CN108885914A - 用于电气列车的吊线缆、其制造方法和安装方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于电气列车的电气列车吊线缆和悬链系统，包括电气列车吊线缆。吊线缆包括纤维强化复合强度构件和围绕纤维强化复合强度构件的导电层，其中用铜或铜合金制造。纤维强化强度构件有利地具有高拉伸强度，由此降低被吊线缆支撑的接触线的下垂。采用吊线缆悬链系统可以有助于更快的列车速度且可以排除对悬臂系统的需要，悬臂系统例如是用于维持接触线中张紧力的平衡配重锚固件。

Description

用于电气列车的吊线缆、其制造方法和安装方法
技术领域
本发明涉及的领域是电气列车系统和用于包括吊线缆(messenger wire)的电气列车系统的部件。
背景技术
吊线缆用在电气列车系统中，以在列车运动时支撑列车通过集电弓所接触的接触线。典型的吊线缆包括围绕具有铜包钢的强度构件扭绞的多个导电铜或铜合金线。使用期间，电流经过吊线缆(即通过铜线)并从吊线缆传递到接触线。结果，由于铜的电阻加热，吊线缆升温。在热天，由于限制了吊线缆消散热量的能力，环境温度和太阳光照射也会对吊线缆的加热有贡献。这些因素对吊线缆的热膨胀有贡献，造成吊线缆的下垂，这该会改变接触线在列车轨道上方的高度。这又影响在列车时集电弓是否能很好地保持与接触线接触，且列车的最大安全速度。
发明内容
本发明涉及对吊线缆结构的改善。在一个方面，具有低热膨胀系数的纤维强化复合材料用作强度构件，以支撑导线，导线包括铜或铜合金。在另一方面，空间(即间隙)形成在导电层和强度构件之间，导电层包括铜或铜合金线(例如绞线)。结果，在吊线缆安装时，基本上所有张紧力(例如拉伸应力)可以置于强度构件上，在导电层上有极小或没有张紧力。在另一方面，导电层包括螺旋缠绕的导电绞线(例如铜绞线)，其围绕强度构件的周向设置。
在一个实施例中，本发明涉及电气列车吊线缆。电气列车吊线缆可以包括纤维强化复合强度构件和围绕纤维强化复合强度构件的导电层，例如导电层在使用期间被纤维强化复合强度构件实体地支撑。导电层包括铜或铜合金。电气列车吊线缆可以包括在复合强度构件和导电层之间的间隙。导电层可以包括多个螺旋缠绕的导电绞线。例如，导电层可以包括多个铜导电绞线。纤维强化复合强度构件可以包括高拉伸模量强化纤维，例如高拉伸模量强化碳纤维。
电气列车吊线缆还可以包括设置在纤维强化复合强度构件和导电层之间的绝缘层(例如电绝缘层)。电绝缘层可以有利地防止或基本上减少强度构件和围绕层(包括铜或铜合金)之间的电化学反应(例如电化腐蚀反应)。在一个实施例中，绝缘层包括与强度构件整体地形成的基本上连续的玻璃纤维。在另一实施例中，绝缘层包括在强度构件上的聚合物涂层。
在一个特征中，纤维强化复合强度构件具有的热膨胀系数(CTE)不大于约2×10-6/℃(约1.11×10-6/℉)。在另一特征中，纤维强化复合强度构件的拉伸强度为至少约2100MPa(约305ksi)。在另一特征中，纤维强化复合强度构件的拉伸模量至少为约110GPa(约15.9Msi)。
附图说明
图1示意性地示出了用于电气列车的简单悬链系统的侧视图。
图2示意性地示出了用于电气列车的复合悬链系统的侧视图。
图3示出了用于电气列车的简单悬链系统的透视图。
图4示出了用于电气列车的悬链系统中的平衡配重恒定张紧力系统。
图5示出了根据本发明实施例的用于吊线缆的强度构件的截面。
图6示出了根据本发明实施例的用于吊线缆的强度构件的截面。
图7示出了根据本发明一个实施例的吊线缆的截面。
图8示出了根据本发明一个实施例的吊线缆的截面透视图。
图9示出了根据本发明实施例的用于制造纤维强化复合强度构件的方法的示意图。
具体实施方式
本发明涉及用于电气列车的悬链系统(catenary system)，且尤其是用在这种悬链系统中的吊线缆。本发明还涉及用于制造吊线缆的方法和用于安装吊线缆的方法。
为了方便，术语“列车”和其变化形式在本说明书中用于表示通过从高架电导线施加电力而被推进的车辆。然而，术语“列车”和其变化形式在本文用作一般术语，以涵盖所有形式的列车(包括乘客列车和货物列车)、有轨电车、无轨电车、有轮地铁(tire metro)和电气化的(即通过高架电系统施加电力来提供动力)的其他车辆。
图1示意性地示出了用于电气列车的简单悬链系统100的侧视图。列车(未示出)通过施加电力而被提供动力并沿固定到悬链系统100下方的地面的轨道运动。在列车沿接触线104的长度行进时，电力通过接触线104提供给列车，所述接触线104通过集电弓接触列车。接触线104沿其长度通过吊线缆102(也称为承力线)以大致水平取向被支撑，所述吊线缆102设置在接触线104上方且通过多个吊弦(dropper)106(也称为吊索(hanger cable)连接到接触线104。吊弦106机械地(用于实体支撑接触线104)且电气地(用于通过吊弦106向接触线102提供电流)将吊线缆102连接到接触线104。由此，吊线缆102、吊弦106和接触线104每一个通常包括铜(即铜或铜合金)。吊线缆102在沿其长度的不同点处被支撑臂108，所述支撑臂可以附接到支撑杆(未示出)。接触线104也可以通过稳定臂109附接到支撑杆(support pole)，所述稳定臂减少接触线104的运动。
