南京地鐵機(jī)場(chǎng)線電客車碳滑板異常磨耗研究

摘 要：南京地鐵機(jī)場(chǎng)線連續(xù)數(shù)年冬季出現(xiàn)弓網(wǎng)異常磨耗問(wèn)題，給電客車維保工作帶來(lái)了困難，也嚴(yán)重影響了線路的安全運(yùn)營(yíng)。針對(duì)弓網(wǎng)異常磨耗情況，南京地鐵結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究分析，通過(guò)開(kāi)展載荷電流、弓網(wǎng)壓力、碳滑板材質(zhì)、溫度等因素研究，得出載荷電流、接觸網(wǎng)毛刺等與機(jī)場(chǎng)線弓網(wǎng)異常磨耗相關(guān)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)因素，并提出優(yōu)化碳滑板檢查及接觸線打磨更換周期，優(yōu)化電客車啟動(dòng)及制動(dòng)加速度等措施，有效緩解了弓網(wǎng)異常磨耗問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：弓網(wǎng)異常磨耗；碳滑板；載荷電流；弓網(wǎng)壓力

中圖分類號(hào)：U279.2" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）05-0062-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.016

0" " 引言

南京地鐵機(jī)場(chǎng)線全長(zhǎng)37.3 km，其中地下段19.7 km、過(guò)渡段0.7 km、高架段16.9 km；共設(shè)置車站9座，其中地下站6座、高架站3座。地下線路采用剛性接觸網(wǎng)，高架線路及基地內(nèi)采用柔性接觸網(wǎng)。電客車受電弓為九方TSG18H型氣弓，采用摩根MY258A2型浸金屬碳滑板，尺寸為1 050 mm×60 mm×22 mm，含銅量30%，含碳量70%。自2020年2月至2023年4月，南京地鐵機(jī)場(chǎng)線每年冬季均發(fā)生弓網(wǎng)異常磨耗問(wèn)題。車輛、供電分公司通過(guò)電客車受電弓、碳滑板以及接觸網(wǎng)等關(guān)聯(lián)設(shè)備檢查，碳滑板、接觸線打磨和更換，弓網(wǎng)取流與異常磨耗關(guān)系研究等措施，多管齊下，緩解了機(jī)場(chǎng)線弓網(wǎng)異常磨耗問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者研究了碳滑板材質(zhì)、環(huán)境、電流等對(duì)碳滑板磨損性能的影響。文獻(xiàn)[1]研究了浸金屬碳滑板和純碳滑板分別與不銹鋼和純銅接觸線對(duì)磨時(shí)的摩擦特性，表明浸金屬碳滑板在與純銅接觸線匹配時(shí)會(huì)出現(xiàn)粘著磨損，從而使磨損增加。文獻(xiàn)[2]建立了碳滑板的溫升有限元模型，通盤考慮了摩擦熱、焦耳熱和對(duì)流系數(shù)，發(fā)現(xiàn)碳滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線接觸時(shí)產(chǎn)生的熱量由于無(wú)法及時(shí)傳導(dǎo)，導(dǎo)致碳滑板上表面的溫度升高，并分析了碳滑板的溫度與其使用材料間的關(guān)系。文獻(xiàn)[3]分析了北京地鐵6號(hào)線的碳滑板異常磨耗情況，并對(duì)接觸網(wǎng)的拉出值、碳滑板的選型提出相應(yīng)建議。文獻(xiàn)[4]剖析了城市軌道交通弓網(wǎng)異常磨耗的成因，包括弓網(wǎng)材料、弓網(wǎng)接觸壓力、列車運(yùn)行速度及環(huán)境等多方面因素，并提出了整改與預(yù)防措施。

1" " 異常磨耗概況

1.1" " 異常情況

自2020年2月中旬開(kāi)始，機(jī)場(chǎng)線出現(xiàn)碳滑板異常磨耗情況，2021、2022年冬季前后再次出現(xiàn)異常磨耗現(xiàn)象，平均萬(wàn)公里磨耗率約10 mm，檢查碳滑板日均磨耗率如圖1所示。異常磨耗導(dǎo)致的碳滑板表面溝狀磨耗位于出庫(kù)端右側(cè)拉出值約190 mm處，溝狀磨耗的寬度約80 mm。

