顧 濤 上海鐵路局供電處

1 引言

弓網(wǎng)系統(tǒng)是高鐵輪軌和弓網(wǎng)兩大基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)耦合系統(tǒng)之一，動(dòng)車(chē)組的高速運(yùn)行對(duì)弓網(wǎng)關(guān)系提出了更高的要求。當(dāng)發(fā)生弓網(wǎng)故障時(shí)，在一定的專(zhuān)業(yè)技術(shù)知識(shí)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，運(yùn)用科學(xué)、縝密的推理分析方法，能夠推斷出弓網(wǎng)故障原因，及時(shí)找到故障點(diǎn)，避免衍生故障發(fā)生。

2 高鐵弓網(wǎng)異常故障分析流程

2.1 概念引入

高鐵弓網(wǎng)運(yùn)行中，弓網(wǎng)設(shè)備質(zhì)量及其匹配關(guān)系、線路的質(zhì)量狀態(tài)和環(huán)境條件等均會(huì)引發(fā)弓網(wǎng)故障。對(duì)于接觸網(wǎng)未跳閘停電且弓網(wǎng)設(shè)備損壞不明顯的弓網(wǎng)異常事件，根據(jù)已知信息難以迅速判斷故障點(diǎn)并采取隔離措施，如受電弓異常磨痕、接觸網(wǎng)異常刮擦、弓網(wǎng)拉弧等；此類(lèi)事件具有較強(qiáng)的隱蔽性、斷續(xù)性、離散性，尚未造成中斷運(yùn)輸?shù)挠绊?，事件原因分析相?duì)較難。本文將此類(lèi)事件統(tǒng)稱(chēng)為弓網(wǎng)異常故障，針對(duì)其特點(diǎn)提出綜合分析的思路和方法。

2.2 分析流程

弓網(wǎng)異常故障的分析既要采用受電弓和接觸網(wǎng)技術(shù)原理分析的方法，還需引入統(tǒng)計(jì)歸納、邏輯推理、故障樹(shù)演繹（FTA）法分析以及動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證分析的方法。分析流程如圖1所示。

3 高鐵弓網(wǎng)異常故障案例分析

2013年4月至7月，上海鐵路局供電部門(mén)陸續(xù)接到車(chē)輛部門(mén)發(fā)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組受電弓異常故障11起。為防止惡性弓網(wǎng)事故發(fā)生，供電處迅速組織各弓網(wǎng)聯(lián)控單位聯(lián)合開(kāi)展故障原因排查。筆者結(jié)合該案例的分析經(jīng)過(guò)，詳細(xì)介紹弓網(wǎng)異常故障綜合分析方法在實(shí)際中的應(yīng)用。

圖1 故障分析流程圖

3.1 現(xiàn)場(chǎng)勘查

如圖2所示，受電弓異常刮擦位置均在動(dòng)車(chē)組運(yùn)行方向受電弓碳滑板右側(cè)端頭的部位、弓角均異常磨損、受電弓上臂均偏離中心線向運(yùn)行方向的左側(cè)偏斜，受電弓碳滑板和弓角右側(cè)較左側(cè)略有抬高。

圖2 CRH380BL動(dòng)車(chē)組故障受電弓圖

3.2 故障特征及技術(shù)分析

從故障動(dòng)車(chē)組統(tǒng)計(jì)分析：故障動(dòng)車(chē)組均為CRH380BL車(chē)型、受電弓均為法維萊廠家生產(chǎn)的CX-PG型受電弓；異常磨損的受電弓均為7車(chē)或15車(chē)受電弓；故障動(dòng)車(chē)組受電弓更換后故障未重復(fù)出現(xiàn)、運(yùn)行路徑涉及較廣且在同一路徑同一車(chē)次故障重復(fù)率低。

從受電弓故障現(xiàn)象分析：受電弓無(wú)明顯擊打痕跡，推斷上臂偏斜為受電弓受到持續(xù)橫向作用力的結(jié)果并與接觸網(wǎng)部件相磨形成異常磨痕。受電弓上臂偏斜與碳滑板磨痕故障同時(shí)發(fā)生，可判斷非接觸網(wǎng)零部件單點(diǎn)擊打所致。

從弓、網(wǎng)相對(duì)位置參數(shù)分析：受電弓碳滑板寬度1560 mm，若工作支接觸線因拉出值過(guò)大，與動(dòng)車(chē)組受電弓發(fā)生橫向力作用，則接觸線拉出值至少要達(dá)到780 mm以上才能與碳滑板端部接觸，與接觸網(wǎng)高速動(dòng)檢車(chē)檢測(cè)結(jié)果相矛盾。

從接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析：碳滑板端頭受到橫向作用力可能發(fā)生在兩支接觸線共同作用的處所，如錨段關(guān)節(jié)、線岔處。因接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)在轉(zhuǎn)換柱、中心柱處兩接觸線水平距離正常值為200 mm，且高速動(dòng)車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明正線接觸網(wǎng)參數(shù)均正常，推斷能夠?qū)κ茈姽┘訖M向作用力同時(shí)并與受電弓端頭相磨的處所應(yīng)為接觸網(wǎng)線岔處。故接觸網(wǎng)無(wú)交叉線岔是排查重點(diǎn)。