图1示出了简单的悬链系统100。存在其他类型的悬链系统且本发明也适用于可用于电气列车的其他类型悬链系统。例如，一些悬链系统可以包括不导电的支撑线，其使得吊线缆支撑接触线，且将与吊线缆电连接的导线与接触线分离。
通过进一步的例子，图2示出了复合悬链系统200的示意性侧视图。在该复合悬链系统200中，吊线缆202通过多个吊弦206直接支撑辅助吊线缆210。接触线204通过多个辅助吊弦212附接到辅助吊线缆210。由此，吊线缆202直接支撑辅助吊线缆210且通过辅助吊线缆210间接支撑接触线204。
图3示出了例如图1所示的简单悬链系统300的透视图。简单悬链系统300包括沿悬链系统300的长度间隔开的多个支撑杆314。支撑杆314通过多个支撑臂结构308支撑吊线缆302。支撑臂结构308可以通过绝缘体318与支撑杆电绝缘。吊线缆302通过多个吊弦306沿接触线304的长度垂直地支撑接触线304。可以存在该结构沿接触线304的长度的略微改变，例如使用吊索，该吊索绕过吊线缆302被支撑臂结构308所支撑的位置处的接触点。
在例如图1-3中所示的悬链系统中，接触线通过设置在列车顶部的集电弓为沿接触线行进的列车直接提供电力。在列车运动时集电弓保持与接触线接触。通过吊弦由通过吊线缆向接触线提供电力。吊线缆、吊弦和接触线每一个必须用高导电材料制造。在这些应用中，高导电材料是铜、铜合金或包铜包钢。例如连接吊线缆、吊弦和接触线的夹具这样的大多数固定装置也用与铜化电兼容的导电材料制造。
这种系统的一个缺点是吊线缆的高导电铜和铜包钢核芯强度构件也具有相对高的热膨胀系数(CTE)。结果，在吊线缆由于电阻加热和/或环境情况(例如在夏季)而温度增加时，吊线缆的固定端点之间吊线缆的长度增加。这造成吊线缆下垂(即朝向地面松弛并低落)。在吊线缆下垂时，接触线也下降得更靠近地面。
为了解决该问题，目前利用端接结构(termination structure)来试图在这种情况下对吊线缆和/或接触线施加恒定张紧力。如此做的常见方法是通过在恒定张紧力系统中使用悬挂配重，有时称为平衡配重锚固件。这种系统在图4中示意性地示出。参见图4，吊线缆402和接触线404在端接支撑杆414处端接。第一配重420a通过带轮系统422a连接到接触线404。同样，第二配重420b通过第二带轮系统422b连接到吊线缆402。这些配重422a/422b被仔细选择以通过带轮系统422a/422b在吊线缆402和接触线404中持续拉动并抵抗下垂，且在线升温和降温时将接触线和吊线缆保持处于恒定张紧力。然而，这种系统安装和维护均昂贵。
在本发明的一个方面，所公开的吊线缆可以排除对这种恒定张紧力系统的需要。根据本发明的宽泛特征，吊线缆可以包括一个或多个以下特征：(i)纤维强化复合强度构件，其被设计为具有高拉伸模量和非常低的CTE；和/或(ii)在强度构件和沿强度构件长度的周围导电层之间存在间距或“间隙”，导电层包括铜或铜合金。这些特征可以单独或组合存在。由此，在一个特征中，吊线缆包括纤维强化复合强度构件。在另一特征中，吊线缆包括在强度构件和周围导电铜层之间的间隙。在另一特征中，吊线缆包括纤维强化复合强度构件和在强度构件和作为导电层(包括铜或铜合金)之间的间隙。
在一个具体特征中，吊线缆包括具有高拉伸模量和非常低的CTE的纤维强化复合强度构件，和在强度构件和周围导电层之间的间隙。
纤维强化复合强度构件
因而，在一个特征中，吊线缆强度构件是纤维强化复合强度构件。在图5中示出了纤维强化复合强度构件的截面图。纤维强化复合强度构件540具有大致圆形截面且包括在粘结材料基体中的强化纤维的复合材料542。
图5所示的纤维强化复合强度构件540基本上包括复合材料542，该复合材料包括操作性地设置(例如完全散布)在粘结材料基体中的强化纤维。强化纤维(即细丝)可以包括基本上连续的细丝(例如纤维束)和/或可以包括不连续的纤维(例如纤维须)。强化纤维可以在粘结材料基体中对齐(例如各向异性的复合材料)或可以随机设置在粘结材料基体中(例如各向同性的复合材料)。在一个特征中，强化纤维包括基本上连续的纤维，例如是一个或多个形成纤维束的形式，设置在整个树脂粘结材料基体中。纤维束是基本上连续的独立细丝的集束，通常在单个纤维束中包括几千个独立细丝。
根据本发明，强化纤维的至少一部分是高拉伸模量纤维。高拉伸模量纤维在本文限定为具有至少约250GPa的拉伸模量。例如，高拉伸模量强化纤维可以具有至少约250GPa、例如至少约275GPa、至少约290GPa、至少约300GPa、至少约310GPa、甚至至少约330GPa的拉伸模量。