通過(guò)下載車頂隨車視頻，查看得知正線受電弓運(yùn)行時(shí)存在打火現(xiàn)象，打火主要集中在剛性接觸網(wǎng)區(qū)域，在上下行隧道區(qū)間均有弓網(wǎng)打火現(xiàn)象，其中出站提速區(qū)和區(qū)間高速運(yùn)營(yíng)時(shí)段弓網(wǎng)打火、拉弧情況較為明顯，柔性接觸網(wǎng)區(qū)段弓網(wǎng)打火現(xiàn)象相對(duì)剛性區(qū)段較少。

1.2" " 碳滑板檢查情況

檢查機(jī)場(chǎng)線歷年異常磨耗時(shí)的碳滑板狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)溝狀磨耗處均較為粗糙，溝狀磨耗內(nèi)存在大量凹坑、麻點(diǎn)。溝狀磨耗之間出現(xiàn)了犁溝狀劃痕，受電弓下方、空調(diào)機(jī)蓋等車頂多處發(fā)現(xiàn)散落的銅屑、銅粉。通過(guò)以上情況大致推斷碳滑板在與銅銀合金接觸網(wǎng)線相互摩擦?xí)r在大電流情況下表面浸金屬材料發(fā)生了電氣磨耗及機(jī)械磨耗，運(yùn)行時(shí)碳滑板在弓網(wǎng)壓力的縱向作用力下表面形成了較明顯的溝狀磨耗。

1.3" " 接觸網(wǎng)檢查情況

經(jīng)檢查，車輛段庫(kù)內(nèi)部分柔性接觸線表面存在飛濺式銅質(zhì)熔點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)是發(fā)生打火時(shí)碳滑板表面材料出現(xiàn)了熔融現(xiàn)象，飛濺至接觸線表面導(dǎo)致。正線部分接觸網(wǎng)剛性區(qū)段接觸線邊緣發(fā)現(xiàn)金屬毛刺、金屬拉絲、錨段關(guān)節(jié)拉弧等情況。

1.4" " 面臨供車壓力

一方面，機(jī)場(chǎng)線碳滑板異常磨耗情況導(dǎo)致的額外檢修任務(wù)給現(xiàn)場(chǎng)備件準(zhǔn)備工作造成了巨大壓力；另一方面，機(jī)場(chǎng)線即將與6號(hào)線貫通運(yùn)營(yíng)，貫通后一共計(jì)劃配置列車58列，按現(xiàn)有冬季碳滑板異常磨耗情況計(jì)算，屆時(shí)日檢班組的工作量及供車需求壓力將導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)工作難以保質(zhì)保量完成，因此解決機(jī)場(chǎng)線碳滑板異常磨耗問(wèn)題迫在眉睫。

2" " 異常磨耗關(guān)聯(lián)因素分析

南京地鐵主要從電客車、接觸網(wǎng)兩個(gè)角度進(jìn)行分析，采用排除法一一排除無(wú)關(guān)因素，探究機(jī)場(chǎng)線碳滑板異常磨耗主要關(guān)聯(lián)因素。異常磨耗主要分為機(jī)械磨耗和電氣磨耗兩方面，異常的電氣磨耗會(huì)加劇機(jī)械磨耗。常見(jiàn)的異常磨耗關(guān)聯(lián)因素有載荷電流、碳滑板及接觸網(wǎng)材質(zhì)、列車運(yùn)營(yíng)速度、法向載荷（弓網(wǎng)壓力）、溫濕度等。

2.1" " 載荷電流

碳滑板的電氣磨損與受電弓載荷電流大小成正相關(guān)關(guān)系，而碳滑板與接觸線間產(chǎn)生的熱量與載荷電流的平方成正比，電流越大，碳滑板工作時(shí)表面溫度越高，導(dǎo)致碳滑板接觸面狀況惡化，最終造成磨耗加劇。

