淺析地鐵剛性接觸線異常磨耗及其治理措施

程小科

摘 要：通過(guò)對(duì)重慶軌道交通六號(hào)線接觸線異常磨耗現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)，結(jié)合接觸線磨耗測(cè)量結(jié)果、車載弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，分析了接觸線異常磨耗產(chǎn)生的原因。有針對(duì)性的提出解決方案，可有效減少異常磨耗的產(chǎn)生、延長(zhǎng)弓網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行壽命，提高弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸質(zhì)量，提高設(shè)備可靠性。

關(guān)鍵詞：剛性接觸網(wǎng);接觸線;磨耗;燃弧

中圖分類號(hào)：U279.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）07-0157-02

1 接觸線異常磨耗存在的問(wèn)題及影響

1.1 接觸線運(yùn)行中存在的異常磨耗問(wèn)題

重慶軌道交通六號(hào)線在地下段采用剛性接觸網(wǎng)供電，部分區(qū)段接觸線磨耗不均勻，在某些區(qū)段接觸線磨耗較快，且工作面不光滑，有凹凸不平的現(xiàn)象和電弧燒傷的痕跡。

1.2 接觸線異常磨耗存在的影響

（1）弓網(wǎng)配合關(guān)系變差。接觸線出現(xiàn)異常磨耗時(shí)，其表面凹凸不平，受電弓與其接觸時(shí)存在垂直方向的反作用力，使弓網(wǎng)接觸壓力發(fā)生變化，導(dǎo)致弓網(wǎng)離線、產(chǎn)生電火花甚至燃弧現(xiàn)象，對(duì)弓網(wǎng)設(shè)備及取流質(zhì)量均產(chǎn)生惡劣影響。（2）接觸線壽命降低，增加運(yùn)營(yíng)成本。剛性接觸網(wǎng)錨段長(zhǎng)度約230米，異常磨耗一般存在于錨段的某一區(qū)段，當(dāng)該區(qū)段磨耗將近匯流排時(shí)，必須對(duì)整錨段的接觸線進(jìn)行更換，這樣因錨段的某一點(diǎn)或某一區(qū)段異常磨耗而引起的接觸線整錨段更換極大程度地增加了運(yùn)營(yíng)成本。

2 剛性接觸線異常磨耗產(chǎn)生的原因

接觸線的磨損主要分為三部分：機(jī)械磨損、電氣磨損、化學(xué)磨損。機(jī)械磨損是在摩擦力的作用下產(chǎn)生的磨損，主要有黏著磨損、硬粒磨損和永久性磨損，在大多數(shù)情況下以黏著磨損為主。電氣磨損是指電離子轉(zhuǎn)移和電弧熔損。前者在電流的作用下不可避免地會(huì)加速碳滑板和接觸線的磨耗;電弧熔損主要是由電弧侵蝕接觸材料而引起的損耗。化學(xué)磨損也稱為腐蝕磨損，在雨雪、冰表面沉積塵埃等情況下產(chǎn)生溶解和腐蝕的現(xiàn)象，使摩擦副的滑動(dòng)摩擦加劇，加速磨耗。導(dǎo)線磨耗全過(guò)程[5]，如圖1所示。從圖中可以看出，影響磨耗的因素主要有列車速度、滑板種類、導(dǎo)線材料、受電弓條件、車輛狀況、軌道條件、電流等。

根據(jù)重慶六號(hào)線磨耗測(cè)量記錄，除開(kāi)通時(shí)間較長(zhǎng)的五里店-禮嘉區(qū)間均磨耗在1.41mm外，其余區(qū)段的剛性接觸網(wǎng)接觸線磨耗值均在1mm以內(nèi)，而磨耗值大于3mm的有35個(gè)錨段，異常磨耗到限更換錨段主要為出站第一、二錨段（0-400米），結(jié)合異常磨耗發(fā)生的位置與列車運(yùn)行速度、位置情況，異常磨耗點(diǎn)大多位于列車出站后，二次牽引提速的區(qū)域。

