深圳地鐵11號(hào)線受電弓碳滑板磨耗率研究

朱偉鵬

(深圳市地鐵集團(tuán)有限公司 運(yùn)營(yíng)總部， 廣東深圳 518040)

碳滑板為安裝于列車受電弓頂部，負(fù)責(zé)與接觸網(wǎng)接觸滑動(dòng)獲取電力，通過(guò)碳滑板把電力傳輸至列車以保障列車運(yùn)行的受流設(shè)備?；瑒?dòng)取流過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致碳滑板磨耗，碳滑板磨耗異常將導(dǎo)致碳滑板更換周期過(guò)頻，增加運(yùn)營(yíng)成本；磨耗異常將導(dǎo)致滑板表面形成凸臺(tái)、凹槽；更甚導(dǎo)致自動(dòng)降弓，增加列車安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。深圳地鐵11號(hào)線自開通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，正線為剛性接觸網(wǎng)與碳滑板受流，全程約51 km，17個(gè)區(qū)間，包括3個(gè)純?nèi)嵝越佑|網(wǎng)區(qū)間，12個(gè)剛?cè)徇^(guò)渡區(qū)段，11個(gè)剛性接觸網(wǎng)區(qū)間；運(yùn)營(yíng)初期弓網(wǎng)關(guān)系惡劣，碳滑板異常磨耗，碳滑板磨耗率高達(dá)4.6 mm/萬(wàn)km，經(jīng)技術(shù)整改，現(xiàn)碳滑板磨耗率為1.2 mm/萬(wàn)km；為闡述降低碳滑板磨耗，延長(zhǎng)碳滑板使用生命周期措施，文中開展此項(xiàng)研究。

1 研究技術(shù)目標(biāo)

主要目標(biāo)：降低碳滑板磨耗率，使碳滑板磨耗率從5 mm/萬(wàn)km降低或超過(guò)既有線水平(運(yùn)營(yíng)線路受電弓碳滑板磨耗約1.4 mm/萬(wàn)km)。

圖1 目標(biāo)值設(shè)定

2 技術(shù)措施

2.1 剛?cè)峤佑|網(wǎng)研究

11號(hào)線全線51 km，分布約1/4為柔性接觸網(wǎng)，3/4為剛性接觸網(wǎng)；縱觀國(guó)內(nèi)外地鐵運(yùn)行情況，柔性網(wǎng)狀態(tài)下普遍弓網(wǎng)關(guān)系較為良好，剛性網(wǎng)狀態(tài)下弓網(wǎng)沖擊、拉弧情況較為嚴(yán)重；為更好研究11號(hào)線弓網(wǎng)關(guān)系改善余地，研究國(guó)內(nèi)部分剛性及柔性地鐵線路弓網(wǎng)匹配情況，見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)地鐵調(diào)研情況

2.2 碳滑板大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

為研究碳滑板磨耗規(guī)律，進(jìn)行碳滑板大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)合受電弓特別修進(jìn)行碳滑板厚度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)點(diǎn)包括以滑板中心向兩側(cè)延遲間距40 mm點(diǎn)共17個(gè)點(diǎn)，見(jiàn)圖2。

圖2 碳滑板大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.3 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

(1) 初期試驗(yàn)分析

深圳地鐵11號(hào)線運(yùn)營(yíng)初期，正線接觸網(wǎng)膨脹原件拉出值設(shè)置為0，碳滑板滑動(dòng)取流過(guò)程中，經(jīng)過(guò)膨脹原件處產(chǎn)生嚴(yán)重拉弧、撞擊，導(dǎo)致碳滑板在0拉出值位置磨耗劇烈，使得碳滑板中心0位置處產(chǎn)生嚴(yán)重凹槽，在碳滑板表面同時(shí)存在缺塊，拉弧燒融痕跡；凹槽圖片見(jiàn)圖3。碳滑板為消耗型備件，通過(guò)碳滑條與鋁托架連接實(shí)現(xiàn)取流給列車供電方式，即每根碳滑板存在一定的磨耗量及需更換的標(biāo)準(zhǔn)值；鑒于初期碳滑板異常磨耗，計(jì)算得碳滑板磨耗率為4.6 mm/萬(wàn)km，碳滑板使用壽命約為1.5個(gè)月；凹槽在弓網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)造成較大沖擊，對(duì)弓網(wǎng)匹配關(guān)系造成嚴(yán)重影響，為緩解碳滑板異常磨耗情況，對(duì)膨脹原件位置進(jìn)行調(diào)整，保證接觸網(wǎng)“之”字形過(guò)渡，使正線運(yùn)營(yíng)過(guò)程中碳滑板在±200 mm內(nèi)避免直接撞擊膨脹關(guān)節(jié)，均勻過(guò)渡。