高拉伸模量强化纤维可以包括陶瓷纤维，包括基于陶瓷纤维的氧化物或非氧化物。非氧化物强化陶瓷纤维的例子例如包括例如碳化硅纤维(SiC)这样的碳化物纤维或例如氮化硅纤维(Si3N4)这样的氮化物纤维。金属氧化物纤维的例子包括基于氧化诰的纤维(ZrO2)，矾土纤维(Al2O3)，硅酸铝纤维和铝硼硅酸盐纤维。高拉伸模量强化陶瓷纤维的具体例子可从3M公司(美国明尼苏达州圣保罗市)以商品名NEXTEL获得，例如NEXTEL连续细丝陶瓷氧化物纤维312、440和550。虽然在本文描述为陶瓷纤维，但是应理解这种纤维可以包括晶体材料相和玻璃质(例如无定形)材料相。
在一个具体特征中，高拉伸模量强化纤维包括高拉伸模量碳纤维。高拉伸模量碳纤维的非限制性例子包括以商品牌号T800S、T800H、T1000或T1000G出售的碳纤维(加利福尼亚州圣安娜市的Toray Carbon,Carbon Fibers America,Inc.)。其他非限制性例子包括沥青基碳纤维，例如ThornelP-55沥青基碳纤维(亚利桑那州Tempe市的Cytec EngineeringMaterials)。基于PAN的碳纤维也可以使用。与其他碳纤维(例如从PAN衍生出的高拉伸模量碳纤维)相比，沥青基纤维可以有利地提供低拉伸应变。
在一些特征中，强化纤维除了具有高拉伸模量外也可以具有相对高的拉伸强度，使得纤维强化复合强度构件具有能安全用在列车吊线缆中中的足够高的拉伸强度。在一个特征中，高拉伸模量纤维具有至少约4.5GPa、例如至少约5GPa、甚至至少约6GPa或甚至至少7GPa的拉伸强度。
在一个特征中，复合材料542基本上由高拉伸模量强化纤维构成。虽然高拉伸模量纤维对于降低纤维强化复合强度构件的下垂特性来说是期望的，但是这种纤维通常比低拉伸模量纤维更昂贵。因此，复合材料542中的强化纤维也可以包括与高拉伸模量纤维不同的次级强化纤维。例如，次级强化纤维可以有利地置于复合材料542中，使得强化纤维的拉伸模量沿离开强度构件540的中心轴线的方向(即径向离开)减小。替换地，次级强化纤维可以在复合材料542中与高拉伸模量纤维紧密混合。
例如，次级强化纤维可以从合成纤维或天然纤维中选择。在另一特征中，次级强化纤维可以从有机纤维或无机纤维中选择。例如，次级强化纤维可以包括低拉伸模量碳纤维(例如石墨纤维或碳纳米纤维)、聚芳基酰胺纤维(例如KEVLARTM)、玻璃纤维(包括玄武岩纤维)、低拉伸模量陶瓷纤维、硼纤维、液晶纤维、高性能聚乙烯纤维(例如SPECTRA纤维)、钢纤维(例如硬线钢细丝)(包括高碳钢纤维)、或基于纤维的碳纳米管。
在一个特征中，次级强化纤维包括例如从高强度(HS)碳纤维和中等模量(IM)碳纤维中选择的碳纤维。碳纤维可以用例如人造丝、聚丙烯腈(PAN)或石油沥青这样的前体制造。有用的碳纤维的非限制性例子包括从ZOLTEK PANEXTM、ZOLTEK PYRONTM，HEXCELTM，TORAYTM，GRAFIL，或THORNELTM系列碳纤维产品中选择的碳纤维。碳纤维的其他例子可以包括TORAY M46J、TORAY T700SC-24K、TORAY T700SC-12K、GRAFIL TRH50-18M、PyroFil TR-50S或人造丝副产品等等。不同类型的玻璃纤维也可以在纤维强化复合强度构件中用作次级强化纤维。陶瓷纤维也可以在复合材料中用作次级强化纤维。次级强化陶瓷纤维例如可以包括例如碳化硅纤维(SiC)这样的碳化物纤维、例如氮化硅纤维(Si3N4)这样的氮化物纤维、例如基于氧化诰的纤维(ZrO2)的金属氧化物纤维、矾土纤维(Al2O3)，硅酸铝纤维和铝硼硅酸盐纤维。强化陶瓷纤维的例子可从3M公司(美国明尼苏达州圣保罗市)以商品名NEXTEL获得，例如NEXTEL连续细丝陶瓷氧化物纤维312、440和550。虽然在本文描述为陶瓷纤维，但是应理解这种纤维可以包括晶体材料相和玻璃质(例如无定形)材料相。进一步地，次级强化纤维可以是高拉伸模量纤维(例如具有大于约270GPa的拉伸模量)，只要次级强化纤维具有的拉伸模量小于第一强化纤维的拉伸模量即可。
由此，在一个特征中，纤维强化复合强度构件可以包括至少两种纤维类型，即第一高拉伸模量强化纤维和与第一高拉伸模量强化纤维不同的次级强化纤维。
所选择的强化纤维还应该具有相对较低CTE，使得强度构件540具有相对较低的CTE。例如，强化纤维的CTE可以不大于约5×10-6/℃，或甚至不大于约2×10-6/℃，或甚至不大于约1×10-6/℃。在这方面，强化纤维可以具有负CTE。例如，碳纤维已知具有负CTE，即在列车吊线缆中纤维强化复合强度构件可能经历的温度范围内(例如约-20℉到约200℉(约-28.9℃到约93.3℃)随温度增加，碳纤维的长度略微减小。例如，强化碳纤维可以具有在该温度范围内的约-0.3×10-6/℃到约-1.1×10-6/℃的CTE。