2.1 列車出站加速區(qū)段牽引電流對(duì)接觸線磨耗的影響

根據(jù)列車ATO模式駕駛時(shí)，出站后0-400米之間的牽引電流曲線，車輛加速時(shí)段（100%牽引工況），列車牽引電流最大，單個(gè)受電弓最大牽引電流可達(dá)1587A。

根據(jù)重慶地鐵六號(hào)線在線監(jiān)測(cè)裝置磨耗測(cè)量曲線及靜態(tài)年度磨耗測(cè)量結(jié)果，將磨耗按列車開(kāi)行速度進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，各區(qū)間出站加速區(qū)段接觸線剩余值小于其余區(qū)段，即加速區(qū)段平均磨耗大于區(qū)間平均磨耗。故列車在出站加速區(qū)段的大電流工況下，接觸線磨耗較區(qū)間其他區(qū)域大。

2.2 列車出站加速區(qū)段弓網(wǎng)燃弧對(duì)接觸線磨耗的影響

電弧是一種強(qiáng)功率的放電現(xiàn)象，在斷開(kāi)數(shù)十千安的短路電流時(shí)，電弧的溫度能達(dá)到上萬(wàn)攝氏度甚至更高，燒損是電弧對(duì)接觸線帶來(lái)的主要影響[1]。在滑板與接觸線的離線間隙被擊穿后，接觸線被電弧加熱，高溫導(dǎo)致接觸處材料的軟化甚至熔化，使機(jī)械磨損程度更加嚴(yán)重。而熔化的金屬不需要很大的作用力就會(huì)從接觸線表面噴濺出來(lái)，導(dǎo)致接觸線表面損壞，甚至引起接觸線的斷線。當(dāng)接觸線表面損壞后，其表面坑洼不平，當(dāng)受電弓高速經(jīng)過(guò)此異常位置時(shí)會(huì)增加燃弧幾率，從而形成加速接觸線磨耗及碳滑板磨耗的惡性循環(huán)。

重慶六號(hào)線使用的在線監(jiān)測(cè)裝置，可以收集燃弧數(shù)據(jù)。以2018年為例，共計(jì)發(fā)生燃弧2041次，燃弧發(fā)生的位置主要集中在列車出站加速區(qū)段0-400米范圍內(nèi)，同時(shí)現(xiàn)存異常磨耗位置也集中在該區(qū)段，弓網(wǎng)燃弧多的區(qū)段接觸線異常磨耗也多，如圖2和圖3所示。

前面已經(jīng)分析了出站加速區(qū)段電流存在最大值，而列車加速到75Km/h的速度大致需要250米，根據(jù)燃弧對(duì)接觸線的熱侵蝕理論，弓網(wǎng)燃弧時(shí)，列車速度越慢，燃弧對(duì)接觸線的傷害越大，故列車在出站加速區(qū)段大電流與低速度的特性，使得該區(qū)段弓網(wǎng)燃弧對(duì)接觸線的電蝕效果最大化。

綜上所述，造成接觸網(wǎng)異常磨耗的主要原因是列車在出站加速區(qū)段的大電流工況以及在該工況下出現(xiàn)的弓網(wǎng)燃弧導(dǎo)致的電氣磨耗。

3 剛性接觸線異常磨耗的治理措施

根據(jù)上述分析結(jié)果，要提高弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸質(zhì)量，延長(zhǎng)弓網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行壽命，減少異常磨耗的產(chǎn)生，就需要盡量減少出站區(qū)域的電流峰值以及燃弧發(fā)生的概率。

3.1 改善弓網(wǎng)彈性

根據(jù)重慶六號(hào)線在線監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)，弓網(wǎng)燃弧大部分發(fā)生在剛性區(qū)段，柔性區(qū)段燃弧現(xiàn)象較少，且異常磨耗錨段均發(fā)生在剛性區(qū)段，此現(xiàn)象說(shuō)明剛性接觸網(wǎng)從結(jié)構(gòu)上存在跟隨性不良，彈性較差的先天缺陷，針對(duì)這一問(wèn)題，可采取在出站加速區(qū)段定位點(diǎn)處安裝彈性線夾的方式予以改善，根據(jù)資料顯示，安裝彈性線夾后，可改變剛性接觸網(wǎng)的彈性，使接觸網(wǎng)保持較好的動(dòng)態(tài)性能，減少離線概率，從而減少燃弧的發(fā)生概率[3]。

