軌道工程

軌道工程 朱 旭 2010 年 4 月 備註 : 本資料乃爲學術研習所作之初步稿件, 謹供學生以 PDF 學習, 以求教學相長

課程大綱 第四章 軌道系統諸元 第一節 鋼軌 第二節 特殊軌 第三節 扣件系統 第四節 彈性基鈑 第五節 鋼軌接頭 第六節 端末設施 第七節 導電軌 ( 第三軌 ) 系統 2

前言 扣件系統係泛指固定鋼軌的所有零件統稱 3

扣件系統種類 混凝土枕 (Concrete Cross Tie) 扣件系統 木枕 (Wood Cross Tie) 扣件系統 彈性基鈑或稱直接固定式扣件系統 (Direct Fixation Fastener,DFF) 4

道碴道床軌道扣件系統特性 道碴具有吸音減振功能, 扣件系統除彈性扣夾 (Spring Clip) 外, 無需軟的彈性材 木枕扣件系統 : 木枕質軟, 鋼軌與木枕之間需使用金屬墊鈑 (Baseplate), 俾保護木枕並提供鋼軌較大承載面積 混凝土枕扣件系統 : 鋼軌可直接座落在混凝土枕上, 惟其間會使用一塊彈性係數較高的彈性材, 稱為鋼軌墊片 (Rail Pad), 目的在提供絕緣需求 5

無道碴道床軌道扣件系統特性 扣件系統將視道床的減振功能而有不同的設計 簡單者如混凝土枕所使用的彈性扣夾 鋼軌墊片及額外之彈性材 複雜者為彈性基鈑 ( 留待本章第四節再作介紹 ) 6

鋼軌扣件系統包絡線 為了避免干擾電聯車運行與軌道維修車輛作業, 扣件系統外露的所有零件宜設計在此包絡線內 節錄自歐洲標準 7

扣件系統基本功能 扣壓力 (Toe Load) 垂向彈性 (Vertical Spring) 縱向束制 (Longitudinal Restraint) 側向束制 (Lateral Restraint) 8

扣件系統基本功能 扣壓力 扣件系統是利用彈性扣夾對鋼軌底部上方提供一個垂直向下的負荷, 此負荷稱為扣壓力 鋼軌承受輪軌負荷不致側移 傾倒, 因溫度變化不致挫屈或拉斷等, 主要就是因為扣壓力所致 9

扣件系統基本功能 垂向彈性 早期用在木枕上的鈎頭道釘, 其初始扣壓力亦可達到每支 6KN 的扣壓力, 但因道釘不具有彈性, 在輪軌負荷反覆作用下, 道釘逐漸鬆動 浮起, 道釘對鋼軌的扣壓力喪失而功能失效 目前新建軌道都是使用彈性扣夾, 此類扣夾在長期使用下, 不易鬆動或造成扣壓力的降低, 故不僅確保行車安全, 且可大幅減少養護維修工作 10

扣件系統基本功能 縱向束制 扣件系統對鋼軌提供扣壓力的同時, 因鋼軌與鋼軌墊片 扣夾絕緣子 (Clip Insulator) 等之間的磨擦係數, 也提供鋼軌一定的縱向束制力, 以抵抗鋼軌的滑行 每一扣件所提供的最大縱向束制力為扣壓力與磨擦係數的乘積 11

扣件系統基本功能 縱向束制 不動區間 : 累積的縱向束制力與鋼軌所受的縱向負荷相等的區域, 鋼軌與扣件之間不再發生相對滑行 可動區間 : 累積的縱向束制力低於鋼軌所受的縱向負荷的區域, 每一扣件系統除提供固定的縱向束制力外, 鋼軌與扣件之間亦會發生相對滑行, 惟滑行量隨著縱向束制力的累積而逐漸減小 12

扣件系統基本功能 側向束制 鋼軌與鋼軌墊片 扣夾絕緣子 (Clip Insulator) 等之間的磨擦係數, 除提供鋼軌一定的縱向束制力外, 同時對鋼軌亦有側向束制行為, 惟此側向束制力一般並不足以平衡鋼軌所受的側向負荷, 故需借助鋼肩 (Shoulder) 設計或對扣夾作特別考量, 以機械方式有效限制鋼軌的側向位移 13

扣件系統選用原則 整體成本低 締結及拆裝便利 安全性 適用任何道床 適用一般與特殊軌 維修性 市場普遍性 耐久性 舒適性 14

混凝土枕扣件系統 鋼軌墊片 (Rail Pad) 扣夾絕緣子 (Clip Insulator) 鋼軌扣夾 (Rail Clip) 錨定組件 (Anchor Assemblies) 15

混凝土枕扣件系統 鋼軌墊片 鋼軌墊片是介於鋼軌與混凝土枕之間的彈性材 係用來過濾輪軌中的高頻動態負荷, 以保護混凝土枕 提供鋼軌絕緣與縱向束制抵抗等 16

混凝土枕扣件系統 鋼軌墊片 材質 天然橡膠 (Natural Rubber) 乙烯 - 醋酸乙烯共聚物 (Ethylene Vinyl Acetate Copolymer, EVA) 高密度聚乙烯 (High Density Polyethylene,HDPE): 具有成本低 耐久性 高電氣絕緣等特性, 而廣為使用 17

混凝土枕扣件系統 鋼軌墊片 材質 EVA 與 HDPE 具有成本低 耐久性 高電氣絕緣等特性, 而廣為使用 EVA 軟化點 (Softening Point) 相當低, 而 HDPE 低溫易脆化, 故 EVA 適用在低溫地區,HDPE 則用在溫度較高的地區 18