由此，复合材料包括基本上连续延伸经过强度构件的长度的强化纤维。例如，复合材料可以包括在树脂基体中散布的一个或多个强化纤维束。纤维束是连续细丝的集束，其中束中独立细丝的数量被表示为其产量(码每磅)或表示为其K数。例如，12K纤维束包括约12000个独立细丝。通过例子的方式，可以通过在约4K到约60K或更大的范围内选择碳纤维束来制造用于强度构件的纤维强化复合材料。
碳细丝可以被选择为具有的直径为至少约4μm和不大于约10μm，例如碳细丝具有的直径为至少约7μm且不大于约8μm。陶瓷细丝例如可以具有的直径至少为约7μm且不大于约13μm。对于其他分类的强化纤维，合适的尺寸范围可以根据复合强度构件的期望物理性能、或基于期望的润湿特性或下文描述的其他制造考量来确定。尽管如前所述，但是本发明并不限于任何具体的细丝直径。例如，纳米细丝(例如碳纳米细丝)也可以使用。
复合材料542中强化纤维对树脂的体积比可以为至少约60:40，例如至少约65:35或甚至至少约70:30。虽然通常期望的是让该比例尽可能高，但是约75:25以上的比例不容易实现。
复合材料542也可以包括与连续强化纤维组合的不连续的纤维(例如纤维须)。不连续的纤维可以可选地在粘结材料基体中对齐，或可以在粘结材料基体中随机取向。在一个特征中，不连续的纤维包括碳纳米纤维(例如不连续的碳纳米纤维)。
强化纤维设置在粘结材料基体(binding matrix)中且被粘结材料基体约束在一起。粘结材料基体被选择为与纤维兼容且目的应用是作为用于吊线缆的纤维强化复合强度构件。其中嵌入了强化纤维的粘结材料基体可以包括任何类型的无机物或有机物，其可以操作性地嵌入和纤维强化复合材料542中并将强化纤维连结到纤维强化复合材料542。在一个特征中，粘结材料基体可以主要包括有机物，例如聚合物，例如合成聚合物。在一个特征中，粘结材料基体是树脂基体，例如环氧树脂基体。
例如，粘结材料基体可以包括热朔性聚合物，包括半晶体热塑性塑料。具体有用的热塑性塑料的具体例子包括但不限于聚醚醚酮(PEEK)、聚丙烯(PP)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚酰亚胺(PEI)、液晶聚合物(LCP)、聚甲醛(POM或缩醛)、聚酰胺(PA或尼龙)、聚乙烯(PE)、含氟聚合物和热朔性聚脂。用于粘结材料基体的聚合物材料的其他例子可以包括加成型酚醛树脂(addition cured phenolic resins)，例如双马来酰亚胺(BMI)、聚醚酰胺、各种酐或酰亚胺。
在一个特征中，粘结材料基体包括热硬性聚合物。有用的热硬性聚合物的例子包括但不限于苯并恶嗪、热硬性聚酰亚胺(PI)、聚醚酰胺树脂(PEAR)、酚醛树脂、环氧基乙烯酯树脂、polycyanate树脂和氰酸酯树脂。在一个示例性实施例中，乙烯酯树脂用在粘结材料基体中。另一实施例包括使用环氧树脂，例如环氧树脂，其是表氯醇和双酚A,双酚A二缩水甘油醚(DGEBA)的反应产物。
用于环氧基树脂的固化剂(例如硬化剂)可以根据纤维强化复合强度构件的期望性能和处理方法选择。例如，固化剂可以从脂肪族多胺、聚醯胺和这些化合物的改性物中选择。酐和异氰酸酯也可以用作固化剂。
树脂也可以被选择为对广谱的腐蚀性化学品有抗性，且可以被选择为具有稳定的电介和绝缘性能。可以有利的是，树脂满足ASTME595除气作业标准和UL94易燃性标准，且能在约100℃到200℃范围的温度下至少间歇地运行而不会有纤维强化复合材料的显著恶化(例如热恶化或机械恶化)。树脂也可以被选择为在非常冷的情况下(例如-50℃或更低)维持其完整性。
树脂也可以包括有助于粘结材料基体的制造和/或改善粘结材料基体性能的组分。例如，用于获得强度构件的期望性能以及易于复合材料制造的热硬性环氧树脂系统可以并入催化剂(例如“加速剂”)和/或引发剂，其可以被选择为有助于环氧树脂部件在短时间内固化和/或减少可能造成固化树脂基体破裂的副反应。也可以期望的催化剂在低温度下相对不太活性，以增加树脂寿命(例如“可用时间”)，且在更高温度下非常活性，用于在复合材料542的制造期间增加制造速度。环氧树脂也可以进一步通过额外的加工助剂改性(例如脱模剂和填充剂)以及性能增强添加剂，例如用于让基体韧化或刚化，例如通过弹性体、热塑性塑料等。
在本发明中，术语“环氧树脂”可以用于表示纤维强化复合材料的粘结材料基体材料。然而，本发明所涵盖的纤维强化复合材料并不限于此，且明确理解，除了环氧树脂以外或代替环氧树脂，下文所述的纤维强化复合材料可以包括其他粘结材料基体材料。
