淺談成都地鐵7號(hào)線均回流電纜脹釘連接方式應(yīng)用

楊星星+榮立智+李強(qiáng)

摘要：目前成都地鐵既有線路均回流電纜連接主要以放熱焊接為主，隨著國(guó)內(nèi)其他地鐵公司線路出現(xiàn)放熱焊接連接導(dǎo)致的軌道燒傷、重傷等安全隱患，成都地鐵7號(hào)線在新線施工建設(shè)中，采用了脹釘連接方式取代放熱焊接，避免上述類似安全隱患，提高設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量。本文結(jié)合脹釘連接安裝及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析闡述，提出了幾點(diǎn)安裝注意事項(xiàng)及優(yōu)化建設(shè)，為后續(xù)均回流電纜脹釘安裝、驗(yàn)收及運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供參考經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：均回流電纜；放熱焊接；脹釘連接

1 概述

隨著軌道交通快速發(fā)展建設(shè)，國(guó)內(nèi)地鐵對(duì)高壓供電牽引系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)、可靠等方面的要求越來(lái)越高，其中均回流電纜與鋼軌連接安裝質(zhì)量，不但直接影響地鐵直流牽引供電回流不暢、打火，嚴(yán)重時(shí)可能造成軌道燒傷、跳閘等設(shè)備故障。

目前成都地鐵運(yùn)營(yíng)線路均回流電纜連接方式主要是以放熱焊接為主，隨著放熱焊方式在國(guó)內(nèi)其他地鐵線路出現(xiàn)重傷鋼軌，嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)安全后。如北京地鐵8號(hào)線及13號(hào)線運(yùn)營(yíng)中出現(xiàn)電纜與鋼軌焊接部位鋼軌重傷，深圳地鐵3號(hào)線放熱焊脫焊放電，拉弧造成軌道損傷等情況。為避免類似情況在成都地鐵后續(xù)新線出現(xiàn)，成都地鐵7號(hào)線采用了脹釘連接方式，文中對(duì)該連接方式優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行分析探討。

2 放熱焊連接

放熱焊連接主要是利用銅的氧化物，在一定溫度條件下（約1100C°及以上），發(fā)生還原反應(yīng)，將銅置出來(lái)，變成高溫金屬銅溶液，在特定模具的包裹下，將需要焊接的兩種金屬熔接在一起，形成穩(wěn)固的分子結(jié)合連接。但因銅及其合金的導(dǎo)熱系數(shù)、線帳系數(shù)和收縮率大小不同，焊接過程中分子移動(dòng)伸縮變化不一致，加上焊前鋼軌預(yù)熱和焊后保溫難，焊后冷卻速度快，使之易出現(xiàn)氣孔和未融合缺陷，導(dǎo)致融合連接處過熱產(chǎn)生較多的電腐蝕化合物，使鋼軌含碳量提高，變硬、變脆，在焊接處應(yīng)力、鋼軌長(zhǎng)期振動(dòng)及熱脹冷縮作用下，出現(xiàn)鋼軌與電纜焊接部位脫焊，導(dǎo)致燒傷及重傷鋼軌等情況。

且在焊接過程中，首先模具、焊藥成本相對(duì)較高，施工時(shí)間長(zhǎng)，后續(xù)既有線換軌及放熱焊接作業(yè)無(wú)法交叉施工，很難在一個(gè)計(jì)劃作業(yè)點(diǎn)內(nèi)完成整個(gè)施工作業(yè)；其次焊藥屬于易燃易爆物品，不方便保存運(yùn)輸，不便檢查監(jiān)控質(zhì)量?jī)?yōu)劣；再次焊接過程中屬于明火作業(yè)，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大，且過程中溫度較高易對(duì)鋼軌造成燒傷，最后放熱焊接受鋼軌外表及環(huán)境溫度影響較大，焊接質(zhì)量易受到影響。

3 脹釘連接

3.1脹釘連接簡(jiǎn)介

脹釘連接是軌道交通專用脹釘將地鐵供電均回流電纜與鋼軌連接，單套脹釘包括鍍錫銅套、不銹鋼螺栓、墊圈、平墊片及自鎖螺母。安裝方式是通過專用配套鋼軌鉆孔機(jī)進(jìn)行鋼軌鉆孔、去毛刺，其次用專用配套液壓拉鉚機(jī)將鍍錫銅套安裝在鋼軌孔內(nèi)拉鉚鎖緊，再次用螺栓將均回流電纜銅接線端子連接緊固，最后在導(dǎo)線焊接部位（包括鋼軌研磨面）及導(dǎo)線端子表面，進(jìn)行防銹處理，在連接的地方涂防銹黃油即可，詳細(xì)安裝步驟如下圖所示。