3.2 降低出站牽引電流

根據(jù)重慶地鐵列車駕駛試驗(yàn)，列車使用ATO駕駛模式100%牽引工況時(shí)，受電弓最大牽引電流為1587A左右。當(dāng)列車以手動(dòng)駕駛P2（50%牽引）加速運(yùn)行時(shí)，受電弓最大牽引電流約為1050A。通過(guò)電流與速度關(guān)系可以看出列車在55km/h-75km/h的速度運(yùn)行時(shí)，ATO模式下（100%牽引工況）電流在1450A—1587A，手動(dòng)駕駛模式下電流在767—1050A。手動(dòng)駕駛模式下的牽引電流明顯小于ATO模式，故改變列車出站時(shí)牽引級(jí)數(shù)可有效降低電流峰值，達(dá)到減少燃弧能量的效果。

3.3 改善弓網(wǎng)摩擦副工作狀態(tài)

3.3.1 精細(xì)化調(diào)整接觸網(wǎng)導(dǎo)高

接觸網(wǎng)與受電弓要保持良好的接觸狀態(tài)，接觸線個(gè)點(diǎn)相對(duì)于軌面的高度應(yīng)保持等高，其施工誤差應(yīng)控制在一定范圍之內(nèi)，若某個(gè)點(diǎn)或某一段接觸線相對(duì)軌面高度發(fā)生較大的變化時(shí)，運(yùn)行中的列車受電弓來(lái)不及發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致離線燃弧現(xiàn)象發(fā)生，故將接觸網(wǎng)各點(diǎn)對(duì)軌面高度調(diào)整一致能減少弓網(wǎng)離線的概率，從而減少燃弧的概率。

3.3.2 精細(xì)化調(diào)整受電弓滑板平直度

運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的受電弓碳滑板存在一定的磨損，使滑板表面凹凸不平，列車運(yùn)行時(shí)，滑板存在兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，一是列車運(yùn)行方向的順線路運(yùn)動(dòng)，二是接觸網(wǎng)拉出值方向的橫線路運(yùn)動(dòng)，拉出值方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，因滑板凹凸不平會(huì)造成受電弓垂直方向存在反向作用力，導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸力發(fā)生變化，從而增加離線燃弧概率的發(fā)生，故運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)適時(shí)對(duì)受電弓滑塊進(jìn)行打磨，控制其平直度對(duì)控制弓網(wǎng)燃弧具有一定的積極作用。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量的檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，在列車出站側(cè)加速區(qū)段的大電流工況下，以及該區(qū)段較多的弓網(wǎng)燃弧是引起接觸線不均勻磨耗的主要原因，適當(dāng)?shù)母纳乒W(wǎng)彈性、降低出站牽引電流，改善弓網(wǎng)摩擦副工作狀態(tài)能在一定程度上緩解不均勻磨耗現(xiàn)象，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)帶來(lái)便利。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳積欽.弓網(wǎng)系統(tǒng)電弧的產(chǎn)生及其影響[J].電氣化鐵道，2008（2）：27-29.

[2] 吳積欽，錢(qián)清泉.弓網(wǎng)系統(tǒng)電弧侵蝕接觸線時(shí)的熱分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2008，30（3）：31-34.

[3] 陳吉?jiǎng)?利用彈性線夾優(yōu)化剛性接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)性能[J].城市軌道交通研究，2014，17（8）：73-77.

[4] 周瑋，臧春艷，何俊佳.電氣參數(shù)和機(jī)械參數(shù)對(duì)繼電器直流電弧的影響[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（19）：151-155.

[5] 卜俊.溫度對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)載流磨損的影響[D].西南交通大學(xué)，2010.

[6] 于萬(wàn)聚.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)[M].西南交通大學(xué)出版社，2003.