参见图5，纤维强化复合强度构件540基本上包括复合材料542且具有大致圆形的截面。虽然图5示出的强度构件具有大致圆形的截面，但是本发明并不限于这方面且应理解也可以利用其他截面(例如椭圆形)。通过仔细选择强化纤维和环氧树脂基体，纤维强化复合强度构件540的性能可以足以形成具有一组性能的吊线缆，其有利于去掉目前采用的例如图4示出的的复杂恒定张紧力系统。在一个特征中，纤维强化复合强度构件具有的拉伸模量为至少约110GPa，例如至少约120GPa、或甚至至少约130GPa、例如至少约140GPa。拉伸模量应该通常尽可能高，但是应考虑成本和和其他因素，例如用于强化纤维的高拉伸模量材料的可用性。实际上，纤维强化复合强度构件的拉伸模量通常不超过约200GPa。
还期望的是纤维强化复合强度构件形成为具有相对较低的CTE。例如，纤维强化复合强度构件可以具有的CTE绝对值为不大于约2×10-6/℃，例如不大于约1×10-6/℃，或甚至不大于约0.8×10-6/℃。相对较低的CTE将确保纤维强化复合强度构件的热膨胀(例如在约-50℃到约200℃的范围)不会极大地对吊线缆的下垂做出贡献，且因此不会极大地对接触线的下垂做出贡献。
纤维强化复合强度构件也可以具有相对高的拉伸强度，以降低纤维强化复合强度构件在高拉伸载荷下破坏的风险。例如，纤维强化复合强度构件可以具有的拉伸强度为至少约2100MPa，例如至少约2150MPa，或甚至至少约2200MPa。拉伸强度的上限是可用强化纤维的拉伸强度的函数，例如还考虑成本。实际上，纤维强化复合强度构件的拉伸强度通常不超过约2800MPa，但是未来可以实现更高的拉伸强度。
在另一特征中，纤维强化复合强度构件具有相对高的额定破坏强度。额定破坏强度是如上所述的拉伸强度和纤维强化复合强度构件的直径的函数。对于在列车吊线缆中被用作强度构件，纤维强化复合强度构件540可以具有的直径为至少约5mm，例如至少约7mm。通常，直径不大于约14mm，例如不大于约12.7mm，例如不大于约11mm，例如不大于约10.5mm。纤维强化复合强度构件的额定破坏强度可以至少为约80kN，例如至少约120kN或甚至至少约150kN。如拉伸强度那样，额定破坏强度的上限是可用强化纤维的拉伸强度的函数，还应考虑例如成本。实际上，纤维强化复合强度构件的额定破坏强度通常不超过约230kN。
在另一特征中，吊线缆包括设置在复合材料和外导电层之间的绝热层，例如围绕复合材料的绝缘层。例如，绝热层可以是纤维强化复合强度构件的一个部件，这种部件与复合材料整体地形成或在纤维强化复合强度构件的制造期间以其他方式置于复合材料上。额外材料层(例如导电层)也可以并入到复合材料和外导电层之间，如果额外材料层直接接触外(铜或铜合金)导电层，则材料应该与铜兼容(例如化电兼容(galvanicallycompatible))。
图6示出了这种纤维强化复合强度构件结构的一个例子。纤维强化复合强度构件640包括例如针对图5如上所述的纤维强化复合材料642。绝缘层644围绕纤维强化复合材料642，例如设置纤维强化复合材料642外周周围。
在一个特征中，绝缘层644包括聚合物材料，例如施加到复合材料作为涂层。在这方面，包括绝缘层644的电绝缘材料可以是聚合物材料，例如热朔性塑料。在一个特征中，电绝缘材料从包括聚酰亚胺、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯聚合物(FEP)、聚甲醛(POM)和聚醚醚酮(PEEK)的组中选择。在一具体特征中，电绝缘材料包括聚醚醚酮(PEEK)。
在另一特征中，绝缘层644包括电绝缘纤维，例如玻璃绝缘纤维。例如，玻璃绝缘纤维可以从A-玻璃、B-玻璃、C-玻璃、D-玻璃、E-玻璃、H-玻璃、S-玻璃、AR-玻璃、R-玻璃、或玄武岩(例如火山玻璃)纤维中选择。玻璃纤维和双层玻璃也可以使用。例如，S-2玻璃758-AB-225，S-2玻璃758-AB-675；E-玻璃366-AC-250；E-玻璃366-AB-450，E-玻璃366-AB-675，和含有E-玻璃的玄武岩都可以用于绝缘纤维。在一个例子中，无硼玻璃(例如E-玻璃)用作玻璃绝缘纤维。在另一特征中，玻璃纤维绝缘可以从H-玻璃纤维、S-玻璃纤维和玄武岩纤维中选择。
在另一特征中，绝缘层可以包括其他类型的绝缘纤维，例如聚合物绝缘纤维。例如，聚合物绝缘纤维可以包括芳香聚酰胺纤维。在绝缘层644中利用基本上连续的纤维(例如玻璃绝缘纤维或聚合物绝缘纤维)时，纤维可以设置在粘结材料基体中，例如树脂基体。在一个特征中，绝缘层644包括在树脂基体中的基本上连续的绝缘纤维，树脂基体与复合材料642整体地形成，例如在绝缘纤维和强化纤维设置在同一粘结材料基体中的情况下。在一个替换例中，绝缘纤维可以设置在与用在复合材料642中的粘结材料基体不同的粘结材料基体。
在另一特征中，绝缘层644用环氧树脂形成，所述环氧树脂在复合材料642中用作粘结材料基体。即，复合材料642被包括粘结材料基体的绝缘层644围绕，但是不包括在复合材料642中出现的强化纤维。换句话说，绝缘环氧树脂壳体与复合材料642整体地形成且对其围绕，所述复合材料642包括强化纤维和环氧树脂。
