關(guān)于四號(hào)線絕緣支架卡爪及對(duì)應(yīng)接觸軌接觸面異常磨耗分析

董毅

一、背景

2020年1月10接觸網(wǎng)專業(yè)在官橋—石碁下行K31+200--K31+400接觸網(wǎng)綜合檢修作業(yè)中，發(fā)現(xiàn)官橋-石碁下行線K31+400、K31+200兩處定位存在異常。進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)絕緣支架托架、卡爪承托面邊緣磨耗嚴(yán)重，對(duì)應(yīng)接觸軌接觸面出現(xiàn)相應(yīng)磨損。絕緣支架卡爪、托架承托面邊緣磨耗嚴(yán)重

當(dāng)晚對(duì)磨耗異常的絕緣支架進(jìn)行了更換，設(shè)備恢復(fù)正常。后續(xù)接觸網(wǎng)專業(yè)組織對(duì)官橋-石碁下行K31+200-K31+400兩處共30米接觸軌進(jìn)行了更換。

二、設(shè)備結(jié)構(gòu)及表征現(xiàn)象分析

接觸軌卡爪與托架通過螺栓固定，形成溝槽，從而將接觸軌懸掛起來。托架通過接觸面的齒槽和螺栓固定于絕緣支架上。列車集電靴與接觸軌相互作用時(shí)，接觸軌與卡爪托架的接觸面存在摩擦關(guān)系。其中，接觸軌承托部位為鋁6101T，卡爪托架為玻璃纖維材質(zhì)，正常狀況下，兩種部件應(yīng)能友好匹配，然而維修人員卻發(fā)現(xiàn)個(gè)別定位點(diǎn)位置的接觸軌也產(chǎn)生了超出預(yù)想的強(qiáng)烈磨損?？ㄗδp嚴(yán)重的地方，接觸軌也存在磨損比較嚴(yán)重的情況，并且由于接觸軌的熱脹冷縮橫向運(yùn)動(dòng)，接觸軌的磨損不僅僅限于卡爪托架包裹范圍內(nèi)，實(shí)際表象已拓寬到了卡爪左右兩側(cè)約3cm。

2011年至今，接觸網(wǎng)專業(yè)多次發(fā)現(xiàn)不同工況位置的卡爪托架出現(xiàn)磨損情況，主要發(fā)生地點(diǎn)為新造洞口-石碁區(qū)間，分布在線路小曲線、坡道處、碎石道床處以及整體道床與碎石道床的交界處。

三、磨耗原因分析

1、已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的整體道床與碎石道床剛度突變

依據(jù)《運(yùn)營中心2019年4月份列車晃動(dòng)整治報(bào)告》，新造洞口至W1406上下行存在道床剛度突變，且原建設(shè)時(shí)未在隧道內(nèi)整體道床與隧道外碎石道床之間設(shè)置基礎(chǔ)剛度過渡區(qū)域，導(dǎo)致列出經(jīng)過沖擊道床時(shí)，基礎(chǔ)剛度發(fā)生剛-柔-剛的明顯變化。

2011年——2019年運(yùn)營歷史中總共更換過56處卡爪或托架，均因?yàn)槌霈F(xiàn)了超出預(yù)期的磨耗。碎石道床與整體道床沒有設(shè)置過渡區(qū)域，會(huì)導(dǎo)致列車進(jìn)出整體道床時(shí)猝然沖擊。列車受到猝然沖擊的同時(shí)，也會(huì)受到?jīng)_擊，振動(dòng)的幅度與頻率也因此加大，在整體道床以及碎石道床相連接的區(qū)段卡爪與托架磨耗相比更加嚴(yán)重。

2、卡爪托架的設(shè)計(jì)缺陷

接觸軌被懸掛在卡爪與托架之間，接觸軌在卡爪托架中間有空隙，因此接觸軌可在空隙中上下振動(dòng)下磨式接觸軌系統(tǒng)與柔性接觸網(wǎng)本質(zhì)是相同的，歸根結(jié)底依然具備接觸“懸掛”的特點(diǎn)。

在這種懸掛方式下，絕緣支架需具備定位支撐作用和一定的韌性，使其在抵消接觸軌重力的同時(shí)能兼顧解決摩擦力過大造成接觸軌本體運(yùn)動(dòng)不暢的矛盾。若接觸軌在卡爪托架內(nèi)完全嵌合，將不會(huì)引起接觸軌在空隙內(nèi)的上下運(yùn)動(dòng)。目前出現(xiàn)的改進(jìn)型卡爪托架與線路在用的結(jié)構(gòu)形式相比，接觸軌切合處的貼合度更高，因此在運(yùn)行過程中接觸軌在卡爪托架內(nèi)的振動(dòng)幅度減小，因此二者之間的磨損也會(huì)隨之減小。

