上海地鐵16號線列車受流器碳滑塊磨耗及偏磨研究

王琰

摘 要：通過對上海地鐵16號線列車的受流器碳滑塊的實際磨耗情況進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)碳滑塊在使用中存在一定的偏磨現(xiàn)象，造成碳滑塊的使用壽命減少，為解決該問題，本文通過系統(tǒng)分析和建模等方法，結合接觸軌的線路條件，對可能造成碳滑塊偏磨的各類因素進行羅列研究，并對碳滑塊-接觸軌動態(tài)關系進行分析，尋求解決碳滑塊偏磨的方案。

關鍵詞：受流器；碳滑塊；偏磨

中圖分類號：U264 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）03-0049-02

上海地鐵16號線是上海首次采用第三軌供電的城軌線路。列車通過安裝在轉向架上的受流器與第三軌接觸進行受流。受流器的碳滑塊與三軌接觸磨耗，屬于損耗件。在使用中發(fā)現(xiàn)碳滑塊出現(xiàn)偏磨以及邊緣裂紋碎塊等問題，造成碳滑塊更換周期縮短，成本上升。本文結合實際運行情況對早期碳滑塊磨耗的估算，磨耗到限模型的分析，受流器各項參數變化的影響等進行研究，尋求解決偏磨的方案及其意義。

1 上海地鐵16號線電動列車受流器配屬及簡介

上海地鐵16號線列車是三節(jié)編組的A型車，受流器采用的是德國stemman公司生產的下接觸式氣動受流器。每個轉向架兩側各配備有一臺受流器和一個熔斷器。

受流器由背板、底架及其安裝件和擺臂三部分組成。

背板為轉向構架和受流器之間的接口，直接與轉向架連接。其上裝有兩塊齒板，確保受流器的水平調整并允許調整高度，以補償車輪磨損。

底架用于容納擺臂軸承、扭簧和閉鎖機構等部件。底架后方安裝有齒板與背板相互嚙合來對集電靴高度進行調節(jié)和定位。

擺臂負責受流器的受流，其由絕緣臂，軸承轉動機構，緩沖裝置，集電靴組成。碳滑塊受流后通過安裝在支架上的高壓線纜將高壓送入熔斷器。

2 受流器碳滑塊的運營磨耗統(tǒng)計及分析

2.1 受流器碳滑塊早期磨耗預估與實際磨耗情況

在16號線開通初期，為了輔助碳滑塊的采購與庫備，對12列投入運營列車的碳滑塊磨耗厚度與列車行駛公里數進行了數據分析，發(fā)現(xiàn)受流器左右兩側的碳滑塊平均磨耗量為2.089毫米/萬公里和1.9559毫米/萬公里。

另外，由于全新的碳滑塊頂部有突起的圓弧，接觸時接觸面較小，磨耗相對較快，而在圓弧磨耗完畢后，接觸面基本不變，磨耗趨于平緩，根據圓弧區(qū)域厚度5mm作估算，左側碳滑塊約在15.5萬公里后接近極限，右側碳滑塊約在16.2萬公里后接近極限。

根據碳滑塊實際的更換情況進行了統(tǒng)計，在一年中總計更換的163塊碳滑塊中，有98塊為列車左側碳滑塊，65塊為列車右側碳滑塊，平均更換公里數為：左側為183470km，右側為194526km，總體平均為185243km。

根據碳滑塊跟換時的公里數進行分析可以得出碳滑塊實際使用壽命可以達到在17W-19W公里之間，相比早期的15-16萬公里的估算，碳滑塊的使用壽命更長。具體的跟換公里數分布圖可見圖1。

2.2 受流器碳滑塊磨耗情況分析

對于跟換下來的163塊碳滑塊，153塊是屬于磨耗到限，另外有17塊屬于外側出現(xiàn)裂紋，碎塊現(xiàn)象而無法繼續(xù)使用。

根據現(xiàn)場觀察裂紋，碎塊現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)是由于碳滑塊厚度磨耗到一定程度時，在升靴或經過三軌的端部彎頭時與接觸軌發(fā)生撞擊，根據碰撞程度不同，造成裂紋、碎塊，甚至可能將碳滑塊的厚度極限標記線一同破壞，直接造成碳滑塊無法使用。由于正線三軌斷軌處較多，集電靴在過端部彎頭時撞擊不可避免，且基本是實在即將磨耗到限的情況下發(fā)生裂紋，對實際生產成本影響不大。

在對磨耗到限的153塊碳滑塊進行檢查時發(fā)現(xiàn)，所有碳滑塊均存在明顯的偏磨現(xiàn)象，在外側磨耗達到極限時，內側磨耗的剩余量依然還有3mm左右。如圖2所示。

這種情況導致無法最大限度地利用碳滑塊的磨耗區(qū)域，如果可以解決單側偏磨的問題，提高碳滑塊的使用壽命，可以降低生產成本，提高經濟效益。

3 受流器碳滑塊的偏磨分析

3.1 碳滑塊的偏磨情況概述

對于磨耗到限的碳滑塊進行分析，發(fā)現(xiàn)當碳滑塊外側磨耗到達極限時（或極限標記線被破壞時），碳滑塊的內側依舊保留著部分剩余的磨耗區(qū)域，根據多個碳滑塊的實際磨耗結果，對目前碳滑塊的最終磨耗形狀進行建模，如圖3所示。

