剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)異常磨耗預(yù)防性措施

張寬發(fā) 何 莉

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，430068，武漢∥第一作者，工程師）

剛性接觸網(wǎng)與傳統(tǒng)的柔性接觸網(wǎng)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、接觸線無(wú)張力、沒(méi)有斷線之憂、凈空要求低等特點(diǎn)。剛性接觸網(wǎng)自從在廣州地鐵2號(hào)線首次投入運(yùn)營(yíng)以后，深圳、上海等城市軌道交通線路也相繼采用，現(xiàn)已成為城市軌道交通線路地下段接觸網(wǎng)的首選類型。雖然剛性接觸網(wǎng)有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是從已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的剛性接觸網(wǎng)線路來(lái)看，大部分存在嚴(yán)重的弓網(wǎng)異常磨耗現(xiàn)象。弓網(wǎng)異常磨耗嚴(yán)重影響弓網(wǎng)間的取流質(zhì)量，甚至?xí)l(fā)弓網(wǎng)事故，同時(shí)也將會(huì)大大減損接觸線及受電弓滑板使用壽命，增加運(yùn)營(yíng)成本。本文分析了造成弓網(wǎng)異常磨耗的原因及危害，提出改善弓網(wǎng)異常磨耗的措施，對(duì)提升弓網(wǎng)的安全運(yùn)營(yíng)水平具有一定的意義。

1 弓網(wǎng)異常磨耗的主要表現(xiàn)形式

接觸線異常磨耗主要體現(xiàn)在線路存在容易引發(fā)接觸線異常磨耗的區(qū)域。由于設(shè)計(jì)、施工以及線路條件等原因，有部分區(qū)域（如剛?cè)徇^(guò)渡、匯流排中間接頭、分段絕緣器、膨脹元件、錨段關(guān)節(jié)、列車上坡處等位置），由于接觸懸掛高度變化較大導(dǎo)致受電弓離線或撞擊懸掛，從而引起異常磨耗，見(jiàn)圖1。

圖1 錨段關(guān)節(jié)處接觸線異常磨耗

而受電弓的異常磨耗是指磨耗不均勻地分布在受電弓滑板上，表現(xiàn)形式較多。在此，作者選擇幾種較為典型的受電弓異常磨耗類型作簡(jiǎn)要介紹。

1.1 中心偏磨型磨耗

中心偏磨型磨耗是指受電弓滑板的中心段磨耗較為嚴(yán)重，越往弓角邊緣外端段磨耗越少，甚至兩端頭各有約100 mm 尾端段接觸面部位基本不發(fā)生磨耗。其接觸表面磨耗形狀呈殘?jiān)滦螤?，中間凹兩邊凸，如圖2所示。凹陷程度直接影響受電弓滑板的使用壽命。如東莞地鐵2號(hào)線的TSG18G1型受電弓采用浸金屬碳滑板，當(dāng)碳層磨損至根部厚度為6～7 mm 時(shí)，即需要更換整塊滑板。

圖2 中心偏磨型磨耗

1.2 波浪型磨耗

波浪型磨耗是指磨耗不均勻地分布在受電弓滑板上，且具有隨機(jī)性，導(dǎo)致滑板表面凹凸不平，有如海上波浪一樣相互之間形成厚度差，如圖3所示。

圖3 波浪型磨耗實(shí)物圖

1.3 裂紋型磨損

裂紋型磨損主要是接觸懸掛的導(dǎo)高變化，導(dǎo)致弓網(wǎng)間的機(jī)械連接狀態(tài)發(fā)生突變，高速運(yùn)行的受電弓滑板直接承受機(jī)械沖擊，導(dǎo)致受電弓滑板上由于磨損嚴(yán)重出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重時(shí)本體受力結(jié)構(gòu)受到破壞，甚至導(dǎo)致部分滑板從滑板處脫落（見(jiàn)圖4）。

圖4 受電弓滑板在機(jī)械撞擊下部分脫落

2 弓網(wǎng)異常磨耗的影響與危害

弓網(wǎng)間的異常磨耗會(huì)直接影響弓網(wǎng)關(guān)系的良好作用，不利于接觸網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，增加運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