圖3 初期碳滑板磨耗情況

為跟蹤試驗(yàn)調(diào)整效果，跟蹤碳滑板磨耗情況，碳滑板裝車運(yùn)營(yíng)60天，走行公里數(shù)約4.5萬(wàn)km，列車碳滑板±200 mm范圍內(nèi)仍然普遍存在撞擊缺塊，滑板表面存在明顯磨耗不均痕跡，弓網(wǎng)沖擊情況較為嚴(yán)重，受電弓在接觸網(wǎng)膨脹原件、中間接頭等處過(guò)渡不平順，雖碳滑板偏磨、異常磨耗情況有所改善，但弓網(wǎng)匹配關(guān)系仍處于較為惡劣的狀態(tài)，跟蹤碳滑板磨耗率降低為2.6 mm/萬(wàn)km，見(jiàn)圖4。

圖4 跟蹤碳滑板磨耗情況圖片

(2) 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

為研究改善弓網(wǎng)關(guān)系，組織西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室于1114車安裝設(shè)備，在碧頭—福田上下行全線進(jìn)行弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)主要測(cè)量數(shù)據(jù)有：弓網(wǎng)離線火花、受電弓滑板高度、受電弓運(yùn)行監(jiān)視、弓網(wǎng)接觸壓力、受電弓振動(dòng)加速度、受電弓關(guān)鍵部位應(yīng)力及電流等參數(shù)。

弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)分別于受電弓前后碳滑板支架安裝拉壓式力傳感器、開口方向安裝火花探測(cè)器、受電弓運(yùn)行監(jiān)視相機(jī)和滑板高度動(dòng)態(tài)檢測(cè)相機(jī)及于前后滑板下方各安裝振動(dòng)加速度傳感器(包括垂向、縱向和橫向)。正線弓網(wǎng)加速度測(cè)量結(jié)果如圖5、圖6所示。

試驗(yàn)結(jié)論如下：

(a) 剛性網(wǎng)相較柔性網(wǎng)弓網(wǎng)沖擊更為劇烈(剛性區(qū)段沖擊加速度均有超過(guò)50g的情況，其中僅上行線就達(dá)43處，柔性區(qū)段加速度振幅維持在25g以內(nèi))；

(b) 機(jī)場(chǎng)—碧海灣剛?cè)徇^(guò)渡段振動(dòng)沖擊相對(duì)劇烈，紅樹灣—車公廟剛性接觸網(wǎng)區(qū)間線路硬點(diǎn)沖擊較大，存在較大隱患。

深圳地鐵11號(hào)線，對(duì)于剛性接觸網(wǎng)區(qū)段，燃弧及撞擊大多出現(xiàn)于膨脹關(guān)節(jié)處，較大垂向撞擊將導(dǎo)致碳滑板表面缺塊，撞痕，表面磨耗不均勻，出現(xiàn)凹槽、縫隙，碳滑板再與接觸網(wǎng)滑動(dòng)取流時(shí)由于縫隙產(chǎn)生拉弧火花現(xiàn)象，對(duì)碳滑板及接觸網(wǎng)的使用壽命造成嚴(yán)重影響同時(shí)不利于碳滑板均勻磨耗。

圖5 碳滑板垂向加速度值區(qū)間分布

圖6 碳滑板垂向加速度>50g個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)

(3) 膨脹元件整改

深圳地鐵11號(hào)線主要為剛性接觸網(wǎng)區(qū)間，全線17個(gè)區(qū)間，包含純剛性接觸網(wǎng)區(qū)間11個(gè)，異常膨脹關(guān)節(jié)的存在對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系及碳滑板的磨耗存在不良影響，為解決該影響，進(jìn)行膨脹原件整改。全線膨脹原件247個(gè)，于2017年3月時(shí)完成膨脹原件整改40處。