混凝土枕扣件系統 扣夾絕緣子 介於扣夾與鋼軌底部上方之絕緣材料 屬選擇性零件 材質同鋼軌墊片 可提供扣件系統對鋼軌的縱向束制力, 其值約為鋼軌墊片與鋼軌之間磨擦係數的 1/3 19

混凝土枕扣件系統 鋼軌扣夾 分類 固定方式 : 螺栓式 非螺栓式 外觀 : 鋼條 鋼鈑 鋼塊 縱向阻力 : 高縱向阻力與低縱向阻力 彈性與否 : 彈性 非彈性 20

鋼軌扣夾彙整 固定方式外觀 扣夾名稱 螺栓式 非螺栓式 鋼條德國 Vossloh W 型扣夾法國 Stedef Nabla 扣夾 RN 扣夾鋼鈑日本 102 型扣夾等鋼塊德國 K 型扣夾英國 Pandrol e 型扣夾 PR 型扣夾 FastClip 荷蘭 DE 扣夾鋼條美國 Sidewinder 扣夾瑞士 Fist 扣夾瑞典 Hambo 扣夾澳洲 Mc Kay Safelok 扣夾鋼鈑英國 Pandrol Safelok Ⅲ 型扣夾澳洲 Rex-Lok 扣夾 21

Pandrol 扣夾 英國 Pandrol International Limited 公司所發展的各型扣夾泛稱為 Pandrol 扣夾 Pandrol 公司自 1937 年開始以生產各型軌道扣件系統聞名於世, 現有生產工廠達十數家, 遍佈全球 所生產的扣夾以 PR 型扣夾 e 型扣夾 快速扣夾 (FastClip) 最為有名 22

Pandrol e 型扣夾 國內臺鐵環島鐵路網 中鋼廠區路網主要是使用 Pandrol e 型扣夾 23

Pandrol PR 型扣夾 24

Pandrol e 型與 PR 型扣夾 扣夾特性曲線圖 25

Pandrol 快速扣夾 (FastClip) 26

Pandrol 快速扣夾 50 扣壓力 (KN) 40 30 20 10 正常扣壓力 12.3KN 快速扣夾 最小變位 10mm 0 2 4 6 8 10 12 彈簧變位 (mm) 扣夾特性曲線圖 27

Vossloh 扣夾 (1/4) W14 Vossloh Rail Systems GmbH 為德國生產鋼軌扣件系統之專業廠商, 成立於 1872 年 年產量超過三仟萬個 Vossloh 扣夾形狀呈 W 型, 故又稱為 W 型扣夾 28

Vossloh 扣夾 (2/4) SKL-1 型 臺北捷運迄今均使用 Vossloh 扣夾 PC 枕或無道碴道床之一般軌區是使用 SKL-1 型 木枕段或特殊軌區是使用 SKL-12 型 SKL-12 型 29

Vossloh 扣夾 (3/4) SKL-1 型 SKL-12 型 扣夾特性曲線圖 30

Vossloh 扣夾 (4/4) SKL-15 型 高鐵正線特殊軌區及樹林以北 ( 不含臺北車站 ) 路段是使用 Vossloh 扣夾 ( 包括 W14 SKL-12 SKL-15 型 ) 31

PC 枕扣件設計考量功能性規試驗證範專業廠商設計測32

臺北捷運功能性規範 扣件是用來將 UIC 60 運行軌固定在混凝土枕上, 鋼軌扣件應屬彈性類型 扣件應能負載至少 200 百萬噸, 且至少有 4 年成功的用在使用混凝土枕和連續長焊鋼軌之電化鐵路或捷運系統正線上 扣件應具簡單 自張性 (self tensioning) 能提供所需之固定扣壓力值 (toe loads) 在軌道環境和服務條件下能承受反覆負荷, 無需經常進行維修工作 在直線或曲線段其應能保持正確之軌距 33

臺北捷運功能性規範 基於實用考量, 扣件所包含之零件應儘量簡化 零件應易於辨認且無法作錯誤安裝 所有零件均能經由目視作檢驗, 而無需移除任何零件或道碴 扣件應適用於有 / 無號誌電流之直流電軌道電路之軌道上 所有零件應能抵抗軌道所在環境之腐蝕 扣件應容許個人使用手動工具來完成整體扣件或其任何零件之安裝或置換 34

臺北捷運功能性規範 扣件之每一零件應加永久性標記以供辨識, 識別資料之標記位置與方法應示於施工圖上 廠商應提出鋼軌在扣件固定下發生縱向滑動之靜態作用力值與動態作用力值 當安裝在軌道後, 整體的安裝應滿足電氣絕緣要求 35

臺北捷運功能性規範 彈性扣夾在變形量達 14 公厘後須能回復至原始設計形狀, 且負荷與變形量須呈線性關係 彈性扣夾經 ASTM B117 1000 小時以上之試驗後, 刮痕擴張與鏽蝕等級分別依 ASTM D1654 程序 A 與 ASTM D610 判定均須在級數 8 或 8 以上 36

臺北捷運測試驗證 鋼軌扣件動態爬行試驗 (Rail Fastening Dynamic Creep Test): 將震動馬達安裝在鋼軌上, 該馬達在頻率 2850cpm 下足以輸出 2500 牛頓垂直作用力 鋼軌受振動下, 產生連續移動之最小荷重, 視為扣件動態爬行抵抗 變形在服務點 (Service Point)1 公厘內 頻率 1000cpm 曝露 3 仟萬週次之反覆作用下, 所顯示之鉗制力應無損失 37

