重慶軌道交通2號(hào)線延伸段接觸網(wǎng)接觸線磨耗分析及改革建議

宗臻強(qiáng) 張欣 鄭皓天

（重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶 400000）

1.概述

重慶軌道交通2號(hào)線延伸段供電線路自2014年開通，至今已運(yùn)營(yíng)7年左右，接觸網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行正常。目前在2021年接觸網(wǎng)日常檢修中發(fā)現(xiàn)，2號(hào)線延伸線共計(jì)23個(gè)錨段接觸線磨耗低于單軌接觸網(wǎng)規(guī)程規(guī)定1.7mm，達(dá)到大修更換標(biāo)準(zhǔn)，其中13個(gè)錨段接觸線磨耗低于1mm；整體磨耗20個(gè)錨段，異常偏磨3個(gè)錨段。

2號(hào)線延伸近幾年（2018—2021）接觸線年度磨耗情況，見表1和表2的統(tǒng)計(jì)匯總。

表1 2018年至2021年年度平均磨耗情況統(tǒng)計(jì)表

表2 2018年至2021年磨耗匯總統(tǒng)計(jì)表

2.原因分析

受電弓滑塊與接觸網(wǎng)導(dǎo)線是一對(duì)特殊的摩擦副，是在帶電情況下、且有電流通過(guò)條件下的一種特殊摩擦行為，其載流接觸摩擦磨損的形成機(jī)理非常復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)受電弓滑塊和接觸導(dǎo)線間載流、接觸摩擦的相關(guān)研究表明：接觸線與受電弓滑塊的磨耗主要來(lái)自弓網(wǎng)機(jī)械磨耗、電氣磨耗、黏附磨耗、化學(xué)磨耗。

（1）弓網(wǎng)機(jī)械磨耗：影響弓網(wǎng)機(jī)械磨耗有兩方面因素：磨粒磨損、疲勞磨損。

（2）磨粒磨損：磨粒磨損是因?yàn)殡娏鳟a(chǎn)生電弧，使摩擦副表面產(chǎn)生氧化形成硬質(zhì)點(diǎn)，硬質(zhì)點(diǎn)在摩擦過(guò)程中脫落，加之電弧飛濺形成的微小顆粒，成為磨粒，導(dǎo)致磨粒磨損，磨粒磨損主要存在于低溫狀態(tài)下，其磨損量較小。

（3）疲勞磨損：疲勞磨損即是弓網(wǎng)間正常狀態(tài)下的摩擦產(chǎn)生的磨損，其主要影響因素為運(yùn)行弓架次的累計(jì)磨耗。隨著線網(wǎng)延長(zhǎng)運(yùn)營(yíng)時(shí)間的正式實(shí)施和8列編組上線運(yùn)行，列車運(yùn)行弓架次增加，疲勞磨損程度進(jìn)一步增大，接觸線的磨耗也會(huì)隨之增大。

（4）電氣磨耗：影響弓網(wǎng)電氣磨耗有兩方面因素：電弧熔損、材料轉(zhuǎn)移。

（5）電弧熔損：由于接觸線與受電弓滑板之間的離線產(chǎn)生電弧現(xiàn)象，導(dǎo)致電弧熔損。

（6）材料轉(zhuǎn)移：金屬正離子在電場(chǎng)作用下集聚于陰極表明，同時(shí)電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，由于電子體積小，可將陽(yáng)極表面的原子轟擊出表面，形成金屬蒸氣，部分金屬原子沉積在陰極表面發(fā)生材料的轉(zhuǎn)移。

（7）黏附磨損：是指滑動(dòng)摩擦?xí)r摩擦副接觸面局部發(fā)生金屬粘著，在隨后相對(duì)滑動(dòng)中粘著處被破壞，有金屬屑粒從零件表面被拉拽下來(lái)或零件表面被擦傷的一種磨損形式。影響?zhàn)じ侥p主要因素有受電弓滑板材質(zhì)及其硬度、弓網(wǎng)接觸壓力等。

（8）化學(xué)磨耗：化學(xué)磨耗主要是腐蝕磨耗及氧化磨耗，主要與環(huán)境有關(guān)。

3.影響其磨耗率的主要因素

影響其磨耗率的主要因素為：速度、滑板形貌、受電弓條件、車輛條件、軌道條件、接觸網(wǎng)線性及彈性、滑板材質(zhì)及硬度、弓網(wǎng)潤(rùn)滑方式、拉出值分布、接觸電阻、表面附著物、牽引電流，此外還與環(huán)境、氣候等因素有關(guān)[1]。

