及維護(hù)。初期投資相對(duì)接觸網(wǎng)、剛性懸掛略高，但就長期價(jià)值進(jìn)行比對(duì)，具有后續(xù)維護(hù)量小、維護(hù)簡便的優(yōu)點(diǎn)。

（5）第三軌供電與公路交通相比，具有沒有尾氣，噪聲小，擁有獨(dú)立的通道和路線，便于集中管理，占地面積小，節(jié)能減排等優(yōu)勢(shì)，提高了土地使用率，大大節(jié)約了土地使用面積。

2.4 接觸軌的安裝形式

如圖2所示，鋼鋁復(fù)合接觸軌的安裝類似鋼軌，其安裝在絕緣支架上與木枕、混凝土軌枕或者其它基座相連。

圖2 三軌的安裝形式

接觸軌通過集電靴將電能傳輸給車輛。根據(jù)集電靴從接觸軌的取流方式不同，接觸軌的安裝方式可分為：上接觸、下接觸、側(cè)接觸三種方式。法國、美國、英國一直采用易于安裝的上接觸設(shè)計(jì)。我國的北京地鐵一號(hào)線、北京地鐵2號(hào)線工程、北京地鐵復(fù)八線工程等接觸軌也屬于上接觸方式。而德國、俄羅斯、奧地利和歐洲其他國家主要采用下接觸方式。我國投入運(yùn)營的武漢地鐵一期、廣州地鐵4號(hào)線也屬于下接觸方式，深圳市軌道交通二期龍崗線鋼鋁復(fù)合軌安裝方式也屬于下接觸。側(cè)接觸方式由于安裝精度要求高，用的較少，只在四軌系統(tǒng)有應(yīng)用。

3 鋼鋁復(fù)合接觸軌的構(gòu)成及種類

不銹鋼帶同導(dǎo)電鋁軌本體機(jī)械復(fù)合，確保了它們之間的金屬結(jié)合，從而保證鋁和不銹鋼帶間的較小的接觸電阻。20℃時(shí)，3000A復(fù)合軌的直流電阻不超過8.3μΩ/m。復(fù)合軌供貨長度為15m，每根3000A接觸軌的重量約為218kg。正在急劇增長的地鐵不銹鋼型材也是其中一類，長度達(dá)近20m，品種有十幾個(gè)規(guī)格。

目前常見的有三種結(jié)構(gòu)：①側(cè)焊復(fù)合式（圖3）；②上焊復(fù)合式（圖4）；③沖孔鉚接式（圖5）。

圖3 側(cè)焊復(fù)合式結(jié)構(gòu)

圖4 上焊復(fù)合式

圖5 沖孔鉚接式

4 不銹鋼帶生產(chǎn)技術(shù)

接觸軌的主要技術(shù)性能考核指標(biāo)是耐磨性和導(dǎo)電性能，為降低不銹鋼帶和鋁軌本體之間的接觸電阻，不管采用何種工藝復(fù)合，必須保證它們之間的密貼接觸，不得出現(xiàn)結(jié)合縫隙，否則就要降低導(dǎo)電性能。

4.1 不銹鋼帶的種類

無論是哪種形式的鋼鋁復(fù)合軌，其鋁軌本體均為擠壓直接成型的，精度比較容易保證。而不銹鋼帶是作為另一個(gè)關(guān)鍵的零件的不銹鋼帶，則根據(jù)復(fù)合軌的形式不同有三種規(guī)格：

（1）沖鉚式不銹鋼帶，見圖6，需要在冷彎成型前稱、腿高對(duì)稱，腿高盡可能小，降低鋁軌槽深（一般16mm～20mm）。

下面著重介紹沖鉚式不銹鋼帶的冷彎工藝及自動(dòng)化生產(chǎn)過程。

4.2 冷彎成型自動(dòng)生產(chǎn)線

4.2.1 生產(chǎn)線技術(shù)參數(shù)

適用板材 304不銹鋼（06Cr19Ni10） Rm=450MPaRpo≥280MPa

適用板厚 Max 6mm

過料寬度 96～126.5mm±0.2mm

卷料內(nèi)徑 ?508mm～?610mm

生產(chǎn)線速度 2～6m/min

06Cr19Ni10材料性能參數(shù)如表1所示。沖孔、壓印，以利于鉚接。

表1 06Cr19Ni10性能參數(shù)

（2）側(cè)焊復(fù)合式，類似上一種，不沖孔，成型后再增加不銹鋼邊條，經(jīng)過焊接與鋁軌本體成為一體。這種不銹鋼帶用材較寬，焊接工藝難度相對(duì)較大，對(duì)鋁軌的側(cè)下邊的形狀、尺寸要求也變高。