臺北捷運測試驗證 支承 SUPPORT 鋼棒 STEEL BAR 加載位置 C L LOAD 200 200 高強度圓桿其端點與預埋件相配對 HIGH STRENGTH ROD WITH END TO MATCH INSERT 混凝土枕 CONCRETE TIE 預埋組件 INSERTS 支承需座落在 HYDROCAL, HYDROSTONE 或其他經工程司核可之材料上 SUPPORT TO BE SEATED IN HYDROCAL, HYDROSTONE OR OTHER MATERIAL APPROVED BY THE ENGINEER 鋼軌扣件預埋件試驗 (Fastening Insert Test) 加載荷重至少為扣夾施加在鋼軌底座作用力之 5 倍, 並至少持續 3 分鐘 經由目視檢查時, 預埋件不得有移動 混凝土不得有開裂 38

臺北捷運測試驗證 鋼軌 RAIL 端視圖 淨距 CLEAR (END VIEW) 支承中心線 C L SUPPORT 支承需座落在 HYDROCAL. 250 HYDROSTONE 或其他經工程司核可之材料上 SUPPORT TO BE SEATED IN HYDROCAL, HYDROSTONE OR OTHER MATERIAL APPROVED BY THE ENGINEER 枕木另一端支承 SUPPORT OPPOSITE END OF TIE 墊塊, 提供鋼軌底座一均勻之支承 BLOCKING TO PROVIDE UNIFORM BEARING UNDER RAIL BASE 加載位置及鋼軌中心線 C L LOAD AND RAIL 側視圖 支承中心線 CL SUPPORT 250 加載框架 LOADING FRAME 混凝土枕 CONCRETE TIE (ELEVATION) 鋼軌扣件拉拔試驗 (Fastening Uplift Test) 對鋼軌逐漸施加一荷重, 並記錄鋼軌自墊片或墊片自軌座分離之荷重 P ( 取最先發生者 ) 將荷重完全解除, 再施加 1.5P 之荷重 混凝土內之預埋件不得被拔出或鬆動 扣件系統之任何零件應無破裂且鋼軌應無鬆動 39

臺北捷運測試驗證 彈簧支承每側提供 0.3P 之向上作用力 0.3P EACH SIDE FOR SPRING NESTS 鋼軌中心 C OF RAIL L 70 90 雙動油壓槌為 0.6P 0.6P FOR DOUBLE ACTING HYDRAULIC RAM 雙動油壓槌為 75KN 75KN FOR DOUBLE ACTING HYDRAULIC RAM 單動油壓槌和彈簧支承為 75KN+0.6P 75KN+0.6P FOR SINGLE ACTING HYDRAULIC RAM AND SPRING NESTS 鋼軌軌距側 GAUGE SIDE OF RAIL 枕木穩固地嵌在支承上 TIE BLOCK SECURELY FASTENED TO SUPPORT 鋼軌扣件反覆載重試驗支承 SUPPORT (Rail Fastening Repeated Load Test) 荷重為向上及向下交互作用, 方向與鋼軌垂直軸呈 20 之角度, 共作用 3 百萬週次, 加載速率每分鐘不超過 300 週次 荷重如圖示,P 值為鋼軌扣件拉拔試驗所定義之荷重 扣件系統內任何零件的破損, 將判定本試驗失敗 40

臺北捷運測試驗證 電阻及阻抗試驗 (Electrical Resistance and Impendance Test) 由廠商提出一試驗室試驗程序 / 標準, 用以驗証混凝土枕及其扣件系統符合軌道對地絕緣要求 41

臺北捷運測試驗證 鋼軌 RAIL 枕木 TIE 鋼軌與油壓槌同軸 AXIS OF RAIL TO COINCIDE WITH AXIS OF RAM 面對鋼軌之切面應垂直於基座底端及其邊緣 FACE OF RAIL CUT PERPENDICULAR TO BASE AND EDGE OF BASE 鋼軌 RAIL 枕木 TIE 鋼軌兩側各安裝一變形指示針 DIAL GAUGE ONE ON EACH 防止枕木移動之支承 SIDE OF RAIL SUPPORT TO PREVENT TIE MOVEMENT 鋼軌扣件縱向束縛試驗 (Rail Fastening Longitudinal Restraint Test) 90 90 油壓槌 RAM 平的木質墊塊 FLAT WOODEN BLOCK 油壓槌 RAM P 平的木質墊塊 FLAT WOODEN BLOCK P 每施加 1.5KN 縱向荷重, 讀取縱向位移量 變形指示計如圖示, 取二個變形指示計之平均值, 且讀至 0.025 公厘 逐量加載至扣件系統容許最大的縱向束制力, 且至少持續 15 分鐘 任一方向之鋼軌縱向位移量超過 3 公厘, 則判定本試驗失敗 42

臺北捷運測試驗證 30 試驗基座 TEST BED 枕木 TIE P=80KN 支承 SUPPORT 平的木質墊塊 FLAT WOODEN BLOCK 用來讀取軌距加寬之變形指示針 DAIL GAUGE FOR READING GAUGE WIDENING 用來讀取底座位移之變形指示針 DIAL GAUGE FOR READING TRANSLATION 鋼軌扣件橫向束縛試驗 (Rail Fastening Lateral Restraint Test) 施加 44KN 之荷重, 俾使鋼軌座落在扣件上 移除荷重變形指示計歸零 加載速率 20KN/min, 直到荷重達 80KN 或軌底座之變形指示計達 3mm 止 若扣件未達 80KN 而位移己超過 3mm, 或軌枕或扣件之任何零件完全失敗, 則判定本試驗失敗 43