（1）車輛運(yùn)行速度對(duì)接觸線磨耗的影響：車輛運(yùn)行速度、急停、急起均會(huì)導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸壓力發(fā)生變化。高速運(yùn)行增加了離線次數(shù)，增大接觸電阻，產(chǎn)生離線拉??；增加了滑塊表面摩擦產(chǎn)生的熱量，導(dǎo)致接觸線與滑塊接觸部位升溫；最后加劇接觸線的磨耗。

（2）受電弓特性對(duì)接觸線磨耗的影響：受電弓特性包括受電弓歸算質(zhì)量、接觸壓力的大小、弓臂彈性性能等。由于單軌接觸網(wǎng)采用剛性懸掛安裝，其本身不具備彈性性能，列車受電弓特性的好壞直接影響受電弓接觸壓力和沖擊力，從而影響弓網(wǎng)跟隨性及離線概率。依據(jù)中鐵電化勘測(cè)設(shè)計(jì)院對(duì)單軌接觸網(wǎng)的研究，受電弓歸算質(zhì)量、受電弓接觸壓力均是影響受電弓沖擊力的重要因數(shù)，而受電弓沖擊力過(guò)大必將加劇接觸線和滑塊的磨耗。同時(shí)受電弓接觸壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致弓網(wǎng)摩擦系數(shù)增大，加劇接觸線黏附磨損即機(jī)械磨損。

（3）車輛條件對(duì)接觸線磨耗的影響：車輛轉(zhuǎn)向架及減震效果均會(huì)影響弓網(wǎng)接觸壓力變化。增大接觸電阻，發(fā)熱加劇，嚴(yán)重時(shí)，導(dǎo)致滑塊熔化蒸發(fā)，導(dǎo)致電氣磨損[2]。

（4）線路條件對(duì)接觸線磨耗的影響：軌道線路的平直度、尤其是軌道梁銜接的指行板處的平直度，軌道梁振動(dòng)等均會(huì)影響列車平穩(wěn)度，進(jìn)而影響弓網(wǎng)接觸壓力變化；列車在上坡區(qū)段牽引電流增大，導(dǎo)致接觸線與滑塊接觸面溫度升高；導(dǎo)致接觸線磨耗加劇。

（5）接觸網(wǎng)參數(shù)對(duì)接觸線磨耗的影響：?jiǎn)诬壗佑|網(wǎng)以剛性懸掛安裝，其本身無(wú)彈性，列車在高速運(yùn)行中主要依靠受電弓的彈性減震功能維持弓網(wǎng)良好的追隨性，但受電弓對(duì)接觸網(wǎng)的沖擊力相對(duì)柔性接觸網(wǎng)較大，是剛性接觸網(wǎng)自身的缺陷。因此，對(duì)剛性接觸網(wǎng)坡度變化率要求較高，一旦當(dāng)接觸網(wǎng)導(dǎo)高坡度不滿足設(shè)計(jì)要求，接觸網(wǎng)出現(xiàn)硬點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致受電弓通過(guò)時(shí)接觸壓力變化、甚至出現(xiàn)跳躍式?jīng)_擊接觸網(wǎng)，導(dǎo)致接觸線磨耗增大?？紤]接觸線坡度對(duì)接觸線磨耗的影響較大，針對(duì)此次接觸線整體磨耗嚴(yán)重的13個(gè)錨段，分別對(duì)劉家壩-白居寺上行正極Z207-26～33，大江-魚洞上行正極Y210-30～42錨段定位點(diǎn)、跨中的導(dǎo)高、拉出值進(jìn)行的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果為這2個(gè)錨段接觸線高度均滿足設(shè)計(jì)誤差1‰的要求?？梢源_定整體磨耗嚴(yán)重的接觸線，其原因并非接觸網(wǎng)自身參數(shù)不滿足要求。此次發(fā)現(xiàn)的3個(gè)錨段接觸線為異常偏磨的特殊情況，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查此3個(gè)錨段接觸線均為異常偏磨，有可能是由于受電弓滑塊出現(xiàn)凹槽引起。

（6）受電弓滑塊材質(zhì)及硬度對(duì)接觸線磨耗的影響：滑塊材質(zhì)與接觸線不匹配會(huì)導(dǎo)致黏附磨損加劇，同時(shí)會(huì)增大接觸電阻，加劇電氣磨損。更換不同廠家的滑塊時(shí)，接觸線殘留的舊滑塊的磨粉將成為第三種金屬介質(zhì)，成為黏附磨粒，加速滑塊黏附磨損[3]。

