城市軌道交通車輛受電弓接觸壓力與碳滑板磨耗關(guān)系研究*

徐 彥， 王若飛， 李江濤

(1 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 鄭州 451460;2 鄭州地鐵集團有限公司， 鄭州 450000)

城市軌道交通車輛受電弓作為列車牽引系統(tǒng)的重要組成部分，在接觸網(wǎng)與車輛之間起電氣接觸作用，受電弓系統(tǒng)從高壓接觸網(wǎng)上獲得電流，為車輛牽引逆變器和高壓設(shè)備提供動力來源。城市軌道交通車輛受電弓安裝在列車車頂，其碳滑板直接與剛性接觸網(wǎng)接觸，為列車提供穩(wěn)定的電流，這就要求受電弓與接觸網(wǎng)接觸壓力保持穩(wěn)定、碳滑板厚度處于正常范圍內(nèi)。

理想運行情況下，受電弓與接觸網(wǎng)的接觸壓力保持在一定范圍內(nèi)，以使受流的離線率不會過大，保證受流效果；同時碳滑板在拉出值范圍內(nèi)，應(yīng)呈現(xiàn)磨耗均勻、表面過渡平滑的，但由于列車運行環(huán)境復(fù)雜，外部干擾因素非常多，導(dǎo)致受電弓碳滑板的磨耗不會按照理想情況發(fā)展，會在磨耗過程中出現(xiàn)異常磨耗、物理損傷等現(xiàn)象。以鄭州地鐵1號線車輛為例，通過運營里程數(shù)據(jù)分析鄭州地鐵車輛碳滑板磨耗和受電弓接觸壓力間的規(guī)律，并提出一定預(yù)警措施，為城市軌道交通車輛受電弓系統(tǒng)的碳滑板維護提供了一定的參考。

1 受電弓碳滑板磨耗及接觸壓力規(guī)律

1.1 鄭州地鐵車輛1號線碳滑板磨耗現(xiàn)狀

鄭州地鐵1號線采用摩根新材料公司的M258A2型碳滑板，平均萬公里磨耗大約為1.4 mm。碳滑板更換前可使用厚度為10 mm。正常磨耗時期碳滑板平均萬公里磨耗為 0.6 mm左右，此時碳滑板達到更換標準可運行16.7萬公里，異常磨耗時期碳滑板平均萬公里磨耗高達 28 mm左右，此時碳滑板達到更換標準可運行3 570 km，依據(jù)鄭州地鐵線路長度，平均每天單列車可運行500 km，此時碳滑板最多可使用6 d。磨耗率突然增大，嚴重影響了碳滑板使用壽命，縮短了檢修生產(chǎn)周期。

正常情況下，碳滑板缺塊如圖1(a)所示，當碳滑板磨損一定時間后，棱邊成90°直角，棱邊處由于較鋒利，可能發(fā)生少量區(qū)域缺角，缺角寬度一般為1～2 mm，長度10 mm左右，呈45°角左右，這時棱邊變鈍，不易發(fā)生掉邊情況。

異常情況下，碳滑板缺塊如圖1(b)所示，碳滑板在拉出值±250 mm范圍內(nèi)，均存在不同程度缺塊，其中拉出值±150 mm范圍內(nèi)缺塊最為嚴重，最大缺塊寬度達到12 mm，碳滑板缺塊較大，均為沿垂向延伸，且區(qū)域較大，分布連續(xù)。

圖1 碳滑板缺塊

造成碳滑板缺塊的直接原因為接觸網(wǎng)與碳滑板間存在硬點，即弓網(wǎng)壓力出現(xiàn)非正常情況。當列車高速運行時，由于存在硬點，導(dǎo)致碳滑板受到巨大的撞擊力，撞擊后碳滑板在瞬時以一定的垂向速度離線，此時離線垂向速度遠大于正常時段，此時若受電弓前滑板以一定垂向速度離線下傾，后滑板則會以一定垂向速度上抬，與接觸網(wǎng)發(fā)生沖擊，有垂向沖擊力。并且沖擊先在棱角處發(fā)生，則此時碳條側(cè)面會發(fā)生沖擊掉邊的情況。沖擊掉邊痕跡呈垂向90°左右，這種撞擊以振動的形式反復(fù)進行且持續(xù)一段時間，導(dǎo)致一定區(qū)域內(nèi)連續(xù)掉邊。

1.2 鄭州地鐵車輛1號線碳滑板磨耗規(guī)律分析

采集鄭州地鐵車輛0204，0209，0213，0224列車各自2016年10月至2018年4月間的運行里程、2車碳滑板Ⅰ的厚度，碳條厚度如表1～表4數(shù)據(jù)所示。其與運行里程的關(guān)系如圖2～圖5所示。正常磨耗時期碳滑板平均萬公里磨耗為 1.6 mm左右，此時碳滑板達到更換標準可運行18.1萬公里。