木枕扣件系統 彈性扣夾 道釘 金屬墊鈑 (Baseplate) 44

木枕扣件系統 45

課程大綱 第四章 軌道系統諸元 第一節 鋼軌 第二節 特殊軌 第三節 扣件系統 第四節 彈性基鈑 第五節 鋼軌接頭 第六節 端末設施 第七節 導電軌 ( 第三軌 ) 系統 46

定義 基鈑或稱墊鈑 (Baseplate) 原本係指道碴道床軌道中介於木枕與鋼軌之間的鋼質面鈑, 目的是緩和輪軌負荷直接作用在木枕, 同時提供扣夾底座與鋼肩設計等 彈性基鈑顧名思義是將金屬墊鈑與彈性材結合, 一方面仍維持墊鈑原有功能, 另一方面利用彈性材的性能, 以達到絕緣及減振抑噪的效果 47

北美彈性基鈑演進 (1/5) 橡膠 金屬鈑 Moses 彈性基鈑 彈性基鈑的雛型 未粘結型 兩側焊接擋鈑束制鋼軌側向位移 橡膠硬度 Durometer 70 度 基鈑垂向勁度 52.54KN/mm 48

北美彈性基鈑演進 (2/5) 1966 年舊金山捷運系統針對 Moses 基鈑作了局部改良, 包括 : 增加金屬頂鈑 金屬鈑與橡膠粘結 側向擋鈑與底鈑一體成型 使用扣鈑 (Rigid Clips) 基鈑垂向勁度無多大改變 穩定的縱向抵抗 (44.5KN/mm) 49

北美彈性基鈑演進 (3/5) WMATA 之 TW-1 型 取消底鈑外圍上彎的擋鈑功能, 改由錨定螺栓周圍的緩衝元件 (Snubbing Element) 所取代 螺栓與頂鈑之間加裝絕緣套筒, 以防止雜散電流經由螺栓向下流竄 50

北美彈性基鈑演進 (4/5) WMATA 之 TW-2 3 4 型 螺栓由頂鈑貫入改以固定底鈑的方式取代 利用大頭釘 ( Stud ) 以焊接方式結合頂鈑與底鈑, 並直接承受輪軌側向負荷 51

北美彈性基鈑演進 (5/5) WMATA 之 TW-10 型 金屬鈑與彈性材粘結 錨定螺栓固定在底鈑 明訂螺栓間之相對位置 基鈑承受側向負荷的機制由廠商自行考量 基鈑的平面尺寸則限制在一定的範圍內 利用資格測試計畫驗證廠商設計 52

分類 (1/3) 彈性材受力變形 承壓型 剪切型 53

分類 (2/3) 金屬鈑與彈性材粘結與否 粘結型 非粘結 54

分類 (3/3) 錨定方式 固定底鈑 錨定螺栓由頂鈑貫入 完整三維基鈑與不完整三維基鈑 外部擋鈑與內部擋鈑 55

高可靠度 絕緣性高 五大功能 乘車舒適性 低維修成本及低養護頻率 降低其它軌道及車輛養護工作 56

垂向彈性 防蝕功能 側向束制 六大性質 電氣絕緣 縱向束制 抑制上揚 57

彈性基鈑設計考量功能性規試驗證範專業廠商設計測58

臺北捷運功能性規範 養護維修 力學性質 尺寸限制 絕緣性能 59

養護維修方面 (1/3) 彈性扣夾之振動頻率應完全不同於扣件主體, 以避免扣夾受振動有易鬆動或脫落之虞 金屬頂鈑須具鋼肩設計, 在彈性扣夾未安裝前, 仍能安全地固定鋼軌, 防止鋼軌橫向位移 扣件之彈性扣夾應可拆卸, 以便拆卸鋼軌或是抬舉鋼軌離開軌座, 而不干擾到扣件與混凝土基座之附著 60

養護維修方面 (2/3) 扣件之零件須儘可能予以簡化至易裝 易拆 易維修在經濟上及技術上是可行的, 以簡化養護維修工作, 降低不當之庫存備品 扣件應容許個人使用手動工具來完成整體扣件或其任何零件之安裝或置換 扣件上必須有制止點 (stops) 或易辨識之永久標記, 用以指示彈性扣夾安裝後之正確位置 61

養護維修方面 (3/3) 扣件須有 ±15 公厘之側向調整範圍, 以提供施工期間調整軌距, 營運期間因鋼軌磨耗重新調整軌距之用 其每一增量不得超過 3mm 側向調整方法須配合扣件錨定系統成一整體性, 而且不得經由替換或增加零件來達成 扣件在核定位置安裝完成後, 須保有 +15mm 之垂直調整範圍, 以補償長期差異沈陷之影響 基鈑凹處應完全排水, 垂直於鋼軌方向之洩水坡度不小於 8.5%, 或平行於鋼軌方向之洩水坡度不小於 6%, 以避免造成金屬鈑的腐蝕 62

力學性質方面 金屬鈑零件必須具有足夠之材料強度 厚度和形狀, 以承受規範所要求之負荷及疲勞規定且不致發生過量應力或變形 彈性材在承受測試之負荷下, 其壓縮應變量不得超過 25% 剪切應變量不得超過 50% 63

