地鐵供電均、回流電纜與鋼軌脹接方式的分析與探討

詹先柏

摘要：目前國(guó)內(nèi)地鐵供電回流電纜與鋼軌連接方式普遍采用放熱焊、銅板螺栓連接方式。由于這些連接方式均對(duì)施工安裝工藝、材料制造及環(huán)境要求較高，現(xiàn)場(chǎng)施工人員很難控制，因而在國(guó)內(nèi)多個(gè)城市地鐵運(yùn)行中出現(xiàn)不少均回流連接問(wèn)題造成鋼軌燒傷和鋼軌重傷事件，給地鐵運(yùn)營(yíng)帶來(lái)較大的安全隱患。文章結(jié)合國(guó)內(nèi)城市地鐵放熱焊接和銅板螺栓連接方式導(dǎo)致多處鋼軌重傷換軌的實(shí)例進(jìn)行深入的分析和探討，指出不足之處，提出整改建議，為軌道交通地鐵行業(yè)供電維修技術(shù)人員及新線設(shè)計(jì)、建設(shè)人員提供了參考經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：地鐵供電；回流電纜；鋼軌脹接；脹接分析

中圖分類號(hào)：U231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）23-0096-03

1 概述

隨著我國(guó)城市軌道交通的迅猛發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)地鐵高壓供電系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)、可靠、連續(xù)性供電要求越來(lái)越高。牽引均回流電纜與鋼軌連接質(zhì)量，不但直接影響地鐵牽引供電回流不暢、打火，甚至造成鋼軌嚴(yán)重?fù)p傷和斷軌。目前，國(guó)內(nèi)絕大部分城市地鐵供電回流與鋼軌連接方式采用放熱焊和螺栓連接方式，少量城市地鐵線也開(kāi)始采用光焊接方式。但隨著放熱焊和螺栓連接方式相繼在各城市地鐵線路出現(xiàn)重傷鋼軌，嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)安全后。如在北京地鐵八通線和13號(hào)線運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)電纜與鋼軌焊接部位斷軌和重傷數(shù)10起，而在深圳地鐵采用螺栓連接在開(kāi)通運(yùn)行短短兩年時(shí)間中燒傷鋼軌23起和換軌超過(guò)13起。近年來(lái)，國(guó)外及南方地鐵城市開(kāi)始使用脹接方式替代其他連接方式，文中對(duì)該連接方式的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用前景進(jìn)行分析探討。

2 深圳地鐵均回流電纜燒損原因分析

2.1 高架段銅排焊接連接方式及燒損原因

深圳地鐵三號(hào)線高架段地鐵牽引回流與鋼軌連接方式采用如圖1所示放熱焊方式，先將銅板與鋼軌左右軌采用放熱焊方式相焊接，再將7根牽引回流電纜與焊接銅排采用螺栓方式相連。此線路2010年投入運(yùn)行，到2012年年底，在兩年的運(yùn)行時(shí)間里，80%焊接點(diǎn)出現(xiàn)不同程度的脫焊放電拉弧現(xiàn)象，并重傷鋼軌2起，輕傷2起。僅剩5處未脫焊。燒傷脫焊主要原因是放熱焊焊接口在長(zhǎng)期列車振動(dòng)和鋼軌熱脹冷縮作用下，出現(xiàn)脫焊和斷裂。

2.2 地下段螺栓加特制銅排連接方式及燒傷原因

深圳地鐵三號(hào)線地下段地鐵牽引回流與鋼軌連接方式采用如下圖所示銅板螺栓連接方式，先加工兩塊鋼軌軌腰面相吻合的銅板，再將兩塊銅板夾到同一鋼軌軌腰兩側(cè)，用4顆12高強(qiáng)度螺栓連接好后，再將7根牽引回流電纜與過(guò)渡銅排采用鋼制螺栓方式相連。此種運(yùn)行方式，在投運(yùn)不到兩年中，先后出現(xiàn)大量鋼軌與回流銅排連接處、均流普通螺栓連接處大面積燒傷或重傷鋼軌10多起。其主要原因是接觸面及螺栓與螺孔有空隙，不可能密閉連接，加上鋼軌易氧化，導(dǎo)致通流面越來(lái)越少，先由面到線再到點(diǎn)接觸而出現(xiàn)打火燒傷，導(dǎo)致全線均回流連接方式徹底整改。