3.2 脹釘連接安裝注意事項(xiàng)

鉆孔前要做好準(zhǔn)備工作，將鉆孔機(jī)固定在鋼軌已打磨處，鉆孔位置必須在鋼軌中軸線上，距離軌縫及孔間距離要滿足相關(guān)軌道技術(shù)要求，建議鉆孔位置距離軌縫不小于800mm，孔間距離不小于200mm；其次鉆孔過程中要注意一直加水進(jìn)行冷卻，防止鉆頭溫度過高及卡滯；再次脹釘安裝過程中要注意銅套拉鉚方向，由線路外側(cè)向內(nèi)進(jìn)行，避免與接線端子接觸導(dǎo)流銅套管方向安裝錯(cuò)誤；最后要注意使用配套的電纜接線端子，該接線端子要與鋼軌彎曲外表面配合，方便后續(xù)電纜安裝固定，避免接線端子與軌道導(dǎo)流燒傷鋼軌。

圖4 脹釘連接均回流電纜效果圖

4 脹釘連接可行性分析及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

4.1 脹釘連接可行性分析

7號(hào)線均回流電纜通過在鋼軌軌腰處開孔（尺寸為Φ19）安裝，并使用配套的脹釘拉鉚后通過不銹鋼螺栓連接，緊固力矩要求為86N.m，并使用電纜卡子固定均回流電纜，安裝緊固后做抗拉抗震防松測(cè)試，試驗(yàn)后電纜連接牢固，機(jī)械性能滿足設(shè)計(jì)要求。并通過過渡電阻阻值專項(xiàng)測(cè)試檢驗(yàn)脹釘安裝電氣性能，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)脹釘與鋼軌連接處電阻阻值為22uΩ，未見有明顯的溫升發(fā)熱變色現(xiàn)象，能較好滿足導(dǎo)流要求。同等環(huán)境條件下實(shí)測(cè)1m完整鋼軌的電阻值為51uΩ，連接過渡電阻小于1m鋼軌電阻阻值，滿足雜散電流防腐蝕系統(tǒng)施工設(shè)計(jì)要求。

4.2脹釘連接優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

脹釘連接主要優(yōu)點(diǎn)是脹釘銅套能與鋼軌孔內(nèi)表面緊密壓接不留空隙，抗氧化、接觸面大、接觸電阻小、導(dǎo)流效果較好等。該連接方式主要通過電纜接線端子與銅套管形成電流通路，不通過螺栓導(dǎo)流，從而避免了螺桿導(dǎo)流不暢燒傷鋼軌的隱患；其次脹釘連接操作簡(jiǎn)單，施工安裝及后續(xù)維護(hù)簡(jiǎn)單便捷，耗時(shí)較短，連接穩(wěn)定可靠，可定期進(jìn)行連接緊固檢查維護(hù)，避免出現(xiàn)脫焊及脫落等情況；再次脹釘連接的均回流電纜連接端子可提前預(yù)制壓接，節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，且在后續(xù)既有線維護(hù)改造時(shí)接線端子可重復(fù)利用，節(jié)約維護(hù)成本。缺點(diǎn)主要是鋼軌岔心處無(wú)法打孔使用脹釘連接，線路均回流電纜脹釘連接無(wú)法全部覆蓋；其次是需要配置相關(guān)安裝工具，前期投資較大，且鋼軌鉆孔配置的高精度空心鉆頭及成套脹釘成本較高。

通過現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)試驗(yàn)，簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)對(duì)比目前常用的放熱焊接、光焊及脹釘連接作業(yè)消耗成本，放熱焊接一條電纜消耗2套焊藥，其成本約400元，光焊一條接續(xù)電纜至少需要消耗六套磁環(huán)和銅子彈，其材料成本約100元左右，但焊接成功率較低，脹釘連接消耗脹釘兩套其成本約300元。綜合維護(hù)成本、日常操作及可靠性等方面對(duì)比分析，脹釘連接方式要優(yōu)于其他兩種，詳細(xì)的作業(yè)材料成本對(duì)比見下表1所示：