400( 一般值 ) 400 (NOMINAL) 尺寸限制方面 墊片 SHIM 50 (MAX.) 鋼肩 RAIL SHOULDER 孔位 HOLE LOCATIONS UIC 60 鋼軌 (RAIL) 鋼軌扣夾 RAIL CLIP 1:40 140 (MAX.) 250 ( 一般值 ) 250 (NOMINAL) 具螺紋錨定套管 THREADED INSERT 錨定螺栓直徑至少 22 mm 即使基鈑安裝時使用 5mm 墊片並保留有 15mm 之最大垂直調整量, 錨定螺栓之長度仍應能提供螺紋與錨定套管螺紋間至少有 30mm 之嚙合長度 錨定套管總長度不得超過 140mm 64

絕緣性能方面 基鈑所提供之雜散電流漏洩路徑的距離不得低於 20mm, 該漏洩距離係指雜散電流不經絕緣材, 從扣件接地部分到電荷飽和部分間的最短 ( 直接 ) 流通路徑 至於通過絕緣材之漏洩路徑的距離, 則不得低於 4mm 漏洩路徑不得被磁化成帶電之電導體 65

4 組 DFF 1. 耐電壓測試 2. 電阻與阻抗測試 3. 動態與靜態勁度比測試 4. 垂直負荷測試 5. 垂直上拉測試 6. 側向負荷測試 7. 側向束制測試 8. 縱向束制測試 垂直與側向反覆負荷 3M 週次測試 A 熱老化測試 70 下持續 336 小時 推拉疲勞測試 ±12.7mm 計 2,000 週次及 ±3.175mm 計 1M 週次 垂直與側向反覆負荷 1M 週次測試 臺北捷運測試驗證 腐蝕測試 ASTM B117 1000 小時 垂直上拉反覆負荷 2M 週次測試 熱老化測試 70 下持續 336 小時 A 1. 垂直負荷測試 2. 垂直上拉測試 3. 側向負荷測試 4. 側向束制測試 5. 縱向束制測試 6. 動態與靜態勁度比測試 7. 電阻與阻抗測試 8. 耐電壓測試 資格測試 66

臺北捷運測試驗證 4 組 DFF 1. 耐電壓測試 2. 電阻與阻抗測試 3. 動態與靜態勁度比測試 4. 垂直負荷測試 5. 垂直上拉測試 6. 側向負荷測試 7. 側向束制測試 8. 縱向束制測試 垂直與側向反覆負荷 50 萬週次測試生產品質控制測試 67

淡水 中和線基鈑 LORD 基鈑 68

課程大綱 第四章 軌道系統諸元 第一節 鋼軌 第二節 特殊軌 第三節 扣件系統 第四節 彈性基鈑 第五節 鋼軌接頭 第六節 端末設施 第七節 導電軌 ( 第三軌 ) 系統 69

鋼軌接頭 銲接接頭 (Welding Joint) 絕緣接頭 (Insulated Rail Joint,IRJ) 普通接頭 (Standard Joint) 伸縮接頭 (Expansion Joint,EJ) 70

銲接接頭 熱劑銲接 電阻火花對銲 - 未修飾前 71

鋼軌銲接方式 電阻火花對銲 (Electric Flash-Butt Welding) 熱劑銲接 (Thermite Welding) 瓦斯壓接 (Gas Pressure Welding) 72

電阻火花對銲 銲接機之種類 固定式 移動式 銲接品質最佳 移動式電阻火花對銲 73

熱劑銲接 藥劑為專利配方 依鋼軌材質提供不同藥劑 機具簡單 施作便利 銲接品質不如電阻火花對銲 74

瓦斯壓接 日本發展之銲接機具 機具較電阻火花對銲簡便 長隧道施作需注意通風 銲接品質不如電阻火花對銲 75

臺北捷運銲接規定 銲接以電阻火花對銲為主, 特殊軌道區及連續長銲鋼軌之工地銲接採熱劑銲接 連續長銲鋼軌之長度不得小於 120 公尺 76

電阻火花對銲 驗證項目 銲接型式 試體 試驗名稱 銲接程序之檢定 (1) 標準鋼軌間之銲接 (2) 耐磨鋼軌間之銲接 (3) 不同金屬冶鍊之耐磨鋼 試體 1 磁粒檢測超音波檢測射線照相檢測 軌間之銲接 試體 2 緩慢彎曲試驗 (4) 標準鋼軌與耐磨鋼軌間之銲接 試體 3 巨觀腐蝕硬度試驗 全面性檢測 每一銲接接頭 每一銲接接頭 磁粒檢測超音波檢測 每批次 200 個銲接廠商提請工程司同意 試體 1 射線照相檢測 接頭例行性抽測 硬度試驗 試體 2 巨觀腐蝕 硬度試驗 77

熱劑銲接 試驗或檢定目的 銲接型式 試體 試驗項目 銲接程序之檢定 (1) 標準鋼軌間之銲接 (2) 耐磨鋼軌間之銲接 (3) 不同金屬冶鍊之耐磨鋼 試體 1 磁粒檢測超音波檢測射線照相檢測 軌間之銲接 試體 2 緩慢彎曲試驗 (4) 標準鋼軌與耐磨鋼軌間之銲接 試體 3 巨觀腐蝕硬度試驗 熱劑電銲工之檢定依每一工作隊及其領班就其將執行的銲接型式 試體 1 試體 2 試體 3 磁粒檢測超音波檢測射線照相檢測緩慢彎曲試驗巨觀腐蝕硬度試驗 全面性檢測 每一銲接接頭 每一銲接接頭 超音波檢測 每批次 100 個銲接廠商提請工程司同意 試體 1 緩慢彎曲試驗 接頭例行性抽測 試體 2 巨觀腐蝕 硬度試驗 78