3 均、回流電纜與鋼軌連接方式分析

3.1 放熱焊接

放熱焊接是國(guó)內(nèi)既有地鐵運(yùn)營(yíng)線路中應(yīng)用最廣的方式，主要利用銅的氧化物，在一定高溫的條件下，發(fā)生還原反應(yīng)，將銅置出來(lái)，變成高溫金屬銅熔液，在特制模具的包裹下，將需要焊接的兩種金屬熔接在一起，形成穩(wěn)固分子結(jié)合，相比傳統(tǒng)的金屬連接工藝具有更強(qiáng)的耐腐蝕能力、過(guò)載能力以及熱穩(wěn)定性，同時(shí)還具有焊接速度快、焊接牢固、維修工作量少、不易腐蝕、接觸電阻小、無(wú)需外加能源等優(yōu)點(diǎn)。但此種焊接方式經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)數(shù)家地鐵了解，發(fā)現(xiàn)地鐵均、回流電纜與鋼軌連接采用放熱焊時(shí)，主要在北方冬季，由于天氣寒冷、焊前鋼軌預(yù)熱和焊后保溫難、焊藥質(zhì)量差、焊上加焊、重復(fù)焊、焊點(diǎn)過(guò)密及施工除銹不徹底等多重原因造成焊點(diǎn)脫焊、重傷鋼軌和斷軌。但其根原主要是由于銅及其合金的導(dǎo)熱系數(shù)、線脹系數(shù)和收縮率大，焊后冷卻速度快，使之易出現(xiàn)氣孔和未熔合缺陷，導(dǎo)致熔合區(qū)過(guò)熱產(chǎn)生較多馬氏體，使鋼軌含碳量過(guò)高、變硬、變脆，在焊接處內(nèi)應(yīng)力和長(zhǎng)期疲勞的作用下，出現(xiàn)如北京地鐵八通線和13號(hào)線回流電纜與鋼軌焊接部位脫焊、重傷鋼軌和斷軌現(xiàn)象。

3.2 螺栓連接

螺栓連接方式主要采用預(yù)先加工與鋼軌相吻合的過(guò)渡回流銅夾板，在鋼軌中和軸上打孔，再用防松螺栓使過(guò)渡回流銅板與鋼軌連接，最后將回流電纜與過(guò)渡銅排用防松螺栓連接。如上圖所示，深圳地鐵三號(hào)線回流銅排采用螺栓連接方式，回流銅排螺栓孔數(shù)為3個(gè)，孔距為180mm，孔洞直徑為13、連接螺栓采用高強(qiáng)度12的不銹鋼螺栓。鋼軌兩面夾回流銅板，電纜直接連接在連接銅板上。但此種連接方式其優(yōu)點(diǎn)是施工方便、工藝簡(jiǎn)單、成本低、更換維修方便。其缺點(diǎn)是螺栓與孔洞之間及回流銅板與鋼軌軌腰面很難緊密結(jié)合，存在一定間隙，隨著雨淋日曬和運(yùn)行時(shí)間推移，導(dǎo)電膏失效、鋼軌振動(dòng)和氧化加劇，導(dǎo)致接觸電阻過(guò)大，從而在螺栓、銅板連接處及鋼軌中間的螺桿出現(xiàn)發(fā)熱和放電燒傷現(xiàn)象。深圳地鐵三號(hào)線螺栓連接普遍存在輕傷和重傷鋼軌數(shù)10起。

3.3 光焊連接

光焊接采用了硬釬焊的基本原理，利用直流電壓、大電流經(jīng)起弧提供光熱能，熔化焊料焊劑，然后將其壓到焊接面上，使之滲透到焊體表面，讓分子之間形成堅(jiān)實(shí)緊密的焊接層，達(dá)到焊接目的。如廣州地鐵五號(hào)線采用的回流光焊，實(shí)際上是一種低溫冷焊技術(shù)，它需要產(chǎn)生的溫度較低，一般控制在600℃～700℃，焊接時(shí)間控制在1秒左右，較放熱焊1100℃及以上的溫度要低得多，故在南方基本無(wú)需預(yù)熱和保溫，且對(duì)鋼軌傷害較放熱焊少，產(chǎn)生馬氏體量較少。但其缺點(diǎn)是不同焊接件截面、體積、大小和環(huán)境溫度都對(duì)焊接拉弧時(shí)間及焊接溫度不好控制。易出現(xiàn)焊料溢出、焊點(diǎn)凹陷、拉弧時(shí)間過(guò)短焊料未能完全熔化、焊點(diǎn)凸出、焊點(diǎn)松動(dòng)等缺陷。導(dǎo)致焊接成功率較其他方式低，返工率高，因而在國(guó)內(nèi)地鐵系統(tǒng)中也未得到推廣使用。