原膨脹原件為三線受流方式，兩端夾持中間匯流排方式，由三線受流至二線受流再到三線受流方式，膨脹原件自重約60 kg，兩端有向上弧度以保證均勻過(guò)渡，該類型膨脹原件由于自重較大，使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生1～2 mm弧度下沉，且兩端與受電弓接觸點(diǎn)較多，受電弓經(jīng)過(guò)時(shí)，容易造成膨脹及拉弧，嚴(yán)重影響弓網(wǎng)關(guān)系；新型膨脹原件為二線受流方式，質(zhì)量較輕，質(zhì)量約為50 kg，整體結(jié)構(gòu)較為緊湊，兩端保持向上的弧度形狀且接觸線為經(jīng)過(guò)打磨狀態(tài)，保證受電弓經(jīng)過(guò)膨脹原件時(shí)均勻過(guò)渡。膨脹原件整改如圖7所示；至2017年3月整改完成膨脹40處，測(cè)量碳滑板磨耗率為1.66 mm/萬(wàn)km，見(jiàn)表2。

表2 2016年7月～9月碳滑板磨耗率統(tǒng)計(jì)表

圖7 整改前、后膨脹原件圖

圖8 碳滑板磨耗率折線圖

2.4 新弓頭裝車

(1) 11號(hào)線列車受電弓類型

表3 抽檢碳滑板磨耗率

(2) 新型Stemmann弓頭

碳滑板對(duì)比：

Stemmann新弓頭自配Pantrac碳滑板，Pantrac碳滑板電阻率為4 uΩm，抗彎強(qiáng)度為95 N/mm2材料為銅錫碳組合材料，摩根碳滑板為深圳地鐵11號(hào)線九方受電弓使用碳滑板，電阻率為4 uΩm，抗彎強(qiáng)度為75 MPa，材料為碳銅片組合材料；Stemmann新型弓頭(帶Pantrac滑板)于2017年3月裝于1105車，2017年5月將2車、7車更換為摩根碳滑板，同一列車上不同碳滑板磨耗率，具體磨耗率對(duì)比如表4所示。

圖9 Stemmann新型弓頭

車號(hào)滑板類型走行里程/km磨耗率/(mm·(萬(wàn)km)-1)4車Pantrac61 5231.812車、7車摩根37 0841.12

為進(jìn)一步驗(yàn)證摩根碳滑板于新型Stemmann受電弓的應(yīng)用情況，2017年6月于1104車試裝新型Stemmann弓頭，并裝配摩根碳滑板；2017年8月于1103車試裝新型Stemmann新弓頭，新型弓頭碳滑板磨耗情況如表5所示。

表5 Stemmann新型弓頭摩根碳滑板磨耗率

根據(jù)以上數(shù)據(jù)得出，新型Stemmann受電弓弓頭運(yùn)行情況良好，使用Pantrac碳滑板則磨耗率為1.81 mm/萬(wàn)km，碳滑板更換周期約為4.2個(gè)月，使用摩根碳滑板則平均磨耗率為1.19 mm/萬(wàn)km，碳滑板更換周期約為6.4個(gè)月。

2.5 碳滑板打磨

(1) 打磨背景

地鐵列車沿軌道行駛，受電弓碳滑板無(wú)法橫向移動(dòng)，接觸網(wǎng)設(shè)置一定的拉出值，使列車沿著軌道行駛時(shí)碳滑板在橫向方向上均勻滑動(dòng)取流，使碳滑板避免磨耗同一位置，造成滑板凹槽；深圳地鐵11號(hào)剛性接觸網(wǎng)設(shè)置拉出值為±200 mm，且碳滑板寬度分別為1 050 mm 及800 mm，造成碳滑板200 mm至240 mm處形成凸臺(tái)如圖10所示，且由于拉出值范圍較小，磨耗不均，易在磨耗區(qū)域形成波浪形狀曲線表面，不利于碳滑板均勻磨耗。

圖10 碳滑板凸臺(tái)

(2) 打磨措施

為保證列車過(guò)道岔時(shí)受電弓碳滑板均勻過(guò)渡至另一軌道，同時(shí)保證碳滑板均勻磨耗，防止凸臺(tái)區(qū)域及碳滑板凹槽在滑動(dòng)取流過(guò)程中深化影響、造成凸臺(tái)越凸，凹槽越凹現(xiàn)象，制定碳滑板打磨工藝。