非破壞檢測 外觀尺寸檢查 超音波檢測 (Ultrasonic Contact Examination of Weldments) 磁粒檢測 (Magnetic Particle Test) 射線照相檢測 (Radiographic Test) 79

破壞性檢測 巨觀腐蝕剖面 (Macro-etched Section) 硬度試驗 (Hardness Test) 緩慢彎曲試驗 (Slow Bend Test) 80

銲接品質要求 鋼軌頭部表面 :+0.25mm 至 -0mm 鋼軌頭部之側邊 :±0.25mm 鋼軌底部之底面及側邊 : 電阻火花對銲 : 較低鋼軌之 0.50mm 內 其他部份 :+4mm 至 -0mm 所有因偏移或鋼軌扭曲而產生之凹痕應予以研磨至偏差清除, 所有因研磨障礙物與裂縫所產生之鱗片應全部移除 81

絕緣接頭 82

軌道電路 (1/3) 直流 交流 軌道電路 音頻 阻抗搭接器絕緣接頭 閉塞區間 列車偵測斷軌偵測傳送速令 83

軌道電路 (2/3) 直流軌道電路與交流軌道電路皆需借助鋼軌絕緣接頭 (IRJ) 以形成閉塞區間 ( 號誌軌 ), 惟鋼軌亦是牽引動力之負迴流路徑 ( 電力軌 ) 直流軌道電路 號誌軌 : 兩條鋼軌 電力軌 : 以聯軌線使其中一條鋼軌電氣連續 交流軌道電路 雙軌 : 兩條鋼軌均為號誌軌兼電力軌 單軌 : 一條鋼軌保持連續作為電力軌, 另一條鋼軌則利用 IRJ 形成閉塞區間作為號誌軌 84

軌道電路 (3/3) 音頻軌道電路 : 利用阻抗搭接器 (Impedance Bond) 來形成閉塞區間, 此與傳統使用 IRJ 形成閉塞區間不同, 兩條鋼軌均為連續作為牽引動力之負迴流路徑, 且兩條鋼軌亦是號誌軌 85

臺北捷運系統 (1/2) 音頻軌道電路 正線非特殊軌區 單軌交流軌道電路 交流電是使用市電 110V 60Hz, 故又稱為市電頻率軌道電路 (Power Frequency, P.F. Track Circuits) 正線特殊軌區 ( 聯鎖區 ) 機廠 ( 號誌區 ) 86

臺北捷運系統 (2/2) 使用 IRJ 之區域 : 特殊軌區及機廠號誌區之軌道電路界限 ( 單軌交流軌道電路 ) 正線非特殊軌區 區隔動力變電站之供電區間 終點站 不使用阻抗搭接器形成閉塞區間 87

IRJ 設計考量 電氣絕緣 符合號誌 供電需求 抗壓強度 連續長焊鋼軌 (Continuous Welded Rail, CWR) 需求 抗彎疲勞強度 CWR 與踏面平整度需求 88

IRJ 種類 (1/3) UIC 60 鋼軌 環氧樹脂 魚尾鈑 夾膠式 89

IRJ 種類 (2/3) UIC 60 鋼軌 絕緣材 魚尾鈑 非夾膠之包覆式 90

IRJ 種類 (3/3) UIC 60 鋼軌 鋼板 樹脂砂漿填縫料 魚尾鈑 絕緣材 MT 接頭 91

臺北捷運 IRJ 規定 電阻試驗 500V DC 電壓, 持續時間為 5 秒鐘 最小電阻值至少為 10MΩ 92

臺北捷運 IRJ 規定 縱向抗壓試驗 最大軸向負荷 2668.8KN 可接受標準 各方向之相對位移量不得超過 3mm 殘餘變位不得大於 0.8mm 93

臺北捷運 IRJ 規定 緩慢彎曲試驗 最大負荷 垂直 222.4KN 側向 53.4KN 可接受標準 最大垂直撓度不得超過 20.32mm 最大側向撓度不得超過 17.78mm 94

臺北捷運 IRJ 規定 彎矩 ( 仟牛頓 - 公尺 ) MOMENT (KN-m) 60 40 20 0-20 -40-60 838 152 鋼輪行徑 WHEEL PATH B C 45.2-45.2 457 457 229 鋼輪荷重 = 196 仟牛頓 WHEEL LOAD = 196 KN A 滾動衝擊載重試驗 施加 198KN 之反覆負荷 2,000,000 週次於鋼軌 鋼軌接頭最大撓度, 夾膠型式不得超過 1.65mm 非夾膠之包覆型式不得超過 3.75mm 196 仟牛頓荷重作用於 C 點之彎矩圖 MOMENT DIAGRAM FOR 196KN LOAD OVER POINT C 196 仟牛頓荷重作用於 A 點之彎矩圖 MOMENT DIAGRAM FOR 196KN LOAD OVER POINT A 單位 : 公厘 UNIT:mm 95

普通接頭 (1/2) 96

普通接頭 (2/2) CWR 之所以使用普通接頭是為換軌方便, 例如岔心處, 接頭強度與 IRJ 相同, 其間差異為 : 以負電迴流聯軌線確保電氣連續性 取消設置絕緣端板 (End Post) 臺北高運量捷運系統在初期路網並無使用普通接頭之案例 97