表1 0204列車2車碳滑板I厚度跟蹤表

表1、表2和圖2、圖3是0204列車和0209列車2車碳滑板的磨耗，在里程數(shù)增加趨勢下的變化情況，統(tǒng)計數(shù)據(jù)中個別異常磨耗數(shù)據(jù)。由以上圖表可以看到，隨著運行里程的增加，整體磨耗過程呈現(xiàn)出大體一致的磨耗率，但前期磨耗率略高，并在一定階段出現(xiàn)平臺期，磨耗明顯下降，根據(jù)現(xiàn)場檢修實際情況和列車運行時的弓網(wǎng)接觸特點，可以發(fā)現(xiàn)，碳滑板原始外形棱角比較明顯，在磨耗過程中會迅速磨耗掉，并形成一個相對穩(wěn)定的外形，此時磨耗率下降，運行里程繼續(xù)會增加漸漸破壞這個外形，并形成新的穩(wěn)定外形，直至碳滑板磨耗到限，進行更換。

表2 0209列車2車碳滑板I厚度跟蹤表

圖2 0204列車2車碳滑板I厚度與運行里程關(guān)系

圖3 0209列車2車碳滑板I厚度與運行里程關(guān)系

表3 0213列車2車碳滑板厚度跟蹤表

日期檢修類型運行里程/km受電弓碳滑板厚度/mm2車ⅠⅡ2016-09-13雙周檢26 032.017.9017.802016-09-26雙周檢30 462.017.6817.522016-10-25三月檢38 552.017.6017.102016-11-10雙周檢44 276.017.0817.102016-11-25雙周檢50 692.017.5217.122016-12-09雙周檢55 849.017.0017.402016-12-24雙周檢61 288.016.9016.402017-01-08雙周檢66 672.015.3516.002017-01-20雙周檢70 530.015.6215.742017-02-06三月檢74 146.016.0016.002017-02-23雙周檢79 461.015.7015.902017-03-08雙周檢83 379.015.1615.222017-03-21雙周檢88 249.015.0215.182017-04-05雙周檢94 211.014.9014.882017-04-18雙周檢100 120.014.7614.642017-05-03三月檢105 831.014.2414.262017-06-05雙周檢115 618.013.3613.562017-06-22受電弓檢查122 012.013.5013.862017-07-07雙周檢127 042.013.2613.402017-07-24受電弓檢查131 423.013.1213.182017-08-07年檢135 114.012.8813.062017-08-24受電弓檢查137 821.012.8813.002017-09-08雙周檢144 393.012.4812.622017-09-25受電弓檢查150 935.011.8011.922017-10-09雙周檢156 956.011.3211.482017-10-09雙周檢156 956.011.3211.482017-11-08三月檢166 753.010.9211.002017-11-27受電弓檢查170 357.010.7410.922017-12-07雙周檢172 856.011.4611.372017-12-07雙周檢172 856.011.4611.372018-01-16受電弓檢查189 021.010.5810.922018-01-30三月檢195 849.09.8610.222018-02-16受電弓檢查202 246.09.769.842018-03-04雙周檢208 374.010.1010.262018-04-03雙周檢220 930.09.749.70

表3、表4和圖4、圖5統(tǒng)計比較了0213列車和0224列車2車碳滑板I、Ⅱ磨耗與運行里程關(guān)系。每個受電弓裝兩根碳滑板，運營過程中出現(xiàn)一根碳滑板磨耗率大，另一根碳滑板磨耗率較小，即碳滑板偏磨，如表3、表4數(shù)據(jù)所示。同一個弓上碳滑板均存在不同程度偏磨，最大偏磨量達到6.24 mm，最大萬公里磨耗達到平均萬公里磨耗的1.6倍，嚴重影響列車行車安全。

造成此現(xiàn)象主要兩方面原因：第一，碳滑板材質(zhì)問題；第二，在滑板異常磨耗時期，偏磨現(xiàn)象被放大了。本研究主要討論第二點，是使用同一型號碳滑板的前提下，正常磨耗期，偏磨現(xiàn)象鮮有出現(xiàn)，說明在弓網(wǎng)異常磨耗時期，隨著碳滑板磨耗率的增加，偏磨現(xiàn)象被放大。造成此現(xiàn)象的原因較多，但是受電弓接觸不良是其出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因。下面對受電弓接觸壓力大小和碳滑板厚度變化相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

表4 0224列車2車碳滑板厚度跟蹤表

圖4 0213列車2車碳滑板Ⅰ、Ⅱ厚度與運行里程關(guān)系

圖5 0224列車2車碳滑板Ⅰ、Ⅱ厚度與運行里程關(guān)系

1.3 鄭州地鐵車輛1號線受電弓接觸壓力隨運行里程的變化規(guī)律

采集鄭州地鐵車輛0204，0209，0213，0224列車各自2016年10月至2018年4月間的運行里程、2車受電弓5 050 mm位置接觸壓力的數(shù)據(jù)，其與運行里程的關(guān)系如圖6～圖9所示，由此可見，受電弓的接觸壓力隨著運行里程的增加會出現(xiàn)一定幅度的波動，但是都保持在正常范圍內(nèi)。受電弓與接觸網(wǎng)間的接觸壓力過小會引起列車受流不暢，造成牽引系統(tǒng)無法穩(wěn)定工作，甚至會引起電花火或電弧，導(dǎo)致接觸網(wǎng)和受電弓的損壞，影響列車的正常安全運行；過大則會引起碳滑板的劇烈磨耗，導(dǎo)致壽命縮短，維護成本增加。

