基于弓網(wǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的地鐵剛性接觸網(wǎng)膨脹元件燒蝕原因分析

■ 盛良??李向東

基于弓網(wǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的地鐵剛性接觸網(wǎng)膨脹元件燒蝕原因分析

■ 盛良??李向東

對(duì)比舊滑板磨耗輪廓特征和膨脹元件幾何及平面布置特征發(fā)現(xiàn)，滑板中心±30?mm區(qū)域過(guò)磨耗產(chǎn)生的滑板高度差是引起膨脹元件處弓網(wǎng)關(guān)系惡化的直接原因。通過(guò)對(duì)新舊滑板工況燃弧、弓網(wǎng)接觸力和硬點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，驗(yàn)證在舊滑板工況下膨脹元件處弓網(wǎng)關(guān)系惡化情況，最終得出膨脹元件的拉出值零點(diǎn)布置是引起碳滑板中心±30?mm區(qū)域過(guò)磨耗的主要原因，也是膨脹元件燒蝕的直接原因。

弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)；膨脹元件；拉出值；滑板；不均勻磨耗

0 引言

接觸網(wǎng)剛性懸掛（簡(jiǎn)稱剛性懸掛）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)張力補(bǔ)償、結(jié)構(gòu)高度小、載流能力強(qiáng)、安全可靠及少維護(hù)等特點(diǎn)，因而被世界各國(guó)的城市軌道交通廣泛采用。然而在運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn)，剛性懸掛弓網(wǎng)關(guān)系存在較多問(wèn)題，為優(yōu)化弓網(wǎng)關(guān)系，通常將傳統(tǒng)關(guān)節(jié)式機(jī)械分段改為膨脹元件。膨脹元件有多種形式，其中某型號(hào)雙輔助線膨脹元件夾裝在相鄰兩端的匯流排中間，膨脹元件縱向兩側(cè)各連接一根接觸線，并形成長(zhǎng)度為205 mm的三根接觸線并行區(qū)域，有些城市地鐵剛性懸掛大量采用該型號(hào)膨脹元件，但運(yùn)營(yíng)中發(fā)現(xiàn)，全線膨脹元件普遍存在燒蝕嚴(yán)重現(xiàn)象，影響列車運(yùn)行安全，因此亟需對(duì)膨脹元件燒蝕的原因進(jìn)行深入分析，徹底解決此類問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)特征分析

1.1 受電弓特征

滑板作為受電弓的重要部件，負(fù)責(zé)與接觸線滑動(dòng)接觸并將電能可靠傳輸至車內(nèi)牽引系統(tǒng)，保證列車持續(xù)可靠供電[1-2]，滑板狀態(tài)的變化直接影響弓網(wǎng)關(guān)系的改變，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)比分析。同時(shí)，在受電弓的整個(gè)有效工作周期內(nèi)，除滑板作為耗材部件不斷更新替換外，受電弓其他部件均無(wú)需特殊調(diào)整，因此滑板是受電弓整個(gè)有效運(yùn)行周期內(nèi)最為顯著的變量因素之一，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)比分析。新滑板（見(jiàn)圖1）碳條表面平整，工作范圍內(nèi)碳條高度相同；舊滑板（見(jiàn)圖2）碳條表面共存在5個(gè)不均勻磨耗區(qū)域，位置1和位置5為拉出值±200 mm位置區(qū)域，位置2和位置4為拉出值±100 mm位置區(qū)域，位置3為距滑板中心±30 mm區(qū)域，且該條線路受電弓滑板普遍存在該特征。

1.2 膨脹元件特征

該型號(hào)膨脹元件除具有圖3所示特征外，根據(jù)產(chǎn)品安裝手冊(cè)要求，其安裝位置拉出值須為0，且為便于匯流排拉出值的平滑過(guò)渡，其兩端約各15 m的匯流排拉出值也接近零點(diǎn)布置。

圖1 新滑板外觀

圖2 舊滑板外觀

圖3 某型號(hào)膨脹元件安裝示意圖

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采用弓網(wǎng)接觸力與燃弧2個(gè)參數(shù)描述弓網(wǎng)受流質(zhì)量，采用硬點(diǎn)參數(shù)描述接觸網(wǎng)不平順性。提取全線膨脹元件位置燃弧、弓網(wǎng)接觸力和硬點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析新舊滑板不同工況下弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)關(guān)系的差異。

2.1 燃弧分析

全線共26處膨脹元件的燃弧檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖4、圖5?？梢?jiàn)，全線舊滑板工況總?cè)蓟r(shí)間明顯高于新滑板，分別為11 672 ms和5 720 ms。因此，舊滑板工況下膨脹元件位置弓網(wǎng)關(guān)系較新滑板惡劣。燃弧時(shí)溫度高達(dá)上千攝氏度，是造成膨脹元件燒蝕的直接原因。

