探析地鐵列車受電弓磨損

王龍?jiān)?/p>

摘要：本文通過分析受電弓運(yùn)行中產(chǎn)生非正常磨損的原因，對材料選型、接觸網(wǎng)構(gòu)造等方面展開研究，確定從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營各階段的技術(shù)手段，以減少受電弓的非正常磨損。

關(guān)鍵詞：受電弓；磨損；滑板

1引言

受電弓（Pantograph）也稱集電弓，還稱之為輸電架，是讓電氣化軌道列車從架空裸導(dǎo)線取得電能的設(shè)備。在日常維護(hù)保養(yǎng)中A號線的受電弓相對于B號線出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的非正常磨損，出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的溝槽和拉弧后產(chǎn)生的燒結(jié)的現(xiàn)象。受到非正常磨損后的受電弓在運(yùn)行中會進(jìn)一步惡化弓網(wǎng)關(guān)系，可能降低受電弓和接觸網(wǎng)的使用壽命，嚴(yán)重影響牽引供電質(zhì)量和供電安全。

2受電弓磨損的原因分析

在電力牽引的線路中，受電弓在高速滑行中與接觸線間存在著極為復(fù)雜的機(jī)械摩擦作用和電氣作用，主要表現(xiàn)為接觸線磨損和受電弓磨損。接觸線的磨損，主要是使接觸線截面積變小，不但使有效載流量下降，還會增加磨損較重區(qū)段的局部抗拉應(yīng)力，嚴(yán)重影響接觸網(wǎng)的安全運(yùn)行；受電弓磨損，會降低受電弓的使用壽命，嚴(yán)重的會在受電弓滑板上形成溝槽甚至裂紋。在當(dāng)前地鐵列車運(yùn)輸繁忙的情況下，研究如何減少非正常磨損就顯得極為重要。

受電弓的上臂與弓頭間、下臂與上臂間、下臂與底架間都是用軸承相連，為出現(xiàn)電流經(jīng)軸承產(chǎn)生影響，一般將編織導(dǎo)線對軸承進(jìn)行處理。編織導(dǎo)線兩側(cè)處如果連接不好或編織導(dǎo)線斷了就會使電流導(dǎo)電降低甚致燒壞。建議在定期檢查時要看外觀磨損并及時更換。

2.1材料選型對磨耗影響

由于各種接觸線、受電弓滑板的材質(zhì)不同，其物理特性和電氣性能也不盡相同，接觸線和滑板的磨耗以及弓網(wǎng)接觸點(diǎn)的允許電流很大程度上依賴于兩部件的材料組合，同時這種材料組合也決定了弓網(wǎng)的磨耗狀況。

2.1.1滑板

A號線與B號線均采用接觸電阻小、熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性良好、質(zhì)量小、機(jī)械強(qiáng)度高、彈性好、與銅或銅合金接觸線之間的摩擦系數(shù)小的純碳滑板。受電弓在正常工作情況下，碳滑板的磨耗比較均勻，當(dāng)碳滑板磨耗到限后進(jìn)行更換作業(yè)。但是由于各條線路受電弓碳滑板與接觸網(wǎng)之間受流工況的不同，碳滑板在使用中會出現(xiàn)斷裂、剝離、掉塊、裂紋、灼燒、偏磨等異常問題，降低碳滑板的使用壽命。受電弓碳滑板出現(xiàn)的異常機(jī)械磨損現(xiàn)象主要有以下幾個方面：受電弓偏磨、碳滑板掉塊、碳滑出現(xiàn)縱性裂紋、受電弓碳滑板拉弧、灼傷剝離等異常電氣損傷。在運(yùn)行中由于機(jī)械原因或弓網(wǎng)撞擊等原因，會導(dǎo)致兩側(cè)碳滑板受力不均勻，使碳滑板出現(xiàn)偏磨以及個別碳滑板大面積掉塊、缺塊現(xiàn)象。碳滑板與接觸線的磨損主要體現(xiàn)在機(jī)械磨損和電磨損，其中電磨損占整個磨損的70%以上，而電磨耗主要受接觸力、運(yùn)行速度、外部環(huán)境因素、電流負(fù)荷、接觸線的狀況（懸掛、絕緣連接、接觸表面、運(yùn)行平順性、拉出值等）等因素的影響。同時碳滑板磨耗到限后的踏面形狀，主要由接觸線的布置方式?jīng)Q定，接觸線拉出值決定了碳滑板的磨耗區(qū)域。