在任何情况下，绝缘层644应该具有足够的厚度以足以使得复合材料642绝缘，例如使得复合材料642与设置在纤维强化复合强度构件640周围的导电层电绝缘。在一个特征中，绝缘层644具有至少约100μm的厚度(例如在绝缘层包括聚合物涂层或粘结材料基体时)，且在另一特征中具有至少约0.5mm的厚度(例如在绝缘层包括与功能梯度纤维强化复合材料整体地形成的绝缘纤维时)。通常，绝缘层644的厚度不超过约1mm。
在纤维强化复合强度构件640的一个具体特征中，复合材料642包括在环氧树脂基体中的基本上连续的高拉伸模量碳纤维(例如碳纤维束)，且绝缘层644包括在同一环氧树脂基体中的基本上连续的电绝缘玻璃纤维，即其中复合材料642和绝缘层644整体地形成。
间隙结构
本文公开的吊线缆也可以包括“带间隙”的结构，其中在强度构件和导电层之间，在强度构件的外表面和导电层的内表面之间存在小间隙。参见图7，吊线缆702包括强度构件740和被强度构件740支撑的导电层750。如图7所示的，强度构件740包括被绝缘层744围绕的复合材料742，类似于图6示出的结构。吊线缆702形成为在导电层750和强度构件740之间具有间隙760。虽然显示为被设置在强度构件740下方，但是应理解，取决于吊线缆702的取向，间隙760可以围绕强度构件740的整个周向均匀分布。间隙760可以是空的(例如包括空气)。在一个特征中，强度构件740和导电层750之间的间隙760填充有降低强度构件740和导电层750之间摩擦的材料，例如热稳定油脂。
强度构件740和导电层750之间的间隙760的存在使得强度构件和导电层彼此独立运动。以此方式，基本上所有张紧力可置于强度构件740上(例如在吊线缆702的安装期间)，而不会在导电层750上设置任何显著张紧力。在与具有非常低热膨胀系数的纤维强化复合强度构件组合使用时，例如强度构件740，强度构件740的非常低的热膨胀系数将根据吊线缆702的温度而规定下垂。这将允许在任何温度下在吊线缆702上有几乎恒定的张紧力，稳定其下垂并改善接触线与集电弓的接触。间隙的尺寸例如可以是围绕强度构件的整个周长至少约0.1mm、例如围绕强度构件的整个周长至少约0.2mm、或甚至围绕强度构件的整个周长至少约0.5mm。换句话说，导电层750的内表面的半径可以比强度构件740(包括绝缘层744)的外半径大至少约0.1mm，例如至少大约0.2mm，或甚至比强度构件740(包括绝缘层744)的外半径大至少约0.5mm。
如图7所示的，吊线缆702包括具有多个独立导电绞线752a和752b的导电层750。导电绞线752a形状为梯形。梯形形状的导体绞线752a被小圆形导体绞线752b围绕。由此，梯形绞线752a可以围绕强度构件740螺旋缠绕，且小圆形导电绞线752b可以围绕梯形绞线752a螺旋缠绕。导电绞线752a/752b用高导电铜或铜合金制造。
图8示出了根据本发明一个实施例的吊线缆802的剖开透视图。吊线缆802包括具有纤维强化复合材料842的单个纤维强化复合强度构件840。应注意，本文公开的吊线缆可以包括单个单体强度构件，即与强度构件用多个螺旋缠绕的独立铜包钢绞线形成的强度构件的已知吊线缆相比。绝缘层844(例如玻璃纤维层)设置在复合材料842和导电层850之间。导电层850包括梯形形状的多个独立导电绞线852，例如针对图7所述的。虽然图8中未示出，但是吊线缆802也可以具有在导电层850和强度构件840之间形成的间隙。进一步地，导电层850也可以包括围绕图7所示的梯形绞线缠绕的圆形导电绞线。替换地，导电绞线可以具有大致“Z”形截面，例如在导电绞线与邻近的导电绞线互锁的情况下。
在任何情况下，导电绞线852用铜或主要由铜构成的铜合金制造。铜由于其非常高的导电性而通常被期望使用。
用于制造纤维强化复合强度构件的方法
根据一个特征，纤维强化复合强度构件可以通过挤压成型过程制造。通过例子的方式，图9是挤压成型设备900的示意图，其可以用在用于强度构件的纤维强化复合材料的制造方法中。强化纤维通常被提供作为设置在心轴、中心拉动封装件或相似装置(本文共同称为“心轴”)上的纤维束，以有助于连续拉出强化纤维。纤维心轴904可以包括连续长度的纤维束902，其是几千米或更长的长度，例如8、10千米或超过12千米的长度，由此实现相似长度的纤维强化复合强度构件的生产。参见图9，强化纤维束902可从多个纤维心轴904拉出。在这方面，纤维束的多个心轴可被包含在支架906上，以同时为单元操作提供多个束强化纤维。在一个例子中，支架906可以保持强化纤维束902的多个心轴904，其同时经过随后的形成操作。
在从其心轴904拉出之后，强化纤维束902可以被引导，以期望的方式对强化纤维束902进行空间排布。例如，第一类型的纤维(例如高拉伸模量纤维)可以被引导为使得第一类型的纤维设置在最终形成的纤维强化复合材料的中心轴线附近，且第二类型的纤维(例如次级纤维)可以被引导为使得第二类型的纤维置于围绕内材料截面的外材料截面中。