2.2 弓網(wǎng)接觸力分析

受電弓滑板-接觸導(dǎo)線是一對(duì)較為特殊的摩擦副[3]，二者的動(dòng)態(tài)接觸力直接影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量。當(dāng)弓網(wǎng)接觸力減小到一定值時(shí)，即使弓網(wǎng)接觸力不為0且未出現(xiàn)弓網(wǎng)脫離，該摩擦副的接觸電阻會(huì)迅速增大，當(dāng)電客車取流時(shí)，每套摩擦副在幾百安培電流通過(guò)時(shí)，引起弓網(wǎng)燃弧，且隨著電流的增大而不斷加劇。

全線共26處膨脹元件的最大和最小弓網(wǎng)接觸力檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖6、圖7?？梢?jiàn)，新、舊滑板工況下膨脹元件處最大和最小弓網(wǎng)接觸力出現(xiàn)明顯分界。其中舊滑板弓網(wǎng)最大接觸力主要分布在200～ 400 N，新滑板弓網(wǎng)接觸力主要分布在100～180 N；弓網(wǎng)最小接觸力舊滑板明顯小于新滑板，尤其是受電弓靜態(tài)抬升力為90 N和100 N的工況下最為突出。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，最大弓網(wǎng)接觸力≤300 N，最小弓網(wǎng)接觸力＞0 N。新滑板工況下弓網(wǎng)接觸力均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，舊滑板工況下最大和最小弓網(wǎng)接觸力均有超標(biāo)現(xiàn)象。因此，舊滑板工況下膨脹元件處弓網(wǎng)關(guān)系較新滑板明顯惡劣。

圖4 正線右線膨脹元件位置燃弧分布

圖5 正線左線膨脹元件位置燃弧分布

圖6 正線全線膨脹元件處弓網(wǎng)最大接觸力

圖7 正線全線膨脹元件處弓網(wǎng)最小接觸力

2.3 硬點(diǎn)分析

全線共26處膨脹元件的硬點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖8?？梢?jiàn)，新滑板工況下膨脹元件處硬點(diǎn)主要集中穩(wěn)定在（5～20）g，舊滑板工況下硬點(diǎn)相對(duì)零散分布在（20～60）g。舊滑板工況下受電弓通過(guò)膨脹元件時(shí)硬點(diǎn)值明顯高于新滑板工況。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，硬點(diǎn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為小于49 g。新滑板工況下，受電弓通過(guò)膨脹元件時(shí)硬點(diǎn)值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；舊滑板工況下，受電弓通過(guò)膨脹元件時(shí)硬點(diǎn)值嚴(yán)重超標(biāo)。因此，舊滑板工況下膨脹元件處弓網(wǎng)關(guān)系較新滑板明顯惡劣。

根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)和受電弓通過(guò)膨脹元件時(shí)的弓網(wǎng)接觸過(guò)程分析可知，新滑板在工作范圍內(nèi)碳條高度相同，當(dāng)滑板通過(guò)膨脹元件時(shí)，因滑板與三支接觸線高度一致而平滑過(guò)渡，弓網(wǎng)接觸力穩(wěn)定，無(wú)硬點(diǎn)和燃弧產(chǎn)生。

舊滑板碳條中心存在局部磨耗，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)磨耗區(qū)域絕大多數(shù)分布在距滑板中心±30 mm范圍內(nèi)，當(dāng)受電弓滑板由匯流排滑行進(jìn)入膨脹元件前，匯流排接觸線逐漸過(guò)渡到滑板中心，此時(shí)距滑板中心±30 mm區(qū)域內(nèi)滑板高度已高于膨脹元件外側(cè)接觸線高度，當(dāng)受電弓到達(dá)膨脹元件端部時(shí)便造成±30 mm區(qū)域內(nèi)滑板與膨脹元件外側(cè)兩接觸線撞擊，形成硬點(diǎn)，引起弓網(wǎng)接觸力波動(dòng)，進(jìn)而引起燃弧，造成膨脹元件燒蝕。因此，滑板中心處不均勻磨耗是膨脹元件燒蝕的直接原因。