接觸線的不均勻磨耗會(huì)導(dǎo)致受電弓不能平滑過(guò)渡，在接觸網(wǎng)磨耗異常的位置容易引起受電弓滑板的不均勻磨耗。如受電弓中心偏磨型是一種嚴(yán)重不均勻磨耗，往往是其局部凹形槽的最大深度（即滑板的最低厚度）直接決定其是否需要整體更換，這將成倍降低其滑板的合理使用壽命，加大運(yùn)營(yíng)工作量及成本。而對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行也是不利的，當(dāng)列車行駛至線路曲線半徑較大的地方時(shí)，受電弓滑板如一般鋸齒刀一般刮損接觸線，加劇磨耗的同時(shí)也成為影響受電弓滑板橫向順利滑行的安全隱患，特別嚴(yán)重時(shí)可能引起弓網(wǎng)故障。

3 弓網(wǎng)異常磨耗產(chǎn)生的原因

通過(guò)對(duì)弓網(wǎng)間的機(jī)械和電氣性能進(jìn)行系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，弓網(wǎng)異常磨耗主要有以下幾個(gè)原因。

3.1 剛性接觸網(wǎng)彈性較差

典型的剛性接觸網(wǎng)幾乎沒(méi)有彈性連接件，而剛性接觸網(wǎng)的導(dǎo)高不平整導(dǎo)致受電弓“顛簸”。由于自身無(wú)法釋放這種垂直方向的振動(dòng)能量，當(dāng)受電弓從導(dǎo)高較大走向?qū)Ц咻^小的方向時(shí)，被迫撞擊抬升接觸網(wǎng)；而從導(dǎo)高較小的地方走向?qū)Ц咻^大的地方時(shí)，容易離線誘發(fā)電氣燒損。

3.2 接觸懸掛硬點(diǎn)隨機(jī)性

在接觸網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，接觸懸掛上難免容易出現(xiàn)凸性硬點(diǎn)（凸性硬點(diǎn)的出現(xiàn)在時(shí)間以及空間上都是隨機(jī)的），這也導(dǎo)致了受電弓滑板磨耗產(chǎn)生位置的隨機(jī)性。硬點(diǎn)的出現(xiàn)意味著接觸懸掛導(dǎo)高的突變，從而導(dǎo)致受電弓直接承受高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下接觸懸掛的機(jī)械沖擊或?qū)е码x線拉弧。當(dāng)機(jī)械沖擊過(guò)大時(shí)，受電弓滑板甚至?xí)霈F(xiàn)裂紋。根據(jù)以往的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，容易出現(xiàn)硬點(diǎn)的區(qū)域有剛?cè)徇^(guò)渡區(qū)域、分段絕緣器滑處、匯流排中間接頭處、錨段關(guān)節(jié)過(guò)渡處等。

3.3 線路存在固定的磨耗“重災(zāi)”區(qū)域

在接觸網(wǎng)線路中的部分固定位置，接觸線與滑板磨損偏大。然而這些位置由于設(shè)計(jì)原因以及未統(tǒng)籌規(guī)劃或整改難度大等原因，一直未進(jìn)行優(yōu)化，變成了線路中的磨耗“重災(zāi)”區(qū)域。如電客車出入站位置，由于拉出值固定，且同一供電臂多輛電客車出站起動(dòng)時(shí)取流較大。而列車減速進(jìn)站時(shí)，其車內(nèi)電機(jī)采用再生制動(dòng)的形式，電流由機(jī)車反送至接觸網(wǎng)，導(dǎo)致接觸網(wǎng)電流增大。在出入站位置，接觸線和受電弓容易受到電弧燒損及溫升熔焊方面的磨耗，此類定位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的弓網(wǎng)磨耗要比其他定位點(diǎn)要嚴(yán)重得多。

3.4 接觸線拉出值布置存在缺陷

和傳統(tǒng)的柔性接觸網(wǎng)一樣，剛性接觸網(wǎng)也須按“之”字形布置安裝，其拉出值的大小應(yīng)該是逐漸過(guò)渡的，接觸線不應(yīng)呈現(xiàn)棱角狀。就剛性接觸網(wǎng)的運(yùn)用而言，其接觸線布置形式更類似一正弦曲線，拉出值上分布如正弦波。