3.2 受流器的接觸狀態(tài)分析

在實際使用中，列車受流器與接觸軌屬于下接觸型式，通過轉軸擺臂的型式實現(xiàn)升降靴，受流器的碳滑塊在正常工作狀態(tài)時與三軌接觸屬于完全的正接觸，如圖4所示。

對新安裝的碳滑塊的磨耗狀態(tài)進行跟蹤，測量發(fā)現(xiàn)碳滑塊在前期兩側磨耗量一致，磨耗面基本處于水平狀態(tài)，受流器在前期正常工作時并不會導致明顯偏磨。

3.3 受流器碳滑塊偏磨成因的分析

為了找出碳滑塊偏摩的原因，首先對正線的三軌安裝布置進行分析。

16號線接觸軌采用下接觸受流方式，材質為鋼鋁復合軌，通過整體絕緣支架進行固定安裝在列車前進方向右側的道床上，除道岔處設置斷軌區(qū)外，正線高速區(qū)段也設置有斷軌，斷軌采用接觸軌自然斷開方式，兩斷軌間電氣不連接，斷口長度約為12.5m。接觸軌中心距離線路中心1550mm，軌面距走形軌的軌面垂直距離200mm。

若受流器與接觸軌一直在距走形軌200mm的正常高度下接觸工作，碳滑塊應該處于均勻磨耗狀態(tài)?？闪熊囋谛旭傔^程中，由于接觸軌并非一直連續(xù)，而是存在一定數量的斷軌，為了使集電靴在進入及退出接觸軌區(qū)域時，獲得緩沖，在斷軌處設置了端部彎頭，根據受流器升起后的自由高度為280mm，并考慮特殊情況下轉向架與接觸軌的位移量，將端部彎頭高度定位305mm以上。

因為存在端部彎頭，在進入或退出一段連續(xù)的接觸軌時，碳滑塊的接觸位置不再是其正上方，而是偏向了端部。并且，由于集電靴擺臂機構的作用，使得碳滑塊的外側與端部彎頭部分接觸，可能會造成下圖5的偏磨現(xiàn)象。

但正線三軌的端部彎頭加上其過渡線的總長度，占正線全長的比例低于5%。并不是造成圖5偏磨的主要原因。

考慮到受流器碳滑塊在不同的磨耗程度時，其與接觸軌的接觸情況也會存在差異。

當受流器上的碳滑塊為新品時（忽略制造公差），受流器高度公差（±2）為0時，碳滑塊接觸情況如圖6所示，碳滑塊擺臂理論處于水平位置。（忽略接觸軌公差）

那么當受流器碳滑塊外側磨耗到限（5mm）時，受流器高度公差為0時，碳滑塊的內側厚度為變?yōu)?.05mm。碳滑塊接觸情況如下圖6所示。

通過圖6可知，根據目前的受流器和接觸軌高度的設計，隨著受流器碳滑塊的不斷磨耗，其內外側的磨耗量也會逐漸不同，最終在受流器碳滑塊外側磨耗到限時（5mm），內側仍有2mm左右的余量并未磨耗，與目前實際的使用情況相符。

4 受流器碳滑塊偏磨的解決方案

4.1 解決碳滑塊偏磨的方案介紹及分析

根據受流器碳滑塊的偏磨原因分析，提出了三種解決方案的設想。

方案一：更改碳滑塊設計，將磨耗區(qū)域重新設計，內外側的磨耗同時到極限。

將碳滑塊的內側磨耗刻度線向上移動1.8mm，碳滑塊的形狀以及碳滑塊的安裝底座的尺寸都需相應調整，并對內外側做出明顯的區(qū)分標記，以便于更換人員區(qū)分。

方案二：優(yōu)化碳滑塊安裝方式，使碳滑塊本身向外側傾斜一定角度。

相當于安裝碳滑塊時，將碳滑塊內側抬高1.8mm，如此，當磨耗到極限時，碳滑塊恰好磨耗到水平狀態(tài)。

方案三：調節(jié)集電靴基架高度，在碳滑塊磨耗到極限時，集電靴擺臂基本處于水平位置。

由于基架與齒板每一齒的調節(jié)量為4mm，為方便檢查，將碳滑塊向上抬升12mm，得到如下磨耗結果。碳滑塊在磨耗到限時左右偏差僅為0.3mm左右，如圖7。

4.2 三種解決方案可行性分析總結

經過系統(tǒng)的分析得知上述三個方案均各有利弊，方案一可行性較低，需要重新對受流器碳滑塊和安裝座進行重新設計和生產，成本較高。

方案二可作為相應的優(yōu)化整改方案進行驗證，合理選擇墊塊的材質選擇以及安裝方式，需要考慮到整體性能不受影響，及墊塊的安裝不會影響其導電性能。

方案三則需要重新核準列車的限界以及各種極端工況下受流器與第三軌是否能后接觸以及不會在端部彎頭處產生碰撞。若在列車設計初期考慮到該問題，便能夠在設計中考慮到以上因素，通過受流器擺臂支點高度與第三軌高度的設計匹配，避免產生偏磨。

5 結語

本文總結了上海16號線車輛運營后受流器碳滑塊的磨耗量及其出現(xiàn)的碳滑塊的偏磨問題，通過系統(tǒng)的分析提出導致其偏磨的原因以及相應的幾種解決設想，對于未來減少或解決受流器碳滑塊的偏磨問題具有一定的意義。

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