（7）潤(rùn)滑條方式對(duì)接觸線磨耗的影響：?jiǎn)诬壛熊囀茈姽扇°~基滑塊+潤(rùn)滑條的形式，而不同材質(zhì)的潤(rùn)滑條對(duì)滑塊與接觸線的摩擦系數(shù)和接觸電阻的影響不同。而滑塊與接觸線的摩擦系數(shù)直接影響弓網(wǎng)機(jī)械磨耗，接觸電阻則直接影響受電弓取流情況、影響電氣磨耗，兩者均是接觸線磨損加劇的直接原因。

（8）弓架次累計(jì)對(duì)接觸線磨耗的影響：受電弓滑板和接觸線接觸摩擦而取流，其本身存在正常的機(jī)械磨損，通過(guò)弓架次積累而產(chǎn)生的正常磨損稱之為疲勞磨損。

（9）表面附著物對(duì)接觸線磨耗的影響：接觸線及滑塊表面附著物會(huì)增加接觸電阻及弓網(wǎng)摩擦系數(shù)：接觸電阻過(guò)大會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重，改變受電弓滑塊形貌，增加機(jī)械磨損。嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致滑塊熔化蒸發(fā)，電氣磨損；表面附著物會(huì)增加弓網(wǎng)間摩擦系數(shù)，進(jìn)而加大黏附磨損。

（10）接觸電阻對(duì)接觸線磨耗的影響：接觸電阻過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重；嚴(yán)重時(shí)，導(dǎo)致滑塊熔化蒸發(fā)，導(dǎo)致電氣磨損加劇。

（11）牽引電流的大小對(duì)接觸線磨耗的影響：接觸線與滑塊的電氣磨損隨受電電流的增大而增大。受電電流越大接觸線與滑塊接觸表面溫度越高，使滑塊接觸面工況惡化，導(dǎo)致機(jī)械磨耗加劇；弓網(wǎng)接觸處接觸線升溫會(huì)造成接觸線軟化，加速接觸線的磨耗[4]。

4.改革建議

車輛運(yùn)行速度盡可能保持恒定。目前2號(hào)線列車受電弓已廣泛采用國(guó)產(chǎn)受電弓，建議將國(guó)產(chǎn)受電弓與進(jìn)口日本的受電弓比對(duì)，進(jìn)一步研究改善國(guó)產(chǎn)受電弓的相關(guān)性能，提高弓網(wǎng)追隨性。目前2號(hào)線延伸段列車已基本國(guó)產(chǎn)化，建議關(guān)于車輛轉(zhuǎn)向架及減震性能方面與進(jìn)口車輛進(jìn)行對(duì)比研究，提高相關(guān)性能。針對(duì)此類由線路條件引起的接觸線異常偏磨，線路專業(yè)對(duì)軌道梁連接的特殊部位進(jìn)行檢查，當(dāng)接觸線磨耗值為6mm時(shí)，主要造成受電弓滑塊將與接觸線夾板直接摩擦，在接觸線固定夾板銜接處，可能造成刮弓、打弓現(xiàn)象；且接觸線固定夾板磨損后，接觸線夾板會(huì)脫落出槽，均會(huì)造成弓網(wǎng)事故。同時(shí)在拉出值-25mm～+25mm范圍內(nèi)，受電弓滑塊左右晃動(dòng)量一旦超過(guò)12mm，將發(fā)生受電弓滑塊與匯流排壓板螺栓碰撞，引發(fā)弓網(wǎng)事故。為確保接觸網(wǎng)狀態(tài)良好、弓網(wǎng)關(guān)系正常，設(shè)定接觸線磨耗臨界值為5mm。當(dāng)接觸線磨耗值達(dá)到5mm時(shí)，接觸線必須進(jìn)行更換，否則存在弓網(wǎng)事故的安全隱患。

目前跨座式單軌列車受電弓滑塊采用銅基粉末冶金滑板，而接觸線采取純銅接觸線，接觸線與滑塊材質(zhì)相近，兩者之間的黏附磨損較大。建議根據(jù)接觸線的材質(zhì)，研究滑塊與接觸線的摩擦匹配關(guān)系，使其達(dá)到最佳效果；對(duì)同一線路運(yùn)行的列車，建議使用同一廠家生產(chǎn)的滑塊。建議綜合考慮潤(rùn)滑條的對(duì)滑塊與接觸線間摩擦系數(shù)和接觸電阻的影響，進(jìn)一步研究提高潤(rùn)滑條的性能。供電維保部門、車輛維保部門共同對(duì)各自設(shè)備定期清潔維護(hù)。供電維保部門、車輛維保部門共同研究改善弓網(wǎng)初始接觸電阻。