正弦波布置形式的目的是保證受電弓在工作范圍內(nèi)滑板磨耗均勻，理想情況下確實(shí)能夠達(dá)到抑制不均勻磨耗的效果。但實(shí)際情況是，由于列車速度、弓網(wǎng)關(guān)系以及接觸線的平面布置形式的不同；受電弓滑板各點(diǎn)與接觸線接觸的時(shí)間、次數(shù)以及頻率是不相同的，而且在正弦波的布置方式下，受電弓滑板中心（即拉出值為0處）段與滑板兩端相比，其接觸時(shí)間及次數(shù)成倍的增長(zhǎng)，越靠近滑板中心，磨耗的時(shí)間以及頻率也越高。這也是中心偏磨型磨耗的形成機(jī)理之一。

3.5 弓網(wǎng)接觸力不平衡

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)施工的接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，接觸線越遠(yuǎn)離受電弓滑板中心，其動(dòng)態(tài)弓網(wǎng)接觸力越??；反之接觸線越接近受電弓滑板的中心，其弓網(wǎng)接觸壓力越大。這勢(shì)必增大受電弓滑板中心段的機(jī)械磨耗。且在列車行駛過(guò)程中，弓網(wǎng)接觸力隨著列車運(yùn)行速度的增大而增大，高速區(qū)段下受電弓會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)。這也是中心偏磨型磨耗和波浪型磨耗的形成機(jī)理之一。

3.6 維護(hù)整改難度大

在地鐵行業(yè)中，接觸網(wǎng)系統(tǒng)的檢修以及車輛受電弓的檢修一般采用周期檢修。接觸網(wǎng)及車輛的檢修項(xiàng)目多，工作量大，以人工目測(cè)和手動(dòng)測(cè)量檢查全線接觸網(wǎng)或電客車受電弓隨機(jī)出現(xiàn)的硬點(diǎn)及磨耗是不現(xiàn)實(shí)的；且即便發(fā)現(xiàn)受電弓磨耗異常，也無(wú)法確定是哪個(gè)區(qū)段的弓網(wǎng)關(guān)系惡劣造成的。而對(duì)于磨耗嚴(yán)重的接觸線以及受電弓滑板，只能采取全錨段更換接觸線以及更換受電弓滑板的方式解決。常規(guī)的檢修方式存在工程量大、涉及人員多、任務(wù)緊張以及備件廠家的生產(chǎn)周期等問(wèn)題。若未能及時(shí)更換受損的接觸線及受電弓，磨耗異常的受電弓就會(huì)刮損全線的接觸線，而全線接觸線磨耗加重又反作用于其他受電弓滑板，道成惡性循環(huán)。

4 弓網(wǎng)異常磨耗的預(yù)防及優(yōu)化措施

由于磨耗是無(wú)法避免的，因此對(duì)待弓網(wǎng)磨耗的方針就是預(yù)防及控制異常磨耗。為此，作者在弓網(wǎng)選型、弓網(wǎng)運(yùn)行條件、弓網(wǎng)維保措施方面提出了如下一些建議。

4.1 優(yōu)化弓網(wǎng)選型

受電弓與接觸網(wǎng)，兩者是直接的機(jī)械與電氣連接關(guān)系，相互之間的磨耗是直接相關(guān)的。而弓網(wǎng)之間的磨耗以及接觸點(diǎn)的允許電流，很大程度上依賴于滑板和接觸線的型號(hào)組合。不同型號(hào)的弓網(wǎng)在材料、結(jié)構(gòu)等方面的組合影響了弓網(wǎng)的電接觸特性、機(jī)械摩擦性以及受電弓的跟隨性。

碳滑板已被證明特別適用于匹配銅和銅合金接觸線。碳滑板的自潤(rùn)滑性能及耐電弧性能較好，但導(dǎo)電性能較差，需要提防電氣列車停車時(shí)的靜態(tài)接觸溫升引起滑板局部溫度超過(guò)允許限度的危險(xiǎn)；此外，純碳滑板的硬度還需要進(jìn)一步提高。

地鐵的接觸線主要是銅或銀銅合金材料，如東莞地鐵2號(hào)線采用的是銀銅接觸線。由于地鐵列車采用直流供電，電壓較低，通過(guò)弓網(wǎng)接觸點(diǎn)的電流較大，這就造成高電阻率的純碳滑板無(wú)法適用于地鐵列車的受電弓。