同時(shí)改進(jìn)型卡爪托架承托部位設(shè)置有一層尼龍襯墊，增加了內(nèi)邊緣的厚度?，F(xiàn)使用的卡爪卡扣位置厚度為10.30mm，改進(jìn)型卡爪厚度為15mm?，F(xiàn)使用的托架卡扣位置厚度為10.85mm，改進(jìn)型托架厚度為20mm。并且尼龍材料具有眾所周知的表面光滑、摩擦系數(shù)小、耐磨的優(yōu)點(diǎn)，相比起現(xiàn)使用的玻璃鋼材質(zhì)耐磨性能明顯偏差，強(qiáng)烈的相互摩擦作用下勢(shì)必產(chǎn)生異常的磨耗情況。接觸軌與卡爪托架的承托面更換為尼龍材質(zhì)后，摩擦因數(shù)的減小更加利于接觸軌本體熱脹冷縮影響下的橫向移動(dòng)。

3、線路小曲線的影響

依據(jù)《高速鐵路有砟軌道振動(dòng)理論與的應(yīng)用的研究》，對(duì)新鋪鋼軌運(yùn)營前后曲線區(qū)段進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過三個(gè)月運(yùn)營，直線地段最大垂直磨耗磨耗僅為0.770mm，曲線地段接頭處最大垂直磨耗為1.284mm。直線段左軌與右軌的磨耗相差不大，曲線地段內(nèi)側(cè)軌道與外側(cè)軌道磨耗相差較大。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)，小曲線位置的輪軌關(guān)系往往同時(shí)出現(xiàn)了外軌超高匹配不良好，內(nèi)軌磨耗突出，輪軌蛇形軌等，而這一系列現(xiàn)象又進(jìn)一步加劇了左右股剛軌的不均勻磨耗，使得軌道不平順度增加，列車振動(dòng)幅度增大。

4、線路坡度的影響

現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)在坡道處同一處定位的卡爪托架兩側(cè)的磨損程度是不同的，較低的一側(cè)卡爪的磨損比較高的一側(cè)卡爪磨損嚴(yán)重。由于在坡道處接觸軌各定位的導(dǎo)高有偏差，因此接觸軌卡爪與軌平面不是完全平行關(guān)系，導(dǎo)致水平面較低側(cè)的卡爪托架與接觸軌接觸更加緊密，磨損更加嚴(yán)重。

接觸軌受重力G，以及卡爪與托架給予的彈力F，根據(jù)平行四邊形法則，接觸軌與卡爪之間存在著一個(gè)摩擦力f來平衡重力G與F的合力，摩擦力的大小等于摩擦因數(shù)與反作用力F的乘積，在水平直線段的接觸軌與卡爪托架之間理論上不存在摩擦力，因此在坡道處二者的摩擦相較于水平直線段時(shí)更大。在接觸軌熱脹冷縮時(shí)，二者之間的摩擦加劇，并且在振動(dòng)過程中，隨著卡爪托架與接觸軌的摩擦增大，磨耗也會(huì)增加。

6、接觸軌本體的熱脹冷縮影響

接觸軌在不同溫度下的熱脹冷縮因有膨脹接頭的補(bǔ)償作用，軌體會(huì)在卡爪與托架中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)行程的積累會(huì)導(dǎo)致卡爪托架與接觸軌的襯托面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，接觸軌一側(cè)因硬度較高有磨損但沒有那么嚴(yán)重。在新造隧道內(nèi)側(cè)，隧道內(nèi)的接觸軌處于工作環(huán)境溫差變化小，而隧道外側(cè)的接觸軌因晝夜及四季交替溫差較大，該錨段的接觸軌呈現(xiàn)處隧道外側(cè)的單方向伸縮，因此接觸軌滑動(dòng)幅度也相對(duì)較大。該類型的位置也引起了卡爪托架的嚴(yán)重磨損。運(yùn)行歷史記錄中，新造隧道口交界位置的接觸軌錨段上下行，總共更換過約10套卡爪與托架。

四、總結(jié)

綜上，結(jié)合2011—2019年的運(yùn)行記錄、數(shù)據(jù)分布及形成原因分析，可以發(fā)現(xiàn)在線路小曲線、坡道處、碎石道床處以及整體道床與碎石道床的交界處均為發(fā)生卡爪托架磨耗異常的集中區(qū)域。

鑒于此，日常的運(yùn)行維護(hù)中，需要：

1、對(duì)磨耗異常集中區(qū)域如碎石道床交界處的兩邊各三個(gè)定位更換改進(jìn)型絕緣支架，采用配套的新款卡爪托架，增加機(jī)械強(qiáng)度及耐磨性。

2、新造洞口-石碁區(qū)間對(duì)于坡道、曲線區(qū)段集中進(jìn)行排查，有磨耗異常跡象根據(jù)嚴(yán)重程度進(jìn)行更換卡爪支架并建立完更換臺(tái)賬，跟蹤更換后卡爪磨耗情況。

3、其他高架區(qū)段日常檢修過程中持續(xù)關(guān)注卡爪托架磨耗情況。