為驗(yàn)證載荷電流與異常磨耗關(guān)聯(lián)性，2023年2月下旬，南京地鐵分別選取4列機(jī)場(chǎng)線電客車組織進(jìn)行3種牽引制動(dòng)力模式下的跑圖測(cè)試，試驗(yàn)列車加速及制動(dòng)時(shí)的弓網(wǎng)取流情況、測(cè)試數(shù)據(jù)分析如表1、圖2所示。

通過(guò)圖2可以得出，類型2對(duì)降低電流峰值效果最為明顯，類型1次之。對(duì)比正常牽引率模式，類型2降低電流值約27.7%，類型1降低電流值約21.1%。即降低牽引制動(dòng)力的輸出值可以顯著降低載荷電流大小。

2.2" " 碳滑板材質(zhì)

浸金屬碳滑板是目前南京地鐵電客車主要使用的碳滑板材質(zhì)，此外業(yè)內(nèi)還有一種純碳材質(zhì)碳滑板，純碳滑板相對(duì)于浸金屬碳滑板具有密度低、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，能提高碳滑板與接觸網(wǎng)的隨網(wǎng)性；另外純碳滑板硬度更高，相較浸金屬滑板更耐機(jī)械磨耗。南京地鐵寧溧城際、寧高城際兩條城際線路也曾因異常磨耗現(xiàn)象換裝純碳滑板進(jìn)行試用，使用情況良好。自碳滑板異常磨耗發(fā)生以來(lái)，機(jī)場(chǎng)線積極與摩根、崇德、九方等廠家溝通，探討碳包鋁型碳滑板、磁性滅弧型碳滑板、除冰型碳滑板等新型碳滑板試裝的可行性。

1）碳包鋁滑板。該滑板沿用原機(jī)場(chǎng)線MY258A2-

PS8187型滑板相同碳材料及安裝接口，但取消了鋁制包邊設(shè)計(jì)。一是可以有效提高碳滑板可磨耗厚度；二是可以有效降低碳滑板整體重量，提升受電弓弓頭隨網(wǎng)性；三是可以有效避免電弧對(duì)碳滑板鋁托架的傷害。

2）磁性碳滑板。在機(jī)場(chǎng)線原型號(hào)碳滑板基礎(chǔ)上，通過(guò)在碳滑板內(nèi)植入永磁磁條，形成保護(hù)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)通過(guò)磁力改變電弧方向，使電弧拉長(zhǎng)，可抑制電弧的形成，提高碳滑板冬季使用壽命（但不會(huì)改變碳滑板的正常磨耗速度，如夏季的磨耗），提升碳滑板可靠性。

3）除冰碳滑板。機(jī)場(chǎng)線冬季高架區(qū)段接觸網(wǎng)易發(fā)生覆冰的情況。當(dāng)觸網(wǎng)上形成不均勻的冰膜時(shí)，會(huì)造成接觸線和碳滑板之間電接觸中斷或產(chǎn)生大量電弧。針對(duì)該情況，在機(jī)場(chǎng)線試用除冰碳滑板，即在原有滑板的表面嵌入銅條，通過(guò)由銅合金材料制成的除冰銅條依靠機(jī)械方式除去接觸網(wǎng)上的積冰，增加碳滑板除冰效率，減少因覆冰帶來(lái)的電氣磨耗。但該變動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致碳滑板重量上升，同時(shí)增加接觸網(wǎng)磨耗速度。

碳包鋁滑板已在機(jī)場(chǎng)線試用一年時(shí)間，因?yàn)槠淇赡ズ暮穸鹊奶岣?，在一定程度上延長(zhǎng)了碳滑板的更換周期，減輕了現(xiàn)場(chǎng)工作壓力，但能否解決異常磨耗問(wèn)題還需進(jìn)一步驗(yàn)證；除冰碳滑板也已在機(jī)場(chǎng)線試裝，經(jīng)檢驗(yàn)，除冰效果良好，但裝備除冰滑板的電客車不能參與運(yùn)營(yíng)，需回庫(kù)后更換普通碳滑板才可上線載客，降低了電客車的使用效率。