在碳滑板的基礎(chǔ)上，將鉛、錫、銅等金屬按照一定比例熔化成熔融態(tài)合金，經(jīng)過(guò)加壓等工藝融進(jìn)碳滑板空氣間隙形成浸金屬碳滑板，其既具有粉末冶金滑板機(jī)械強(qiáng)度高、電阻率小的特點(diǎn)，又具有純碳滑板對(duì)接線磨耗小、在接觸線摩擦表面易形成潤(rùn)滑膜和燃弧性能強(qiáng)的優(yōu)良性能，且具有弓頭歸算質(zhì)量小、弓網(wǎng)跟隨性強(qiáng)的特點(diǎn)。在地鐵取流中，浸金屬碳滑板與銀銅合金導(dǎo)線的組合是一個(gè)比較合理的選擇。

4.2 優(yōu)化弓網(wǎng)運(yùn)行條件

改善弓網(wǎng)的運(yùn)行條件，需要設(shè)計(jì)人員、設(shè)備供貨商、施工人員、運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員共同參與。在此介紹改善弓網(wǎng)運(yùn)行條件的幾個(gè)措施。

4.2.1 改善剛性接觸網(wǎng)的彈性

剛性接觸網(wǎng)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，整個(gè)系統(tǒng)缺乏彈性。當(dāng)接觸網(wǎng)出現(xiàn)硬點(diǎn)時(shí)，高速運(yùn)行的受電弓容易撞擊接觸網(wǎng)或拉弧燒損滑板。為了改善剛性接觸網(wǎng)缺乏彈性的問(wèn)題，有不少地鐵公司引進(jìn)彈性定位線夾。

剛性懸掛彈性定位線夾主要適用于120 km／h地鐵線路的架空剛性懸掛垂直懸吊安裝鋁合金匯流排。該匯流排及接觸線的重力由線夾內(nèi)彈簧來(lái)承擔(dān)，其彈簧壓縮長(zhǎng)度與接觸網(wǎng)系統(tǒng)的跨距、匯流排自重及弓網(wǎng)接觸力有關(guān)，保證了匯流排有上升以及下降的空間，在加強(qiáng)弓網(wǎng)跟隨性的同時(shí)也能緩沖弓網(wǎng)沖擊力的能量。其主要作用是在列車高速行駛時(shí)，使得剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)既有“剛性”，又有一定的“彈性”。在運(yùn)營(yíng)使用過(guò)程中，證明了其具有改善減少列車在高速區(qū)段時(shí)的拉弧和弓網(wǎng)設(shè)備磨損的功能。

4.2.2 優(yōu)化懸掛導(dǎo)高缺陷

硬點(diǎn)是接觸懸掛的導(dǎo)高突變的地方，容易造成機(jī)械磨耗和電氣燒損。在檢修過(guò)程中，應(yīng)該及時(shí)調(diào)整不符合標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)高突變點(diǎn)。然而，在檢修到位的情況下，剛性接觸網(wǎng)依然存在部分位置導(dǎo)高突變的缺陷。例如位于跨中處的匯流排中間接頭下垂，如圖5所示。

圖5 跨中匯流排中間接頭處導(dǎo)高下降示意圖

在實(shí)際使用過(guò)程中，在自身重力下，同一根匯流排本體中間處會(huì)出現(xiàn)下垂，而兩根匯流排之間（中間連接板）的連接若螺栓松動(dòng)時(shí)，下垂現(xiàn)象非常明顯，造成惡劣的弓網(wǎng)關(guān)系。若中間連接板剛好安裝在相鄰定位點(diǎn)中間，則中間連接板接觸線的導(dǎo)高將低于兩定位點(diǎn)處接觸線高度約12～15 mm，容易引起磨耗異常。

匯流排中間接頭處接觸線下垂優(yōu)化措施主要有：①引入更為先進(jìn)的產(chǎn)品，如改用在內(nèi)腔受力結(jié)構(gòu)上以及防松技術(shù)上進(jìn)行優(yōu)化并已投入使用的第三代匯流排及其相關(guān)附件。②在缺陷的地方加裝定位點(diǎn)，以保持接觸線的高度。③調(diào)整中間接頭與跨中位置的關(guān)系。④記錄缺陷點(diǎn)，加強(qiáng)導(dǎo)高調(diào)整的工作。

4.2.3 優(yōu)化懸掛拉出值缺陷

不均勻磨耗產(chǎn)生原因之一是線路中存在固定的磨耗特殊區(qū)域，如列車出站起動(dòng)位置對(duì)應(yīng)的受電弓滑板處磨損較為嚴(yán)重。對(duì)于這類無(wú)法避免的磨耗特殊區(qū)域，采取的方針是“統(tǒng)籌優(yōu)化”。