纤维心轴904可以配置为使得纤维束902经历非切向拉出(例如从中心拉动封装件)。有利地，纤维束902会经历从纤维心轴904的切向拉出，以防止或降低强化纤维的潜在扭曲，这种扭曲对强度构件的物理性能是有害的。例如，由于随后的树脂润湿步骤期间强化纤维的不完全润湿，扭曲的纤维会在复合构件中形成干点(dry spot)，在强度构件中造成弱化点。
强化纤维束902前进通过被拉动而经过形成操作。例如，离开固化模具910的纤维强化复合材料922可以被拉动以让强化纤维前进。由此，强化纤维束902可以基本上从纤维心轴904被连续拉动，例如通过电马达或任何其他适当驱动，或通过如图9所示的往复运动系统930。在一个特征中，每一个纤维心轴904上的张紧力也可以被独立地控制。例如，分配支架906可以包括一装置(例如制动器机构)，允许针对每一个纤维心轴904调整张紧力。张紧力调整可用于减少吊线(节点)的形成并在纤维束前进通过形成操作时减少纤维束902的交叉。强化纤维束902的张紧力调整还可有助于树脂润湿过程。
强化纤维经历润湿步骤，由此纤维束与树脂接触(例如液体环氧树脂)，以用树脂涂覆并浸渍强化纤维，以形成树脂浸渍纤维束。本领域已知的各种替换技术可用于用树脂涂覆和浸渍纤维。这种技术例如可以包括喷涂、浸洗、逆向涂层、滚动涂层、涂刷和树脂喷射。干燥树脂也可利用，例如干燥热朔性树脂。
如图9所示，通过将强化纤维束902拉动通过树脂浴912，纤维束902在树脂浴912中接触液体树脂913，以形成树脂浸渍纤维束914。润湿期间树脂913的粘性会影响制造速率，即纤维束902可被拉动通过单元操作的速度。为了实现纤维对树脂的期望比例以形成用于强度构件的纤维强化复合材料，润湿期间树脂913的粘性可以在润湿温度(例如约20℃)下例如为至少约200cPs且不大于约10000cPs。在纤维束润湿之后，树脂浸渍纤维束914可以经历擦拭步骤，以从纤维去除一部分树脂。擦拭步骤可以适于移除一部分树脂，使得可在纤维强化复合材料中实现期望的纤维对树脂比例。例如，树脂浸渍纤维束914可以在多个擦拭杆918上或下拉动，以移除多余树脂。从纤维束914去除的多余树脂可以被回收到树脂浴912以节省树脂。
树脂浸渍纤维束914可以随后经历固化步骤，以基本上使得树脂固化，以形成纤维强化复合材料922。例如，固化步骤可以包括让树脂浸渍纤维束914经过固化模具910中的一个或多个温度受控加热区域，该固化具有固化模具孔920。通常，加热区域(一个或多个)的温度为至少约100℃且不大于约800℃。在一个例子中，受控加热区域的温度随树脂浸渍纤维束914运动通过固化模具910而逐渐增加。固化模具910的长度和纤维束914通过固化模具910的速度决定了树脂将经历固化温度的时间量。可以采用其他固化方法，例如紫外线(UV)固化、电子束固化和X射线固化。
离开固化模具910的纤维强化复合材料922可以经历后固化步骤和冷却步骤。后固化步骤例如可以包括保持高温一段时间，例如约200℃的温度。纤维强化复合材料922的冷却可以通过将复合材料922暴露到足以让复合材料922冷却的环境下一段时间，使得其可卷绕或以其他方式设置在存储心轴926或相似结构上，用于存储和/或运输。
由此，纤维强化复合材料922可以在挤压成型过程结束时缠绕在存储心轴926周围(例如运输鼓轮)，用于复合材料922的存储和/或运输。在一种构造中，存储心轴926可以具有的尺寸(例如内径)应足以保持至少约500米的强度构件922，例如至少约1km、至少约2km、至少约5km、和甚至至少约7.5km的强度构件。例如，存储心轴926可以是木制的存储心轴且可以具有一内径，复合构件围绕该内径缠绕至少约0.3米，例如至少约0.5米，或甚至至少约1米。
绝缘层(例如涂层)可以围绕纤维强化复合材料施加。这种材料层可以在将纤维强化复合材料缠绕在存储心轴上之前施加(例如材料层的置放可以与挤压成型过程整合)，或材料层可以随后设置在纤维强化复合材料上，例如在将纤维强化复合材料初始置放在存储心轴上之后。在这方面，纤维强化复合材料可以从心轴解开，涂有材料层(例如聚合物，例如PEEK)，且随后在缠绕在另一存储心轴上，用于已完成强度构件的随后存储和运输。在强度构件包括基本上具有连续玻璃纤维的绝缘层时，玻璃纤维可以直接整合到如上所述的挤压成型过程中，使得玻璃纤维被设置在树脂中，该树脂随树脂将(高拉伸模量)强化纤维粘结而固化。
吊线缆的安装
使用本文所述的的吊线缆构造(一个或多个)，可以将吊线缆安装在悬链系统中，使得吊线缆的相关性能完全通过强度构件规定。对于仅呈现强度构件性能的吊线缆，导电层将不承载任何拉伸载荷。吊线缆必须不能改变张紧力的环境温度范围为约-30℃到约100℃。由此，吊线缆的热拐点(thermal knee point)——其是所有载荷从导电铜绞线载荷时的温度——需要下降到可以在电气列车的期望运行环境温度范围内确保几乎恒定张紧力的最低温度。因此，吊线缆必须以热拐点下降到期望最低环境温度的方式安装。这确保了在非常低的温度(低于冰点)向，线将不会拱起，这种拱起会改变接触线在列车轨道上方的高度，这也会影响列车可安全获得的速度。