2.3" " 弓頭質(zhì)量

弓頭質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)靈活程度會(huì)影響受電弓動(dòng)態(tài)跟隨性，避免因弓頭原因?qū)е绿蓟瀹惓Ｄズ?。加?qiáng)弓頭自由度檢查，保證弓頭轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、無(wú)卡滯，同時(shí)降低弓頭質(zhì)量，提高隨網(wǎng)性也是減少碳滑板磨耗的重要手段。經(jīng)檢查，機(jī)場(chǎng)線電客車弓頭轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，但弓頭質(zhì)量仍有優(yōu)化空間。弓頭羊角采用鑄造鋁合金弓角，弓頭托架部位零件較多，結(jié)構(gòu)較重。可考慮將現(xiàn)有托架更換為懸承托架（弓頭彈片、平行導(dǎo)向板）形式，減輕弓頭質(zhì)量，提高隨網(wǎng)性。

2.4" " 弓網(wǎng)壓力

弓網(wǎng)壓力是影響碳滑板磨耗的關(guān)鍵因素，根據(jù)EN 50367—2020《鐵路應(yīng)用設(shè)施 集流系統(tǒng) 導(dǎo)電弓架和架空線之間交互作用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求，弓網(wǎng)壓力值正常的范圍區(qū)間為（120±10）N，弓網(wǎng)壓力過(guò)小會(huì)提高碳滑板的離線率，導(dǎo)致滑板與接觸線接觸不良，進(jìn)而產(chǎn)生電弧，強(qiáng)烈的電弧放電會(huì)導(dǎo)致碳滑板表面產(chǎn)生高溫，增加電氣磨耗。而在一定范圍內(nèi)增加弓網(wǎng)壓力，可以抑制受電弓弓頭的振動(dòng)，減少離線率，降低電氣磨耗，從而減少碳滑板的磨耗；反之，弓網(wǎng)壓力過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致碳滑板與接觸網(wǎng)的機(jī)械磨耗加劇，也會(huì)導(dǎo)致碳滑板壽命縮短。因此，需合理調(diào)整弓網(wǎng)壓力的大小，以平衡好電氣磨耗與機(jī)械磨耗的關(guān)系。

2023年2月上旬開(kāi)始，機(jī)場(chǎng)線選取8列電客車，分別將各電客車奇數(shù)單元弓網(wǎng)壓力調(diào)整至110 N，偶數(shù)單元弓網(wǎng)壓力調(diào)整至130 N，并開(kāi)始跟蹤碳滑板磨耗率。跟蹤至4月下旬，暫未發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)壓力與磨耗率間的關(guān)聯(lián)性。

2.5" " 溫度

通過(guò)連續(xù)統(tǒng)計(jì)機(jī)場(chǎng)線所在地區(qū)1月至3月的氣象溫度（圖3），發(fā)現(xiàn)碳滑板磨耗與最低氣溫變化有很大關(guān)聯(lián)。當(dāng)日最低氣溫連續(xù)多日高于4 ℃時(shí)，碳滑板異常磨耗情況有所改善；當(dāng)日最低氣溫連續(xù)多日低于4 ℃時(shí)，所統(tǒng)計(jì)的碳滑板磨耗量明顯增加；當(dāng)日連續(xù)多日最低氣溫低于0 ℃時(shí)，所統(tǒng)計(jì)的碳滑板萬(wàn)公里磨耗率普遍高于10 mm。另外，統(tǒng)計(jì)南京地鐵全線網(wǎng)碳滑板磨耗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)郊區(qū)高架線路碳滑板磨耗速率普遍較快，尤其是在冬季會(huì)有所上升，與溫度存在一定關(guān)聯(lián)。

2.6" " 接觸網(wǎng)病害

由接觸網(wǎng)導(dǎo)致的弓網(wǎng)異常磨耗主要有接觸線毛刺、拉絲、拉出值、硬點(diǎn)、錨段關(guān)節(jié)、導(dǎo)高值等因素，根據(jù)車輛與供電分公司聯(lián)合檢查的情況來(lái)看，機(jī)場(chǎng)線接觸網(wǎng)呈“之”字型分布，拉出值區(qū)間為±200 mm，正線部分區(qū)段接觸網(wǎng)存在毛刺及少量拉絲現(xiàn)象。