“統(tǒng)籌”需要統(tǒng)計(jì)全線定位點(diǎn)拉出值，尤其是對(duì)容易出現(xiàn)接觸網(wǎng)硬點(diǎn)及線路固定的磨耗“重災(zāi)”區(qū)域的定位點(diǎn)拉出值進(jìn)行重點(diǎn)標(biāo)記；其次是運(yùn)營(yíng)后統(tǒng)計(jì)受電弓滑板的偏磨位置，對(duì)兩者進(jìn)行比較分析。從理論角度而言，受電弓滑板的偏磨位置應(yīng)該是磨耗頻率最頻繁（即全線拉出值出現(xiàn)概率最高）以及容易引發(fā)嚴(yán)重磨耗的特殊區(qū)段（如列車出入站位置）拉出值對(duì)應(yīng)的滑板位置。

“優(yōu)化”的目標(biāo)是盡量使受電弓磨耗均勻地分散在受電弓滑板上。如：在線路運(yùn)營(yíng)前根據(jù)統(tǒng)計(jì)的定位點(diǎn)拉出值進(jìn)行調(diào)整，盡量使各拉出值出現(xiàn)的概率相等；全線特殊磨耗區(qū)域定位點(diǎn)的拉出值（如線路固定的特殊磨耗區(qū)）有規(guī)劃地布置成正弦波狀，每個(gè)站的出入站定位點(diǎn)的拉出值在數(shù)值上呈正弦波形狀變化；線路投入運(yùn)營(yíng)后，將受電弓偏磨位置與線路定位點(diǎn)的位置作比較分析，定期調(diào)整滑板偏磨位置對(duì)應(yīng)的拉出值。

4.3 優(yōu)化弓網(wǎng)維護(hù)措施

（1）檢修高效化。隨著磨耗異常對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響越來(lái)越嚴(yán)重以及檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的地鐵公司開(kāi)始引進(jìn)高科技產(chǎn)品用于接觸網(wǎng)以及受電弓檢測(cè)維保工作中，如接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)車。與采用大量的人力通過(guò)激光測(cè)量?jī)x器對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行靜態(tài)幾何參數(shù)（導(dǎo)高、拉出值）相比，車載檢測(cè)能夠?qū)Χ喾矫娴奈锢韰?shù)進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)時(shí)記錄分析，在檢測(cè)接觸網(wǎng)磨耗方面其效率及質(zhì)量遠(yuǎn)高于人力檢測(cè)。

（2）建立磨耗研究及優(yōu)化控制機(jī)制。受電弓滑板不均勻磨耗的控制措施，應(yīng)該立足于線路運(yùn)營(yíng)前的預(yù)防工作和運(yùn)營(yíng)后的調(diào)整優(yōu)化工作。線路運(yùn)營(yíng)前，設(shè)計(jì)院應(yīng)不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，滿足施工和運(yùn)營(yíng)的要求。施工單位應(yīng)嚴(yán)格按圖紙施工，滿足施工規(guī)范的要求。監(jiān)理及運(yùn)營(yíng)人員嚴(yán)格按施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收，針對(duì)不符合要求的項(xiàng)目進(jìn)行整改，以滿足安全運(yùn)營(yíng)的要求。而運(yùn)營(yíng)后的優(yōu)化調(diào)整工作，主要從磨耗跟蹤、參數(shù)調(diào)整、檢修制度、交流合作、物資申報(bào)等多方面進(jìn)行，積極調(diào)動(dòng)運(yùn)營(yíng)人員的主觀能動(dòng)性及積極性，形成磨耗的研究及優(yōu)化控制機(jī)制。

5 結(jié)語(yǔ)

弓網(wǎng)異常磨耗的預(yù)防與控制，涉及理論設(shè)計(jì)、施工標(biāo)準(zhǔn)、維修模式、物資采購(gòu)、線路條件等多方面的因素，也是設(shè)計(jì)院、供貨商、施工方、運(yùn)營(yíng)維修人員需要合作研究的課題?，F(xiàn)階段而言，弓網(wǎng)磨耗的控制措施還有賴于各方面人員通過(guò)交流、總結(jié)、創(chuàng)新等渠道去加以完善，達(dá)到均勻減緩磨耗、避免異常磨耗的目標(biāo)，保證安全運(yùn)營(yíng)的同時(shí)節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本。

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