电气列车吊线缆的前述实施例可以实现使用独特的方法来安装吊线缆。例如，吊线缆可以安装在悬链系统中，使得吊线缆上的基本上所有张紧力施加到强度构件，且基本上没有张紧力直接或间接地施加到导电层。吊线缆也可以在不使用平衡配重(例如图4所示的平衡配重)或之前需要维持吊线缆上恒定张紧力的相似系统的情况下安装，这会降低投资成本和运行(例如维护)成本。
在一个实施例中，吊线缆可以安装(捆扎)而不使用悬臂系统。
尽管已经详细描述了吊线缆、用于制造吊线缆的方法和用于安装用于电气列车的吊线缆的方法的各种实施例，但是应理解，本领域技术人员可以想到这些实施例的修改和改变。然而，应明确理解，这种修改和改变仍在本发明的精神和范围内。

Claims (32)

1.一种电气列车吊线缆，该吊线缆包括：
纤维强化复合强度构件；和
导电层，围绕纤维强化复合强度构件，导电层包括铜或铜合金。
2.权利要求1所述的电气列车吊线缆，其中吊线缆包括在复合强度构件和导电层之间的间隙。
3.权利要求2所述的电气列车吊线缆，其中复合强度构件和导电层之间的间隙具有的尺寸为在复合强度构件的整个周向和导电层之间的至少约0.5mm。
4.如权利要求1到3中任一项所述的电气列车吊线缆，其中导电层包括多个螺旋缠绕且互锁的导电绞线。
5.如权利要求1到4中任一项所述的电气列车吊线缆，其中导电层包括多个铜导电绞线。
6.如权利要求1到5中任一项所述的电气列车吊线缆，其中纤维强化复合强度构件包括基本上连续的高拉伸模量强化纤维。
7.权利要求6所述的电气列车吊线缆，其中高拉伸模量强化纤维具有至少约275GPa的拉伸模量。
8.权利要求7所述的电气列车吊线缆，其中高拉伸模量强化纤维具有至少约300GPa的拉伸模量。
9.如权利要求1到8中任一项所述的电气列车吊线缆，其中高拉伸模量强化纤维具有至少约4.5GPa的拉伸强度。
10.如权利要求6到9中任一项所述的电气列车吊线缆，其中高拉伸模量强化纤维包括碳纤维。
11.如权利要求1到10中任一项所述的电气列车吊线缆，其中纤维强化强度构件包括与高拉伸模量强化纤维不同的次级强化纤维。
12.如权利要求6到11中任一项所述的电气列车吊线缆，其中高拉伸模量强化纤维设置在聚合物基体中。
13.权利要求12所述的电气列车吊线缆，其中高拉伸模量强化纤维设置在热朔性聚合物基体中。
14.权利要求12所述的电气列车吊线缆，其中高拉伸模量强化纤维设置在环氧树脂基体中。
15.权利要求12所述的电气列车吊线缆，其中高拉伸模量强化纤维设置在热硬性聚合物基体中。
16.如权利要求6到15中任一项所述的电气列车吊线缆，其中纤维强化强度构件包括与高拉伸模量强化纤维不同的次级强化纤维。
17.如权利要求1到16中任一项所述的电气列车吊线缆，其中吊线缆进一步包括设置在纤维强化复合强度构件和导电层之间的绝缘层。
18.权利要求17所述的电气列车吊线缆，其中绝缘层包括玻璃层。
19.权利要求18所述的电气列车吊线缆，其中玻璃层包括与强度构件整体形成的基本上连续的玻璃纤维。
20.如权利要求18或19中任一项所述的电气列车吊线缆，其中绝缘层具有至少约0.5mm的厚度。
21.权利要求17所述的电气列车吊线缆，其中绝缘层包括在强度构件上的聚合物涂层。
22.权利要求21所述的电气列车吊线缆，其中绝缘层具有至少约100μm的厚度。
23.如权利要求1到22中任一项所述的电气列车吊线缆，其中纤维强化复合强度构件具有至少约110GPa的拉伸模量。
24.如权利要求1到23中任一项所述的电气列车吊线缆，其中纤维强化复合强度构件具有不大于约2×10-6/℃的热膨胀系数(CTE)
25.如权利要求1到24中任一项所述的电气列车吊线缆，其中纤维强化复合强度构件的拉伸强度为至少约2100MPa。
26.如权利要求1到25中任一项所述的电气列车吊线缆，其中纤维强化强度构件具有的直径为至少约5mm且不大于约14mm。
27.如权利要求4到26中任一项所述的电气列车吊线缆，其中导电绞线具有Z形截面。
28.一种用于电气列车的悬链系统，包括：
多个间隔开的支撑结构；
吊线缆，操作性地附接到多个支撑结构；和
导电接触线，操作性地设置在吊线缆下方且被吊线缆支撑，
其中吊线缆是如权利要求1到27中任一项所述的吊线缆。
29.如权利要求28所述的悬链系统，其中接触线通过多个吊弦附接到吊线缆。
30.如权利要求28所述的悬链系统，其中接触线附接到辅助吊线缆且辅助吊线缆附接到吊线缆。
31.如权利要求28到30中任一项所述的悬链系统，其中吊线缆通过多个支撑臂附接到支撑结构。
32.如权利要求28到31中任一项所述的悬链系统，其中悬链系统不包括平衡配重锚固件。
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