根據(jù)檢查情況，南京地鐵重點(diǎn)加強(qiáng)了道岔部位及錨段關(guān)節(jié)、分段絕緣器、剛?cè)徇^(guò)渡段等接觸線重點(diǎn)部位磨耗情況的檢查；并結(jié)合電客車車載弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)裝置觀察弓網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，定期監(jiān)測(cè)打火區(qū)段接觸網(wǎng)設(shè)備零部件有無(wú)斷裂、拉弧、松動(dòng)等異常情況，對(duì)磨耗嚴(yán)重的接觸網(wǎng)錨段進(jìn)行提前更換處理。

3" " 優(yōu)化措施及建議

根據(jù)機(jī)場(chǎng)線碳滑板異常磨耗研究情況，并綜合與上海、蘇州等軌道行業(yè)專家交流情況，南京地鐵機(jī)場(chǎng)線采取以下幾點(diǎn)措施來(lái)抑制弓網(wǎng)異常磨耗，并取得一定成效。

一是縮短碳滑板檢查周期，提高檢查頻率。根據(jù)往年慣例，每年11月至次年3月，機(jī)場(chǎng)線縮短受電弓檢查周期，提高碳滑板檢查頻率，同時(shí)綜合人力、物料成本、安全運(yùn)營(yíng)等角度適當(dāng)提高碳滑板更換標(biāo)準(zhǔn)，增加可磨耗厚度安全冗余。

二是針對(duì)列車加速及制動(dòng)加速度較大會(huì)導(dǎo)致電流過(guò)大的測(cè)試結(jié)果，結(jié)合線網(wǎng)各站的客流特性、線路條件等情況，優(yōu)化列車運(yùn)行類型圖設(shè)置，避免列車大牽引、大制動(dòng)運(yùn)行。同時(shí)，合理安排列車的發(fā)車間隔，適當(dāng)降低在站列車啟動(dòng)及制動(dòng)加速度。必要時(shí)可考慮通過(guò)采取切除個(gè)別動(dòng)車牽引等限流措施，限制大電流導(dǎo)致的碳滑板工作面高溫。

三是加強(qiáng)對(duì)接觸網(wǎng)的檢查及維護(hù)，通過(guò)使用車載弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)裝置對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)接觸網(wǎng)上的金屬毛刺、拉絲等重點(diǎn)異常點(diǎn)位進(jìn)行精細(xì)化打磨處理。同時(shí)，通過(guò)弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)裝置排查出接觸網(wǎng)高溫區(qū)段，對(duì)該區(qū)段的接觸線進(jìn)行重點(diǎn)檢查并打磨。

4" " 結(jié)束語(yǔ)

碳滑板與接觸網(wǎng)的異常磨耗是一個(gè)多重因素影響的難題，除涉及電客車自身外，還與接觸網(wǎng)拉出值、導(dǎo)高、接觸線表面狀態(tài)、軌道振動(dòng)等多方面因素息息相關(guān)，南京地鐵從弓網(wǎng)載荷電流、弓網(wǎng)壓力、新型碳滑板應(yīng)用、接觸網(wǎng)狀態(tài)等角度出發(fā)，多管齊下，緩解了機(jī)場(chǎng)線電客車碳滑板異常磨耗問(wèn)題。后期將繼續(xù)采取常態(tài)化碳滑板檢查、接觸網(wǎng)監(jiān)控等措施，強(qiáng)化車輛部門及供電部門的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，共同努力，使南京地鐵機(jī)場(chǎng)線電客車弓網(wǎng)關(guān)系進(jìn)入良性循環(huán)。

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收稿日期：2024-12-04

作者簡(jiǎn)介：曹寧（1992—），男，江蘇南通人，工程師，研究方向：地鐵電客車車輛維修方向。