伸縮接頭 EJ 設置目的是將 CWR 不動區間內可能有潛在挫屈行為的路段, 利用 EJ 將其調整為可動區間, 利用可動區間的鋼軌縱向軸力經由縱向變位的釋放而減小, 相對地, 軌道挫屈的風險將大幅降低 98

課程大綱 第四章 軌道系統諸元 第一節 鋼軌 第二節 特殊軌 第三節 扣件系統 第四節 彈性基鈑 第五節 鋼軌接頭 第六節 端末設施 第七節 導電軌 ( 第三軌 ) 系統 99

端末設施 (1/2) 設於軌道末端的停車設備 種類 : 止衝擋 (Buffer Stop) 防撞桿 (Bumping Post) 阻輪器或止輪器 (Wheel Stop) 100

端末設施 (2/2) 止衝擋 防撞桿 阻輪器 101

止衝擋 (1/3) 具漸進式提高阻抗列車行駛能力之停車設備 一般係安裝在正線軌道的末端 設計考量首在旅客安全, 其次為避免或滅少電聯車受損 惟機廠軌道末端若鄰近重要結構物 ( 如變電站 工廠 抽水機房等 ), 為保護結構物與電聯車的安全, 仍以設置止衝擋為宜 102

止衝擋 (2/3) 型式 : 彈簧式止衝擋 (A spring buffer) 油壓式止衝擋 (A hydraulic buffer) 摩擦式止衝擋 (A friction buffer) 103

止衝擋 (3/3) 電聯車撞擊止衝擋時, 止衝擋將利用主體變位及 / 或其在軌道上的滑行以逐漸消耗電聯車的動能, 使行駛中的電聯車停止 緩衝面 (Buffing Face) 到軌道端點的距離 距離太長 : 不符經濟原則 距離不足 : 輕者因止衝擋提供的反力值太大, 傷及旅客或損及電聯車 ; 嚴重者止衝擋根本無法使電聯車停止而出軌 104

臺北捷運止衝擋規定 足以使 20km/hr 之六節列車停止 設計首重乘客安全, 其次將列車受損降至最低 止衝擋運作度為 12 公尺, 惟必要時得延伸, 其延伸自緩衝面 (buffing face) 算起至軌道末端止不得超過 14 公尺, 亦不得超出支承結構體 止衝擋安裝之各部份零件, 在道碴道床軌道不得低於軌枕底部, 在無道碴道床軌道不得低於鋼軌底部以下 30 公厘 105

防撞桿 固定在軌道末端, 以彈性面板 (Spring Face) 緩和電聯車的撞擊, 電聯車撞擊速率一般低為 5 km/hr 106

阻輪器 對於廠房內非號誌控制區的軌道, 端末設施只在防止電聯車滑行, 故可設置型式更為簡單的阻輪器 107

課程大綱 第四章 軌道系統諸元 第一節 鋼軌 第二節 特殊軌 第三節 扣件系統 第四節 彈性基鈑 第五節 鋼軌接頭 第六節 端末設施 第七節 導電軌 ( 第三軌 ) 系統 108

導電軌演進 1902 年鋼質導電軌 1963 年鋁製導電軌 1979 年德國 Alusingen 公司發展鋁合金結合不銹鋼之導電軌 ( 分子式結合 ) 1988 年英國 Brecknell Willisci 公司開發鋁合金結合不銹鋼之導電軌 ( 銲接式結合 ) 109

導電軌系統諸元 導電軌 (Conductor Rail) 搭接組件 (Splice-Joint Assembly) 伸縮接頭組件 (Expansion-joint assemblies) 端部組件 (End-approach assemblies) 錨定組件 (Anchor assemblies) 電纜接頭組件 (Conductor Rail Cable Terminals) 絕緣接頭組件 (Insulated-joint assemblie) 絕緣支撐組件 (Support Insulator Assembly) 保護蓋板組件 (Protective Cover) 短路裝置 (Short Circuiting devices) 110

導電軌型式 分子式結合 : 將不銹鋼片與鋁合金胚一起送進擠製模具中產生接觸, 在接觸過程中由於高壓及高溫, 鋁合金與不銹鋼發生分子擴散現象, 鋁與鐵分子互換位置, 而在鋁合金與不銹鋼接觸面形成金屬化合物 ( 五氧化二鋁 ) 德國 Alusingen 公司 111

導電軌型式 英國 Brecknell Willisci 公司 銲接式結合 : 採用長 15.1 公尺擠壓成形之鋁合金及兩片成對 J 型不銹鋼 ( 長 15.075 公尺 ) 以夾具固定, 先以 MIG (Metal Inert Gas) 火花銲接方式將成對 J 型不鏽鋼片間之間隙連續對焊冷縮, 再將兩不鏽鋼片銲在鋁台金上, 形成 C 形崁合, 最後以全自動自走式銑床機去除銲接殘留物 112

臺北捷運導電軌規定 在 15 的最大電阻值 :6.7 μω/m 最大電阻溫度係數 :1.25Ω 10-6mm2/(m.k) 連續額定電流 :4000Amp 4000Amp 連續額定電流 : 溫度上升不超過 45 最小峰值電流值 :10,000 A/ 分鐘 鋁與鋼之間的界面電阻值須小於 30μΩ 最大質量不得大於 20kg/m 須承受集電靴 5 10 7 次通過 能夠承受 120KA/0.15 秒的短路電流而不損壞 不銹鋼面的寬度至少 75 mm, 耐磨厚度至少 4.5 mm 113