在車輛加速取流區(qū)、減振道床（軌道彈性較大）、變坡區(qū)段、接觸線異常磨損等位置的弓網(wǎng)關(guān)系較為惡劣，通過對拉出值處于180～200mm及-180～-200mm范圍內(nèi)的接觸線狀態(tài)進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)廣州地鐵3號線北延段有9個區(qū)段的接觸線存在異常磨損，且列車經(jīng)過這些區(qū)段時都處于加速階段。列車在加速過程中，電流取值較大，碳滑板發(fā)熱量大，進(jìn)而加劇碳滑板與接觸線之間的化學(xué)反應(yīng)，造成電磨耗嚴(yán)重。因此在拉出值處于180～200mm及-180～-200mm范圍、接觸線異常磨損以及加速狀態(tài)的三重條件下，將更直接導(dǎo)致碳滑板不均磨耗，加速碳滑板兩端凹槽的形成。

2.1.2接觸線

采用具有較高的導(dǎo)電性、張力、硬度及其承受溫度變化和抗腐蝕的能力的銀銅CTA120mm2接觸線。

2.1.3滑板與接觸線的組合

碳滑板光滑的表面，沒有任何粗糙成分磨損接觸線，已被證明特別適用于銅及銅合金接觸線。碳滑板自潤滑性能及耐電弧性能好，能滿足高速弓網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)需求和延長弓網(wǎng)系統(tǒng)使用壽命的要求。接觸線、受電弓滑板的材質(zhì)選型在地鐵列車運(yùn)行中起到?jīng)Q定性作用。

2.2接觸網(wǎng)的構(gòu)造對磨耗的影響

接觸網(wǎng)本身構(gòu)造對磨耗影響主要由以下幾個因素決定：接觸線的拉出值設(shè)置、彈性、設(shè)備安裝情況。

2.2.1拉出值設(shè)置對受電弓磨耗的影響

剛性接觸網(wǎng)拉出值采用正弦波形布置方式，對于受電弓的磨耗，剛性接觸網(wǎng)采用正弦波形布置方式，考慮到接觸線的磨耗，經(jīng)過多次磨耗后，受電弓碳滑板的形狀將會出現(xiàn)中間磨損較小，兩端磨耗較大的情況。在拉出值依照正弦波布置的剛性接觸網(wǎng)中，其正弦波的周期對受電弓滑板的磨耗也有較大影響論，剛性接觸網(wǎng)正弦波布置的周期越大，距離受電弓中心處碳滑板與接觸線的作用時間就越長，對碳滑板的磨耗程度就越大，在最大拉出值相同的情況下，較長的正弦波周期造成了受電弓的較大磨損，此結(jié)論與受電弓實(shí)際磨損程度是相吻合的。

2.2.2接觸網(wǎng)彈性對磨耗的影響

對于剛性接觸網(wǎng)，由于其彈性很小，可以忽略不計(jì)，所以受電弓的磨耗一般是比較大的，但接觸線高度精度很高，對受電弓的非正常磨損影響是很小的。

2.2.3設(shè)備安裝質(zhì)量對受電弓磨耗的影響

分段絕緣器、道岔等是接觸網(wǎng)必不可少的重要組成部分，這些設(shè)備是否被正確的安裝、調(diào)試到最佳狀態(tài)，不僅關(guān)系著本身是否能正常工作，也對受電弓的磨耗產(chǎn)生著很大的影響。高架區(qū)段安裝兩臺分段絕緣器，夜間在此處觀察，當(dāng)?shù)罔F列車通過時存在拉弧現(xiàn)象，說明分段絕緣器狀態(tài)存在一定問題，在不能取消正線分段絕緣器情況下，在分段絕緣器滿足絕緣要求的前提下，縮短橫向?qū)挾?，減少與受電弓接觸范圍，使拉弧現(xiàn)象減少了。