通過(guò)對(duì)上述問(wèn)題的研究，小組成員制定了一個(gè)對(duì)碳滑板凹槽進(jìn)行打磨的方法。

① 50 mm內(nèi)凹槽曲率半徑大于158 mm，凹槽深度小于2mm,無(wú)需打磨；

② 50 mm內(nèi)凹槽曲率半徑介于106 mm與158 mm 之間, 凹槽深度介于2～3 mm，需打磨；

③ 50 mm內(nèi)凹槽曲率半徑小于106 mm，凹槽深度大于3 mm的對(duì)碳滑板進(jìn)行更換；

表6 打磨前后碳滑板磨耗數(shù)據(jù)對(duì)比

圖11 碳滑板磨耗

④ 凸臺(tái)范圍50 mm內(nèi)高低差超過(guò)3 mm則更換碳滑板，介于2～3 mm之間則打磨至2 mm以內(nèi)。

(3) 打磨工藝

① 打磨工具為銼刀打磨，若檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)多處需打磨，則可使用角磨機(jī)打磨；

② 打磨碳滑板凸臺(tái)前，使用抹布把避雷器、絕緣子包裹嚴(yán)實(shí)，防止打磨過(guò)程中碳粉依附避雷器與絕緣子表面；

③ 如需多處打磨，使用打磨機(jī)需將線纜盤放置打磨的平臺(tái)位置，線纜盤插頭接通平臺(tái)電源，分別把打磨機(jī)與風(fēng)扇插頭連接線纜盤；

④ 作業(yè)前接通風(fēng)扇，風(fēng)扇吹風(fēng)方向?qū)?zhǔn)打磨碳滑板的位置，開始作業(yè)前需站在上風(fēng)口，其次，安上沙輪片，接通打磨機(jī)，測(cè)試打磨機(jī)性能是否良好；

⑤ 用打磨機(jī)對(duì)碳滑板50 mm凹槽深度超出標(biāo)準(zhǔn)的位置進(jìn)行打磨，開始打磨時(shí)，沙輪片與碳滑板凸起接觸面位置盡量保證相切，防止碳滑板打磨處出現(xiàn)深度缺塊，隨后修平碳滑板打磨位置。同時(shí)保證打磨機(jī)轉(zhuǎn)速快、打磨均勻，保證打磨碳滑板處曲線光滑；

⑥ 打磨碳滑板過(guò)程中平穩(wěn)移動(dòng)打磨機(jī)，防止打磨后碳滑板出現(xiàn)階梯狀曲線；

⑦ 使用銼刀對(duì)打磨位置再次進(jìn)行細(xì)磨，保證碳滑板表面的光滑程度。打磨完成后使用游標(biāo)卡尺對(duì)兩條滑板的同一位置的高度進(jìn)行檢查確認(rèn)，保證滑板與接觸網(wǎng)同時(shí)接觸；

⑧ 打磨完用游標(biāo)卡尺測(cè)量凹槽或凸臺(tái)處，確認(rèn)符合標(biāo)準(zhǔn)。

(4)打磨后碳滑板磨耗率比較

分別抽取已打磨列車進(jìn)行碳滑板磨耗率比較，2017年8月對(duì)1101車碳滑板進(jìn)行打磨，2017年8月對(duì)1105車碳滑板進(jìn)行打磨，2017年7月對(duì)1112車進(jìn)行打磨，碳滑板打磨后碳滑板磨耗率存在微小變化，整體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

3 經(jīng)濟(jì)效益

降低碳滑板磨耗率研究主要經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)為以下3部分：

(1) 滑板的磨耗由初始4.6 mm/萬(wàn)km降至1.18 mm/萬(wàn)km，每年可節(jié)約成本416萬(wàn)元；

(2) 以更換碳滑板工時(shí)計(jì)算，現(xiàn)磨耗率情況下節(jié)省594人工時(shí)；

(3) 為新線籌備、備件選型提供選型依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)深圳地鐵11號(hào)線剛性接觸網(wǎng)情況下的碳滑板磨耗率研究，經(jīng)過(guò)對(duì)接觸網(wǎng)拉出值調(diào)整、膨脹原件整改、新型弓頭應(yīng)用、碳滑板打磨等階段，碳滑板磨耗率由初始4.6 mm/萬(wàn)km降低至1.18 mm/萬(wàn)km，現(xiàn)碳滑板磨耗率已優(yōu)于既有線剛性接觸網(wǎng)狀態(tài)下碳滑板磨耗情況。后續(xù)將持續(xù)研究不同壓力區(qū)間情況下拉弧情況、接觸壓力對(duì)碳滑板磨耗率的影響，以期達(dá)到弓網(wǎng)關(guān)系的良好匹配，降低滑板磨耗。