搭接組件 (1/2) 連接兩導電軌之接頭 採用魚尾板搭接 螺栓固定方式 使用情況 導電軌與導電軌間之搭接 導電軌與端部組件間之搭接 導電軌與伸縮接頭組件間之搭接 導電軌與絕緣接頭組件間之搭接 114

搭接組件 (2/2) 維持原導電軌之機械性 ( 勁度 ) 與電氣性 ( 電阻值 ) 115

伸縮接頭組件 提供導電軌在每一區段一個熱漲冷縮的伸縮氣隙 提供一導電軌相同容量之電流路徑以跨越氣隙 116

臺北捷運伸縮接頭組件規定 (1/3) 總長不超過 4m 氣隙作用長度至少 150 mm 組件材質同導電軌鋁合金或更好導電性的滑動搭接鈑 為了確保集電靴能夠平滑地通過此伸縮接頭, 組件氣隙間的兩軌端必須切割成與軌中心線 20 以下, 且須重疊, 垂直偏差距離不能超過 0.5 mm, 該不銹鋼接觸面應削成 45 角, 尖銳邊應磨圓 117

臺北捷運伸縮接頭組件規定 (2/3) 氣隙間得搭接適當截面積的銅環片俾提供氣隙間的電氣連續 整體組件總電阻值不超過 35μΩ 應提供預防措施以保證伸縮接頭不受電化學腐蝕, 所有的固定器由不鏽鋼製成, 搭接金屬與鋁不能直接接觸, 接頭組件內所有螺栓電氣的連接, 應塗抹以防酸石化膠或其它適當接觸油脂 伸縮接頭組件之設計須可在維修和重新塗抹油脂時拆除容易 118

臺北捷運伸縮接頭組件規定 (3/3) 導電軌伸縮接頭之間隙安裝許可差 2mm 伸縮接頭佈設距離考量因子 環境溫度變化 地面段為 0 ~40 地下隧道段為 18 ~30 4000A 額定連續電流所造成之溫升值 最小峰值電流 10000A/60sec 所造成之溫升值 月台門造成之溫度變化效應 119

端部組件 (1/4) 導電軌中斷處, 提供電聯車集電靴平滑導入 (Lead in) 或脫離 (Run off) 該區導電軌之組件, 以避免集電靴與導電軌發生碰撞事故 120

端部組件 (2/4) 導電軌中斷原因 特殊軌區 平交道或橫穿軌道之走道 防洪門或全斷面防水隔艙閘門 不同供電區間 121

端部組件 (3/4) 端部組件型式 高速型 : 斜面坡度斜率約為 1:50, 使用在正線及機廠連絡線 英國 Brecknell Willisci 公司 122

端部組件 (4/4) 端部組件型式 低速型 : 斜面坡度斜率約為 1:30, 使用於機廠區軌道 英國 Brecknell Willisci 公司 123

端部組件設計考量 彎曲斜面 (Slope Portion) 之斜率在合理的集電靴垂直晃動考量下, 應儘可能的小, 以減輕集電靴與端部組件間之機械衝擊 彎曲斜面與水平平面 (Flat Portion) 間之漸變區段須盡量平滑而不陡峭, 以避免集電靴高速滑經此處跳動而產生火花電弧造成電蝕, 影響集電靴及端部軌不銹鋼面之使用壽命 124

絕緣接頭組件 區隔相臨兩動力變電站 (TTS ) 之電力區間 後續路網業依捷運公司營運維修經驗以端部組件取代 125

絕緣支撐組件 (1/2) 支撐導電軌在相對於車行鋼軌一固定幾何位置上, 使電聯車在兩鋼軌上運行時, 集電靴均能與導電軌緊密接觸以獲取工作電流 126

絕緣支撐組件 (2/2) 無道碴道床混凝土基座 - 無緣石 無道碴道床混凝土基座 - 有緣石 道碴道床混凝土枕 道碴道床木枕 127

絕緣支撐組件設計考量 確保導電軌與大地電氣絕緣 提供足夠的絕緣間距 (electrical clearance) 強度足以承受靜 動態負荷, 靜態負荷指約 90kg 成人立於兩絕緣支撐中間, 動態負荷指系統最大短路電流所產生之電磁力 不得造成絕緣子破裂 最大變位量不得超過 5mm 具有水平及垂向調整量俾利現場安裝與營運維修調整需求 128

保護蓋板組件 防止軌道維修人員或乘客於軌道間行走時意外碰觸而造成感電意外, 並保護導電軌不受下墜物及投擲等外物之破壞 129

保護蓋板性質 低燃度 自滅性 具高燃點, 可預防導電軌與集電靴間電弧所引發的點火現象 在高架及地面段材質為最小毒氣放出物質 在地下隧道段不可含有毒氣放出物質 室外曝曬在日光下, 應能抵抗紫外線引起的劣化 可承受高達 DC3000V 的意外電氣衝擊 保護蓋之材質於隧道區為玻璃纖維強化塑膠 (FGRP), 而非隧道區為 PVC 130

短路裝置 軌道維修人員使用之安全必備設施, 禁止直流電力意外的再投入已斷電的導電軌區段中 使導電軌和運行軌之間形成低阻抗, 任何嘗試投入牽引變電站中之斷路器將導致短路而跳脫, 以避免危及軌道維修人員之安全 131

短路裝置 短路棒 短路裝置在連接導電軌之前, 應先將兩支運行鋼軌接在一起, 使適合單軌和雙軌的牽引回流系統 連接至導電軌是藉由一個手動操作的短路棒接到帶電的導電軌 132