在電氣化鐵路區(qū)段為實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車完成線路轉(zhuǎn)換運(yùn)行設(shè)置線岔。如果線岔安裝調(diào)整不到位，可能會大大加重受電弓的磨耗，甚至?xí)p傷受電弓。一般來說，道岔處受電弓的磨損多是列車運(yùn)行中始觸區(qū)內(nèi)安裝的線夾碰撞受電弓倒角，或者線岔處拉出值、接觸線抬高值調(diào)整不當(dāng)受流條件較差引發(fā)拉弧，只要在施工后續(xù)維護(hù)中嚴(yán)格按技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)精確調(diào)整線岔參數(shù)，這種情況基本上是可以避免的，在線岔處的受電弓狀態(tài)和接觸線磨耗是比較均勻的。說明在以上兩條地鐵線路中，線岔處的施工質(zhì)量較好，對受電弓的磨耗影響較小。

2.3施工精度對磨耗的影響

在接觸網(wǎng)的施工精度中，對受電弓磨耗影響較大的參數(shù)主要是拉出值、接觸線的高度，這兩個參數(shù)的施工精度直接影響受電弓的磨耗，是評價接觸網(wǎng)施工質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.1拉出值施工誤差對受電弓磨耗的影響

定位點(diǎn)處接觸線至受電弓中心的水平距離，在直線區(qū)段叫之字值，在曲線區(qū)段叫拉出值。拉出值是確保接觸網(wǎng)安全運(yùn)行的重要技術(shù)參數(shù)，拉出值的大小直接關(guān)系弓網(wǎng)運(yùn)行安全，同時也決定了受電弓的磨耗是否均勻，是否能避免產(chǎn)生對受電弓的異常沖擊。

2.3.2接觸線高度施工誤差的影響

接觸網(wǎng)上相鄰懸掛點(diǎn)之間的導(dǎo)高不同，兩懸掛點(diǎn)之間的接觸線就會出現(xiàn)高差進(jìn)而形成坡度，坡度會對弓網(wǎng)壓力產(chǎn)生影響。接觸網(wǎng)的拉出值和接觸線高度均在驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，坡度符合要求，對受電弓的磨耗影響相對較小的。

2.4維護(hù)水平對磨耗的影響

長期運(yùn)營中受外界天氣、機(jī)械振動等其他因素的影響接觸網(wǎng)設(shè)備、軌道可能會有螺栓松脫、位置參數(shù)變化，地鐵列車的受電弓系統(tǒng)的檢查、調(diào)整、受電弓滑板的更換，軌道調(diào)整超高或者起、撥道參數(shù)變化等，如果以上諸系統(tǒng)得不到及時、高水平的后期維護(hù)保養(yǎng)，必然使受電弓出現(xiàn)非正常磨損。嚴(yán)格執(zhí)行地鐵運(yùn)營維修標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)受電弓磨損出現(xiàn)異常時，及時調(diào)整分段絕緣器的絕緣間隙，從而減少與受電弓的接觸面積，同時及時更換和修正受電弓碳滑板，在改善弓網(wǎng)關(guān)系方面取得了比較好的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳珍寶，羅維.高速受電弓導(dǎo)流板研究與改進(jìn). 電力機(jī)車與城軌車輛，2013第1期

[2]楊崗，李芾. 高速受電弓滑模半主動控制. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013第1期