3.4 脹釘連接

脹接方式是用軌道交通專用脹釘將地鐵供電均、回流電纜與鋼軌連接。單面脹釘基本組成包括不銹鋼墊圈、鍍錫銅套、不銹鋼螺栓、不銹鋼扁平墊圈及不銹鋼自鎖螺母。安裝方式是先用高精度專用配套

裝夾式鋼軌鉆孔機(jī)對(duì)鋼軌鉆孔、去毛刺、再用專用脹接液壓工具將圓柱體銅套安裝在鋼軌孔內(nèi)鎖緊，最后用螺栓將轉(zhuǎn)接銅線鼻子進(jìn)行連接即可。脹接方式主要優(yōu)點(diǎn)是脹釘銅套能與鋼軌孔內(nèi)面緊密壓接不留氣隙、抗氧化、接觸面大、接觸電阻小、通流能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于脹釘導(dǎo)流主要是通過(guò)銅套與銅線鼻子形成通路，不經(jīng)連接螺桿導(dǎo)流，從而避免了螺栓連接方式導(dǎo)流不暢燒傷鋼軌的隱患。其缺點(diǎn)是質(zhì)量好的脹釘價(jià)格較高、需配置專用鋼軌高精度空心鉆頭，脹釘插入液壓工具等，如圖5所示：

4 均、回流電纜與鋼軌連接缺陷的整改

經(jīng)過(guò)國(guó)（含港鐵）內(nèi)多家地鐵連接方式調(diào)研結(jié)論，針對(duì)深圳地鐵三號(hào)線均、回流電纜焊接及螺栓連接出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行全線整改，對(duì)回流電纜改用直徑為19mm或22mm的進(jìn)口單面全脹式脹釘連接，盡量利用原有螺孔進(jìn)行擴(kuò)孔，相鄰孔邊到孔邊的凈距離必須大于60mm，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)脹釘脹接方式進(jìn)行更優(yōu)化改進(jìn)如下圖，采用過(guò)渡回流板和絕緣板與鋼軌隔離，使回流銅板一面直接與脹釘銅套相連，另一面與回流電纜線鼻子相連，從而更有效提高導(dǎo)電性能，防止連接處放電拉弧燒傷鋼軌的隱患。而對(duì)均流電纜、OV電纜改用13.5mm的單面全脹式脹釘連接，原螺栓孔的孔徑由Φ12mm擴(kuò)至Φ13.5mm，擴(kuò)孔后兩個(gè)相鄰孔邊到孔邊的凈距離必須大于50mm。用此種方式進(jìn)行整改，施工方便、作業(yè)工器具簡(jiǎn)單、利用夜間休車作業(yè)，對(duì)運(yùn)營(yíng)線路沒(méi)有影響。整改后運(yùn)行至今未發(fā)現(xiàn)任何鋼軌燒損痕跡。

5 結(jié)語(yǔ)

脹接方式克服了放熱焊易產(chǎn)生馬氏體的缺點(diǎn)和光焊工藝難控制、焊接成功率低及螺栓連接不緊密、易氧化而燒傷鋼軌的缺陷。具有施工及運(yùn)營(yíng)維修方便，在軌道交通實(shí)際應(yīng)用中，尤其是既有地鐵線路改造中，脹接方式更具優(yōu)勢(shì)，值得推廣和使用，但地鐵設(shè)計(jì)、建設(shè)、施工和運(yùn)營(yíng)供電人員需注意如下事項(xiàng)：

（1）鋼軌鉆孔一定要采用專用裝夾式鉆孔機(jī)，并配置專用高精度鉆頭，嚴(yán)格控制鉆孔精度，防止孔洞偏斜和直徑偏差過(guò)大。

（2）選用脹釘廠提供配套的專用脹釘插入工具，并正確選擇壓力值。

（3）鉆孔和除去孔毛刺后，立即進(jìn)行脹釘與鋼軌脹接，否則孔內(nèi)表面易產(chǎn)生氧化生銹，從而影響導(dǎo)電性能。

（4）鋼軌兩孔距之間要保持足夠的安全距離，否則，可能引起鋼軌硬傷過(guò)密和斷軌。

（5）選用合適脹釘尺寸，滿足載流量要求；同時(shí)，應(yīng)采取防止線端子與鋼軌直接接觸而打火燒損。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚偉偉，等.地鐵電纜與鋼軌快速銅熱焊接方法的分析與研究[J].城市軌道交通，2006，（1）.

[2] 趙驚華，等.供電均回流電纜在鋼軌上的連接方式

[J].都市快軌交通，2013，（4）.