（3）上焊復(fù)合式，就是鋼帶分成兩條，側(cè)邊輥壓成型和鋁軌彌合，焊接為中縫焊接，即工作面上有焊縫，需要增加銑削工序來做中完成復(fù)合軌產(chǎn)品。

不銹鋼帶的冷彎成型工藝必須滿足：①鋼帶的工作表面平面度小于0.1mm；②在15m甚至長達(dá)20m的長度方向上，不銹鋼帶的內(nèi)表面（結(jié)合面）與鋁軌的接觸面形位公差一致，確保均勻密貼接觸，滿足復(fù)合工藝要求；③如果是焊接式鋼帶，鋼帶兩腿高及形狀必須高度對(duì)稱、邊沿光滑，以防止二次焊接時(shí)產(chǎn)生新的缺陷；④如果是沖鉚式鋼帶，鋼帶兩側(cè)的鉚接孔，在長度方向上均布，積累誤差要?。粌蓚?cè)孔對(duì)

圖6 不銹鋼帶沖孔（壓?。?/p>

4.2.2 工藝流程及生產(chǎn)線

工藝流程如圖7所示。

圖7 冷彎成型生產(chǎn)線工藝流程

如圖8所示，冷彎成型生產(chǎn)線包括開卷機(jī)、引料校平機(jī)、剪切對(duì)焊平臺(tái)、伺服送料機(jī)、沖孔機(jī)、冷彎成型機(jī)、定尺切斷機(jī)、出料架、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)；伺服送料機(jī)和沖孔機(jī)用來在鋼帶兩側(cè)邊沖孔并壓印，在冷彎成型機(jī)后設(shè)有定尺切斷機(jī)。

這種生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)新穎，使用卷料一次成型，可實(shí)現(xiàn)在線沖孔、使鋼帶加工序簡便，可連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)，效率高；整條生產(chǎn)線自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)的不銹鋼帶質(zhì)量穩(wěn)定，性能良好，可滿足批量生產(chǎn)鋼鋁復(fù)合軌的生產(chǎn)要求。目前多條生產(chǎn)線在國內(nèi)運(yùn)行，完全國產(chǎn)化生產(chǎn)不銹鋼帶。

4.2.3 鋼帶冷彎自動(dòng)生產(chǎn)線技術(shù)要點(diǎn)

（1）使用卷料是自動(dòng)化的保證，由于鋼帶厚而較軟，易劃傷。液壓漲緊、導(dǎo)料壓料、鏟頭是必要的。開卷也是安全隱患處和影響生產(chǎn)效率等的重要成本控制點(diǎn)。

圖8 生產(chǎn)線示意圖

（2）沖孔、壓印是沖鉚式復(fù)合軌（不銹鋼帶）加工必不可少的環(huán)節(jié)，其自動(dòng)化、柔性化非常必要。對(duì)于非沖鉚式復(fù)合軌，不銹鋼帶的加工則可省掉這一工序。

（3）冷彎成型機(jī)主要是要?jiǎng)傂院?，變形合理。保證鋼帶的截面尺寸精度和直線度、邊緣形狀等。

（4）自動(dòng)化控制技術(shù)以及齊頭對(duì)焊設(shè)備的應(yīng)用，使生產(chǎn)線達(dá)到不停機(jī)、基本無廢料生產(chǎn)。特別是對(duì)于沖鉚式不銹鋼帶的生產(chǎn)，這一點(diǎn)尤為重要。

（5）沖鉚式鋼鋁復(fù)合軌在復(fù)合前將鋼帶放入鋁軌預(yù)制的型腔內(nèi)，鋁軌兩側(cè)腿已將鋼帶兩側(cè)的小孔覆蓋，小孔變成盲孔。不銹鋼帶冷彎自動(dòng)化生產(chǎn)中的壓印工藝，可以消除鋼帶沖孔、成型加工的制造系統(tǒng)誤差和接觸軌復(fù)合過程進(jìn)給時(shí)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。

沖鉚式復(fù)合軌的使用也使不銹鋼帶與鋁軌復(fù)合技術(shù)提供了一個(gè)新的途徑，使鋼鋁復(fù)合軌的生產(chǎn)自動(dòng)化程度更高、更簡單，而且更節(jié)約、更環(huán)保。

總之，不銹鋼帶冷彎、厚板小孔沖裁工藝研究、模具設(shè)計(jì)以及冷彎技術(shù)應(yīng)用，對(duì)于特殊材質(zhì)、中厚板高精度小型冷彎型材的生產(chǎn)技術(shù)具有一定的理論指導(dǎo)意義。