圖8 膨脹元件處硬點(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

3 滑板中心處不均勻磨耗原因分析

3.1 滑板機(jī)械磨耗與接觸線平面布置關(guān)系

根據(jù)平面布置圖（見(jiàn)圖9、圖10），沿線將匯流排與接觸線往復(fù)布置在距線路中心±200 mm區(qū)域內(nèi)，使得車輛通過(guò)時(shí)接觸線在受電弓滑板工作區(qū)域做往復(fù)滑動(dòng)摩擦接觸，當(dāng)接觸線在某一小區(qū)域分布點(diǎn)較多時(shí)便造成接觸線在滑板該區(qū)域摩擦接觸的距離更長(zhǎng)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的研究及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，受電弓滑板磨耗主要由機(jī)械磨耗和電氣磨耗兩部分組成，其中機(jī)械磨耗即為受電弓滑板與接觸線直接的機(jī)械滑動(dòng)摩擦。圖10中位置1—位置5的接觸線拉出值分布呈非正態(tài)分布，分布頻次較高處對(duì)應(yīng)滑板相應(yīng)位置磨耗也較嚴(yán)重，可見(jiàn)拉出值分布密度呈非正態(tài)分布使受電弓發(fā)生不規(guī)則磨耗[4]。

3.2 接觸網(wǎng)平面布置特征

根據(jù)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，此條線路主要采用3種平面布置方案：?jiǎn)沃芷谡乙淮芜^(guò)零布置、單周期正弦三次過(guò)零布置和單周期八字形布置（見(jiàn)圖11—圖13）。

圖9 正線剛性懸掛平面布置圖

圖10 試驗(yàn)用受電弓舊滑板磨耗

圖11 單周期正弦一次過(guò)零布置拉出值分布統(tǒng)計(jì)

圖12 單周期正弦三次過(guò)零布置拉出值分布統(tǒng)計(jì)

圖13 單周期八字形布置拉出值分布統(tǒng)計(jì)

舊滑板磨耗是3種平面布置與膨脹元件布置綜合作用的結(jié)果。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，3種平面布置有各自的拉出值分布特點(diǎn)，分別選取圖12中3個(gè)典型單周期錨段平面布置圖做拉出值分布統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)圖14、圖15）。其中距滑板中心±30 mm區(qū)域（圖2中位置3）為膨脹元件平面布置特征引起，距滑板中心±100 mm區(qū)域（圖2中位置2和位置4）是由不足單周期正弦一次過(guò)零布置引起，距滑板±200 mm區(qū)域（圖2中位置1和位置5）是由單周期正弦一次過(guò)零和單周期正弦三次過(guò)零布置疊加共同作用引起，因此該區(qū)域不均勻磨耗程度最嚴(yán)重，并且其中3種平面布置方案在距滑板中心-100～100 mm范圍內(nèi)拉出值分布均勻，滑板中心無(wú)分布過(guò)比例情況。因此，3種平面布置方案并非引起滑板中心±30 mm范圍過(guò)磨耗的原因。

圖14 含膨脹元件拉出值波形

3.3 膨脹元件平面布置特征

根據(jù)該線接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)圖紙，一期全線共安裝26套膨脹元件，每處膨脹元件除設(shè)備自身安裝在拉出值為0的位置外，為便于匯流排拉出值的平滑過(guò)渡，其兩端各約15 m的匯流排拉出值也接近零點(diǎn)布置。

由圖14所示錨段拉出值進(jìn)行拉出值分布統(tǒng)計(jì)（結(jié)果見(jiàn)圖15），顯然膨脹元件的拉出值平面零點(diǎn)布置是引起滑板距中心±30 mm區(qū)域過(guò)磨耗的根本原因。

圖15 含膨脹元件平面布置拉出值分布統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

（1）接觸線采用混合3種平面布置的方案并非引起距滑板中心±30 mm范圍滑板過(guò)磨耗的主要原因，是滑板不均勻磨耗的主要原因。

（2）該線膨脹元件拉出值為0的布置方案導(dǎo)致受電弓滑板中心出現(xiàn)過(guò)磨耗問(wèn)題，滑板中心過(guò)磨耗區(qū)域又進(jìn)一步導(dǎo)致膨脹元件處弓網(wǎng)關(guān)系惡化，是引起膨脹元件燒蝕嚴(yán)重的直接原因。建議相關(guān)設(shè)計(jì)單位對(duì)膨脹元件的安裝位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[1] 劉長(zhǎng)利，劉永紅．構(gòu)建電氣化鐵路接觸網(wǎng)防災(zāi)安全技術(shù)體系[J]．中國(guó)鐵路，2013(3)：12-16．

[2] 張韜．接觸網(wǎng)外部環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)及防控措施[J]．中國(guó)鐵路，2014(11)：20-23．

[3] 李娜，張弘，于正平．受電弓滑板-接觸導(dǎo)線摩擦磨損機(jī)理與特性分析[J]．中國(guó)鐵道科學(xué)，1996(4)：63-68．

[4] 王劍．地鐵剛性接觸懸掛弓網(wǎng)磨耗問(wèn)題研究[J]．都市快軌交通，2012，25(4)：59-62．

盛良：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，助理?研究員，北京，100081

李向東：北京鐵科英邁技術(shù)有限公司，工程師，北京，?100081

責(zé)任編輯高紅義

U226.8

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1672-061X（2016）06-0101-05