為了研究重慶2號(hào)線延伸段接觸線磨耗情況，特對(duì)列車牽引電流進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)調(diào)查，其結(jié)果為：6列編列車共計(jì)9個(gè)牽引單元。列車在車站啟動(dòng)加速時(shí)或列車爬坡時(shí)，其牽引電流比一般區(qū)段大，6列編組每個(gè)牽引單元最大牽引電流一般為120A～130A左右，總電流為1080A～1170A左右；3號(hào)線，8輛編組共計(jì)12個(gè)牽引單元，8列編組每各牽引單元最大牽引電流一般在140A左右，總電流為1680A左右；列車在下坡時(shí)，牽引電流最小，每個(gè)牽引單元牽引電流為0A。列車早晚高峰間隔不同，接觸線一次列車通過(guò)升溫后未充分散熱、列車二次通過(guò)時(shí)又繼續(xù)升溫；同時(shí)目前8輛編組調(diào)試列車運(yùn)行區(qū)段集中在天堂堡至魚洞區(qū)段（即2號(hào)線延伸段段）；依據(jù)熱量計(jì)算公式Q=I2Rt，接觸線在列車啟動(dòng)加速和上坡區(qū)段溫度最高、接觸線軟化相對(duì)較高。因此，從理論分析，在列車啟動(dòng)加速和上坡區(qū)段，接觸線磨耗相對(duì)其他區(qū)段應(yīng)更嚴(yán)重。對(duì)于此次發(fā)現(xiàn)的接觸線磨耗嚴(yán)重23個(gè)錨段中整體磨耗嚴(yán)重的20個(gè)錨段，進(jìn)行了線路條件統(tǒng)計(jì)，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：處于上坡區(qū)段接觸線共計(jì)13個(gè)錨段，處于列車出站啟動(dòng)加速區(qū)段接觸線共計(jì)3個(gè)錨段，處于曲線上坡區(qū)段接觸線共計(jì)4個(gè)錨段。由此，接觸線整體磨耗嚴(yán)重錨段均處于上坡或列車出站的啟動(dòng)加速區(qū)段，其磨耗加劇的原因?yàn)闋恳娏鞔蟆⒔佑|線溫升高。牽引電流的大小受線路條件和列車行駛條件決定，為不可控因素，只能在實(shí)踐中改進(jìn)。

5.結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上分析，2號(hào)線延伸段接觸線磨耗的因素很多，且復(fù)雜多變、與接觸網(wǎng)、受電弓、車輛、載流、線路、環(huán)境等均息息相關(guān)。此次發(fā)現(xiàn)的23個(gè)錨段接觸線磨耗嚴(yán)重，其中3個(gè)錨段為異常偏磨，偏磨主要原因?yàn)榫€路條件不平滑和受電弓滑塊凹槽引起；另外20個(gè)錨段接觸線整體磨耗，其主要原因是處于上坡或列車出站的啟動(dòng)加速區(qū)段，牽引電流大，接觸線溫升高。建議在接觸網(wǎng)方面按照設(shè)計(jì)要求精確調(diào)整接觸網(wǎng)參數(shù)，加快接觸網(wǎng)綜合檢測(cè)設(shè)備的引進(jìn)，以先進(jìn)的手段實(shí)現(xiàn)對(duì)弓網(wǎng)壓力、弓網(wǎng)燃弧率、溫度、接觸線磨耗等進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)，為消除弓網(wǎng)電氣異常磨耗提供依據(jù)。線路方面，對(duì)于軌道梁銜接部分進(jìn)行精確調(diào)整，以確保車輛運(yùn)行平穩(wěn)。車輛方面對(duì)受電弓滑塊和接觸線的匹配性、追隨性進(jìn)行試驗(yàn)，改善滑塊和潤(rùn)滑條的成分，降低接觸網(wǎng)磨耗率，致力研究受電弓特性，將國(guó)產(chǎn)受電弓與進(jìn)口受電弓對(duì)比，改善受電弓的的彈性，提高弓網(wǎng)追隨性。接觸線磨耗的因素很多，涉及專業(yè)廣泛且復(fù)雜多變，與接觸網(wǎng)、受電弓、車輛、載流、線路、環(huán)境等息息相關(guān)。