5 鋼鋁復(fù)合軌的自動(dòng)化生產(chǎn)

前兩種是鋁軌本體側(cè)邊帶燕尾的鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌，不銹鋼經(jīng)焊接或其他工藝扣住兩個(gè)側(cè)邊，使鋁合金型材與不銹鋼帶緊密結(jié)合，形成一體。

5.1 中縫焊接復(fù)合

鋼帶通過輥壓或模壓的方法制成兩個(gè)J形。將制好的兩個(gè)J形鋼帶分別鉤在鋁本體的兩側(cè)，對(duì)鋼帶的頂面和側(cè)面同時(shí)加壓，使其與鋁本體密貼，并使兩個(gè)J形鋼帶的頂面處于一個(gè)平面內(nèi)，在保壓的條件下，將兩個(gè)J形鋼帶的接縫焊合，最后將焊縫修（銑）平即可。缺點(diǎn)是：①焊接過程的熱影響使鋼鋁材料的局部組織和性能發(fā)生變化，對(duì)復(fù)合前的形狀和表面質(zhì)量都有影響，且難于消除，影響鋼鋁復(fù)合軌的整體質(zhì)量；②鋼帶尺寸較其它類型大，重量重，易因偶然因素而造成兩金屬層的相互移位；③受制造技術(shù)的限制，其鋼帶的厚度不能作的較厚，只適合于輕軌的場(chǎng)合，不太適合當(dāng)今地鐵及高速鐵路的要求；④必須沿整個(gè)鋼鋁復(fù)合軌縱向進(jìn)行焊接，需要焊接專用設(shè)備，工序復(fù)雜，對(duì)焊接技術(shù)及機(jī)加工精度要求高，對(duì)要求極高的鋼帶的平直度及平順性有較大影響；⑤鋼、鋁間同樣存在縫隙，接觸電阻大，腐蝕介質(zhì)易侵入來實(shí)現(xiàn)。

5.2 側(cè)焊式復(fù)合

其模式同上，但對(duì)U型鋼帶腿高、鋁軌截面形狀要求更高，而且還需要過渡鋼帶，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用材較多，成本也相應(yīng)較高。

5.3 機(jī)械復(fù)合

其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，復(fù)合時(shí)的牢固度決定了接觸軌導(dǎo)電性、電流容量和使用壽命。

不銹鋼鋼帶及鋁軌材料準(zhǔn)備→機(jī)械復(fù)合→切斷、鉆孔→打磨→包裝。沖鉚式鋼鋁復(fù)合過程如圖9所示。

鉚接式復(fù)合軌本體由鋁軌和不銹鋼帶兩個(gè)件組成，鋁軌的電刷面上復(fù)合有不銹鋼帶，二者的復(fù)合界面實(shí)現(xiàn)無間隙結(jié)合，最大程度地節(jié)省了材料、加工方法更環(huán)保。

圖9 復(fù)合軌成形

生產(chǎn)工藝為鋁軌本體單獨(dú)擠壓成型，預(yù)先輥壓成型加工成平直的不銹鋼帶自由嵌入鋁軌槽內(nèi)，不銹鋼帶輥壓時(shí)兩側(cè)預(yù)先制好排氣孔。先將處理好的不銹鋼帶扣入鋁本體，使兩者完全吻合，然后采用模壓的方式，對(duì)軌頭的上面加壓，使鋼帶槽底內(nèi)面與鋁本體上面之間形成一定的壓應(yīng)力，在保壓的同時(shí)，對(duì)鋁本體軌頭部分兩側(cè)面同時(shí)加壓，使鋁本體緊緊包住鋼帶，同時(shí)在鋁本體上正對(duì)著鋼帶壁板小孔的部位外側(cè)面鉚壓，形成圓柱形凹坑，則在內(nèi)側(cè)面形成圓柱形凸起并嵌入鋼帶壁板上的圓孔內(nèi)，使鋼鋁結(jié)合的界面間形成了足夠的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)密貼的要求，同時(shí)也形成了凸凹連接功能，從而使不銹鋼帶與鋁軌緊密連接。在外力沖擊和運(yùn)行振動(dòng)的情況下，其連接仍是可靠的、密切的，即使鋼帶的頂部全部磨完，也不會(huì)剝落。但其缺點(diǎn)是需要專用設(shè)備，工序復(fù)雜，對(duì)母材擠壓技術(shù)及機(jī)加工精度要求高，要求有極高的鋼帶平直度、沖孔精度。