廣州地鐵剛性接觸網(wǎng)槽鋼底座爆裂原因及應對措施

張立群

(廣州市地下鐵道總公司，510010，廣州∥助理工程師)

自2010年年底廣州地鐵2號線新線部分開通以來，在進行日常檢修作業(yè)過程中，班組檢修人員多次發(fā)現(xiàn)剛性接觸網(wǎng)的A 型槽鋼底座(以下簡稱槽鋼底座)發(fā)生爆裂的問題(見圖1)。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，槽鋼底座爆裂處基本都是出現(xiàn)在錨段關節(jié)前后位置。若該處故障不能得到及時處理，將會因定位裝置應力過大而導致絕緣子進一步損壞，引起供電故障;也有可能使B 型匯流排定位線夾(以下簡稱定位線夾)斷裂，進而造成匯流排過渡不平順，導致受電弓通過時出現(xiàn)嚴重拉弧現(xiàn)象。本文對該安全隱患進行技術分析并給予應對措施，供檢修作業(yè)人員在檢修過程中作參考。

圖1 剛性接觸網(wǎng)的A 型槽鋼底座爆裂實景圖

1 受電弓對匯流排作用力分析

根據(jù)剛性接觸網(wǎng)檢修規(guī)定最新要求，地鐵隧道內(nèi)接觸網(wǎng)導線高度標準值為4 040 mm，允許誤差范圍為±5 mm。如圖2所示，實際應用中，線路中鋪設的接觸網(wǎng)導線跟水平面存在夾角α。由于α 非常小，受電弓對接觸線的沖擊力在弓網(wǎng)接觸壓力中占比也非常小，可以忽略。因此，在列車運行過程中可以把受電弓看作近乎沿水平方向運行，則可得

式中:

f1——接觸線對受電弓的摩擦力;

μ——受電弓與接觸線的摩擦系數(shù);

P1——受電弓對接觸線的動態(tài)接觸壓力;

f2——受電弓對接觸線的作用力。

接觸線受到的沖擊力主要發(fā)生在受電弓進入錨段關節(jié)時，如圖3所示。當受電弓運行到錨段關節(jié)處時，關節(jié)進線為非工作支，關節(jié)出線為工作支，由于非工作支相對于工作支會有所抬高，故受電弓會出現(xiàn)傾斜運行狀態(tài)。

如圖4所示，現(xiàn)對受電弓左側與錨段關節(jié)進線端碰撞處進行受力分析。根據(jù)設計要求，受電弓進入錨段關節(jié)運行一段距離后受電弓接觸到的2 個工作支(如圖5 的轉換過渡區(qū))會經(jīng)過一個等高運行狀態(tài)，然后再以錨段關節(jié)出線為主要接觸點進入下一個傾斜運行狀態(tài)，直到受電弓離開錨段關節(jié)。

圖2 受電弓與接觸線接觸點示意及受力分析圖

圖3 接觸網(wǎng)錨段關節(jié)示意圖

圖4 錨段關節(jié)處受電弓與進線工作支接觸線碰撞示意圖

圖5 受電弓與錨段關節(jié)過渡部位碰撞側面示意圖

如圖5所示，匯流排終端(非工作支)向上彎高70 mm，向上彎部分長1 500 mm，以利于受電弓平滑過渡。當受電弓運行至與匯流排終端的接觸線碰撞時可知，受電弓受到垂直于接觸線的反作力。

式中:

F——碰撞時匯流排終端接觸線作用于受電弓的反作用力;

m——受電弓炭板質(zhì)量;

Δt——碰撞作用時間;

vo——列車速度;

v——受電弓炭板與匯流排終端接觸網(wǎng)碰撞時受電弓垂直于接觸線向上的速度。

由牛頓定律可知:

碰撞時受電弓作用于接觸線的作用力F1=F。

碰撞時受電弓對接觸線的動態(tài)壓力P2= F1+P1。

碰撞時受電弓與接觸線的摩擦力f3=μP2=μ(0.047 mvo/Δt+ P1)，但受力時間非常短，一般 Δt為 0.01 s，碰撞過后，f3=f1。

匯流排受到的順線路方向竄動的作用力f4=f3。

2 槽鋼底座發(fā)生爆裂的原因分析

2.1 受到的作用力過大

匯流排對定位線夾的滑動摩擦力

式中:

μ1——匯流排對定位線夾的摩擦系數(shù);