圖6 0204列車2車受電弓5 050 mm位置接觸壓力與運行里程關(guān)系

圖7 0209列車2車受電弓5 050 mm位置接觸壓力與運行里程關(guān)系

圖8 0213列車2車受電弓5 050 mm位置接觸壓力與運行里程關(guān)系

圖9 0224列車2車受電弓5 050 mm位置接觸壓力與運行里程關(guān)系

1.4 鄭州地鐵車輛1號線受電弓接觸壓力規(guī)律

采集鄭州地鐵車輛0204，0209，0213，0224列車各自2016年10月至2018年4月間的運行里程、2車碳滑板Ⅰ的厚度和接觸壓力等數(shù)據(jù)，為了探求受電弓接觸壓力與運行里程和碳滑板厚度之間的函數(shù)關(guān)系，對記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)用MATLAB軟件進行擬合，得到結(jié)果如圖10所示。

圖10 受電弓接觸壓力規(guī)律

通過大量分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計，探尋出最合理的函數(shù)表達式，以運行里程數(shù)和2車碳滑板Ⅰ的厚度為自變量，2車5 050 mm位置受電弓接觸壓力為因變量。

其函數(shù)表達式可列寫為：

f(x，y)=54.42+1.019×10-3x+3.519·y-

2.495×10-9x2-4.396×10-5xy

其中：自變量x代表列車的運行里程數(shù)；

自變量y代表2車碳滑板Ⅰ的厚度；

因變量f(x,y)代表2車5 050 mm位置受電弓接觸壓力；

由此可見，受電弓的接觸壓力隨著碳滑板磨耗的增加出現(xiàn)了明顯幅度波動。受電弓的接觸壓力異常為造成碳滑板過度磨耗的主要原因，同時，碳滑板磨耗的增加又會導(dǎo)致接觸壓力的變化波動明顯。通過李雅普諾夫意義下的動態(tài)分析可知，接觸壓力和碳滑板厚度形成的受擾運動系統(tǒng)，為不穩(wěn)定系統(tǒng)。

受電弓作為車輛檢修最重要的部分之一，在進行受電弓檢查時要特別注意接觸壓力的變化，及時調(diào)整至安全范圍。同時注意碳滑板的異常磨耗，并及時更換磨損嚴重的碳滑板，保證列車受流通暢及運行安全。

2 可采取的受電弓保護措施

通過對碳滑板磨損規(guī)律的研究，及對受電弓接觸力和碳滑板磨耗之間關(guān)系的分析，總結(jié)受電弓工作規(guī)律，并根據(jù)工作的要求，采用以下保護措施，保證列車安全運營。

2.1 加強、加細受電弓檢查

檢查受電弓的項目主要包括其升、降弓所用時間、弓頭轉(zhuǎn)動靈活度、弓頭高度、接觸壓力、仰角間隙等參數(shù)，還包含受電弓底架、弓頭、上框架、下臂桿、風管等關(guān)鍵部件的外觀和機械損傷的檢查，以及所有焊縫的檢查。接觸壓力調(diào)整避免了受電弓拉弧現(xiàn)象。弓頭轉(zhuǎn)動靈活使得受電弓動態(tài)跟隨性增強，避免了因弓頭原因?qū)е绿蓟迤?，仰角間隙保證了碳滑板受流順暢。

2.2 改善弓網(wǎng)間的接觸條件

受電弓和接觸網(wǎng)之間是動態(tài)的相互作用關(guān)系。車輛檢修方面提高碳滑板作業(yè)標準勢在必行。根據(jù)磨耗規(guī)律和特點，對碳滑板碳條棱邊進行適度打磨，可以促使碳滑板碳條上表面與側(cè)面過渡圓滑，改善了碳條和接觸網(wǎng)之間的接觸環(huán)境，減小了應(yīng)力集中，降低了磨耗量，也能一定程度上緩解碳滑板異常磨耗和意外損傷等現(xiàn)象。另外在拉出值50 mm的范圍內(nèi)對凹槽進行打磨，使碳條最高點與凹槽最低點之間的斜率降低到0.06以下，可以保證接觸網(wǎng)銅線在碳條上滑動順暢，減小了碳條同一點處的磨耗率，也就有效緩解了碳滑板偏磨的現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

通過分析鄭州地鐵車輛受電弓碳滑板厚度變化情況和磨耗情況與受電弓接觸力之間的關(guān)系，得出了受電弓的接觸壓力規(guī)律和碳滑板磨耗規(guī)律。文中列舉了維護運用中可以采用的保護措施，在城市軌道交通受電弓的檢修維護工作中具有實際意義。