5 脹釘連接優(yōu)化建議

5.1岔心處加設(shè)連接軌孔

受鋼軌岔心結(jié)構(gòu)及材質(zhì)影響，其一岔心處軌道厚度較正線鋼軌較厚，配置鋼軌鉆孔的空心鉆頭行進(jìn)行程長(zhǎng)度不足；其二岔心鋼軌外形成不規(guī)則形狀，無(wú)法與鉆孔機(jī)固定模具匹配固定，導(dǎo)致鉆孔機(jī)與軌道無(wú)法固定，鉆孔位置易出現(xiàn)錯(cuò)位偏差；最后因岔心處鋼軌材質(zhì)含錳成份較高，鋼軌強(qiáng)度較硬，鉆孔較難及耗時(shí)較長(zhǎng)，導(dǎo)致脹釘連接方式在岔心處無(wú)法直接連接使用。根據(jù)以上分析，改進(jìn)消除脹釘連接該缺陷，建議鋼軌岔心在廠家生產(chǎn)制造時(shí)，充分考慮相關(guān)專業(yè)接口，配置預(yù)留與均回流電纜脹釘連接的鋼軌孔洞，如下圖岔心位置所示，將該位置孔洞加大滿足均回流電纜連接尺寸即可。

5.2脹釘銅套管材質(zhì)設(shè)計(jì)優(yōu)化

考慮鋼軌材質(zhì)與脹釘導(dǎo)流套管銅材質(zhì)不一致，導(dǎo)流能力不同，且在熱脹系數(shù)及導(dǎo)熱等方面均存在差異，為避免不同材質(zhì)直接連接導(dǎo)流產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致導(dǎo)流性能下降，溫升變化加劇影響導(dǎo)流最終受熱脹冷縮及內(nèi)部應(yīng)力作用下造成連接部位出現(xiàn)縫隙及連接松動(dòng)等，進(jìn)而燒傷鋼軌內(nèi)部造成軌道重傷。建議脹釘銅套管可參考電連接銅鋁過渡端子設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)改良成合金部件，內(nèi)部材質(zhì)與鋼軌相同，外部為銅材質(zhì)，通過特殊工藝一次成型為一個(gè)有效可靠的導(dǎo)流過渡連接件。

5.3鋼軌預(yù)設(shè)脹釘連接軌孔

通過前期脹釘連接安裝施工及消耗成本分析，脹釘連接安裝主要分為兩大步，首當(dāng)其沖即是鋼軌鉆孔，耗時(shí)較長(zhǎng)，占整個(gè)脹釘連接均回流電纜施工作業(yè)時(shí)長(zhǎng)的70%左右，且還需要耗費(fèi)大量資金購(gòu)置配套的鋼軌鉆孔機(jī)及空心鉆頭，并加重作業(yè)過程中工具器及材料的準(zhǔn)備搬運(yùn)，因此為縮短脹釘連接施工時(shí)間，節(jié)省前期鋼軌鉆孔及配套鉆口運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，提高作業(yè)效率，建議運(yùn)營(yíng)采購(gòu)鋼軌備件時(shí)要求在軌道連接處原有基礎(chǔ)上預(yù)設(shè)均回流連接孔洞，使用防銹防污措施密封保護(hù)，在后續(xù)換軌作業(yè)時(shí)，可直接使用，方便快捷。

6 小結(jié)

脹釘連接方式避免了放熱焊接可能導(dǎo)致的脫焊及運(yùn)營(yíng)安全隱患，且施工運(yùn)營(yíng)維護(hù)方便，在軌道交通實(shí)際應(yīng)用中，特別是在既有地鐵線路改造過程中，脹釘連接施工時(shí)間、效率及可靠性等方面更具優(yōu)勢(shì)，但上述脹釘連接優(yōu)越性及運(yùn)用情況有待后續(xù)運(yùn)營(yíng)使用及時(shí)間驗(yàn)證。若能將文中分析的缺陷及其他不足進(jìn)行優(yōu)化提升，總結(jié)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，高質(zhì)量高標(biāo)準(zhǔn)全線全覆蓋安裝，可有效提升地鐵行業(yè)供電系統(tǒng)均回流電纜安裝工藝，更好為供電系統(tǒng)提供可靠保證。

參考文獻(xiàn)：

[1]詹先柏.地鐵供電均、回流電纜與鋼軌脹接方式的分析與探討.交通運(yùn)輸.2013.（23）。

[2]趙驚華.供電均回流電纜在鋼軌上的連接方式.都市快軌交通.2013.（4）。