F2——匯流排對定位線夾的夾持力。

如圖6所示，由于定位裝置的結構原因，定位線夾處受到的作用力將會直接作用到定位裝置中T型頭螺栓與槽鋼底座的接觸處。當f4≥f5時，定位線夾處受到的作用力為f5，匯流排會相對定位線夾滑動;當f4＜f5時，定位線夾處受到的作用力為f4，匯流排不會相對定位線夾滑動;當作用力f4達到一定值時，定位裝置將會發(fā)生傾斜。

從檢修情況中可知，出現(xiàn)定位裝置槽鋼底座爆裂的故障是偶發(fā)性的。當f4＜f5時，假設導致T 型頭螺栓、絕緣子、定位線夾變形的作用力F3＞f4，而槽鋼底座能夠承受T 型頭螺栓的最大作用力F4＜f4，則將會因為T 型頭螺栓對槽鋼底座的作用力過大導致槽鋼底座爆裂(見圖1);當F4＞F3＞f4時，T型頭螺栓、絕緣子、定位線夾將會因傾斜過度而發(fā)生變形。

2.2 材料自身問題

在制作過程中因材料表面或內(nèi)部存在缺陷(如夾雜、劃痕、厚度不合格等)，當與T 型頭螺栓長期相互擠壓作用下會使槽鋼底座產(chǎn)生微裂紋，且隨應力循環(huán)作用次數(shù)的增加微裂紋逐漸擴大;槽鋼底座的鍍鋅層被破壞后，在潮濕的地鐵隧道環(huán)境下，粉塵含量較多，對裂紋處形成了電化腐蝕，加快了裂紋的擴大速度，最后出現(xiàn)槽鋼底座爆裂現(xiàn)象。

圖6 定位線夾處作用力示意圖

3 結論

根據(jù)上述分析可知，出現(xiàn)剛性接觸網(wǎng)槽鋼底座爆裂的原因主要是:在運行列車受電弓與接觸線的摩擦力，以及受電弓進入錨段關節(jié)時與錨段關節(jié)發(fā)生碰撞力的共同作用下，匯流排出現(xiàn)順線路的竄動現(xiàn)象，進而將竄動作用力傳遞到該錨段的每一個定位裝置(含定位線夾、絕緣子、T 型頭螺栓);當定位線夾對匯流排的夾持力過大時，匯流排不能前后自由竄動，其竄動的作用力完全作用在定位裝置上，致使T 型頭螺栓對槽鋼底座的作用力過大，使支持定位裝置發(fā)生傾斜、形變;定位裝置傾斜后，T 型頭端頭與槽鋼的接觸面減小，端頭在槽鋼內(nèi)雙邊受力變?yōu)閱芜吺芰?，造成槽鋼底座局部應力集?當該應力超過容許值時，使槽鋼底座出現(xiàn)微裂，隨著時間推移，裂痕逐漸擴大，而出現(xiàn)爆裂。

由于每個錨段都設置一個中心錨結，以防止匯流排進行順線路方向竄動，當中心錨結的一端竄動作用力過大時，就會使匯流排發(fā)生形變;如果該端的匯流排可自由竄動，則當列車受電弓經(jīng)過后可以自行恢復到原來狀態(tài);如果該端有定位線夾而夾持力過大則會導致定位裝置與匯流排一起發(fā)生形變而無法自行恢復，進而導致接觸線的導高或拉出值發(fā)生變化，當接觸線的導高或拉出值超出誤差范圍時便形成了安全隱患。

4 應對措施

1)進行日常檢修時應重點檢查定位線夾對匯流排的夾持情況，發(fā)現(xiàn)因定位線夾與匯流排相互卡死而導致匯流排無法自由竄動的，應及時進行調(diào)整。

2)檢修過程中發(fā)現(xiàn)接觸線因機械磨耗而造成表面粗糙時則應及時打磨，使接觸線表面保持光滑，以減小與受電弓的摩擦力。

3)應加強巡視，發(fā)現(xiàn)絕緣子傾斜、匯流排發(fā)生形變的應及時調(diào)整;發(fā)現(xiàn)底座槽鋼有滴水腐蝕生銹現(xiàn)象的應及時更換。

4)應嚴格按照檢修規(guī)定開展檢修作業(yè)。進行檢修作業(yè)時應認真核實接觸網(wǎng)的技術參數(shù)，優(yōu)化接觸網(wǎng)錨段關節(jié)的相關參數(shù)，同時注意調(diào)節(jié)錨段關節(jié)前后幾個定位點的導高，滿足接觸網(wǎng)的坡度要求，使受電弓平穩(wěn)過渡，以減小對匯流排的沖擊力。

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