從受電弓結(jié)構(gòu)分析：接觸網(wǎng)在受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線范圍內(nèi)無(wú)任何障礙影響受電弓運(yùn)行，且受電弓碳滑板端頭處弓角高于滑板使得接觸線順利過(guò)渡到碳滑板，發(fā)生碳滑板端頭與接觸網(wǎng)的異常作用力情況，應(yīng)對(duì)碳滑板高度及其在動(dòng)態(tài)受力情況下的抬升量進(jìn)行重點(diǎn)檢查。

3.3 建立弓網(wǎng)異常故障樹(shù)模型

由于故障樹(shù)模型對(duì)導(dǎo)致故障的各種原因及邏輯關(guān)系能做出全面、簡(jiǎn)潔、形象地描述，引用故障樹(shù)演繹分析法來(lái)推導(dǎo)故障原因。結(jié)合3.2中推論假設(shè)條件，確定省略事件后繪制故障樹(shù)（如圖 3）。

圖3 受電弓故障樹(shù)圖

3.4 故障事件排查

根據(jù)故障樹(shù)圖可知，應(yīng)從接觸網(wǎng)和受電弓兩個(gè)方面分別對(duì)可能引起弓網(wǎng)異常故障的基本事件展開(kāi)排查。

3.4.1 接觸網(wǎng)事件排查

假設(shè)管內(nèi)接觸網(wǎng)存在固定打弓點(diǎn)，該點(diǎn)應(yīng)位于故障動(dòng)車(chē)組運(yùn)行徑路的交集處。經(jīng)統(tǒng)計(jì)知，所有運(yùn)行徑路的交集為京滬高鐵崔馬莊線路所至南京南站間下行線，且大部分故障動(dòng)車(chē)組在徐州東、南京南和上海虹橋站停車(chē)。那么打弓點(diǎn)應(yīng)存在于此三個(gè)車(chē)站中某車(chē)站的無(wú)交叉線岔處，動(dòng)車(chē)組在該點(diǎn)所在車(chē)站必然存在同股道運(yùn)行徑路。經(jīng)分析，故障動(dòng)車(chē)組在此三個(gè)車(chē)站處任一站均無(wú)交集，推斷打弓點(diǎn)不存在。

供電部門(mén)對(duì)各站接觸網(wǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量檢查，接觸網(wǎng)幾何參數(shù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求且始觸區(qū)無(wú)除吊弦線夾以外的任何線夾類(lèi)金具，聯(lián)合相鄰鐵路局對(duì)京滬高鐵其他區(qū)段接觸網(wǎng)進(jìn)行測(cè)量檢查均未發(fā)現(xiàn)異常。

分析得出若接觸網(wǎng)設(shè)備存在打弓點(diǎn)，應(yīng)存在固定的、連續(xù)性的打弓現(xiàn)象，與動(dòng)車(chē)組停站股道的不確定性、受電弓故障的不重復(fù)性以及上線檢查結(jié)果均相矛盾。

3.4.2 受電弓事件排查

車(chē)輛部門(mén)對(duì)受電弓上臂、碳滑板抬升量檢查均未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)了解知，2012年CRH380BL型動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)曾發(fā)生受電弓弓頭和上臂連接點(diǎn)處與接觸網(wǎng)之間存在間歇性摩擦現(xiàn)象。為此，動(dòng)車(chē)組廠家對(duì)全路所有CRH380BL型動(dòng)車(chē)組受電弓均進(jìn)行了改造，將受電弓滑板墊高14.5 mm，改造后受電弓上臂連接點(diǎn)磨損現(xiàn)象消除。

推斷在動(dòng)車(chē)組改造后，受電弓碳滑板高度被抬高，弓角高度并未同步抬升，初步分析碳滑板抬高14.5 mm改變了受電弓輪廓線的尺寸，不滿(mǎn)足《TB/T 3271-2011》要求，而接觸網(wǎng)的技術(shù)參數(shù)并未改變，導(dǎo)致了近期弓網(wǎng)關(guān)系的不匹配。

改造后的受電弓在前期運(yùn)行時(shí)，由于新弓弓角的高度略高于碳滑板的高度，在經(jīng)過(guò)無(wú)交叉線岔側(cè)線進(jìn)正線時(shí)弓角尚能夠?qū)⒄€接觸線抬高并順利過(guò)渡到受電弓碳滑板上，不會(huì)發(fā)生弓網(wǎng)異常故障。但運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著弓角的磨耗，弓角相對(duì)于碳滑板的高度逐漸持平。當(dāng)受電弓從側(cè)線進(jìn)正線時(shí)，受電弓中心與側(cè)線中心線對(duì)應(yīng)、與正線線路中心線斜交，正線接觸線在接觸到弓角后被卡在碳滑板右側(cè)鋁托板端部，動(dòng)車(chē)組繼續(xù)前行，造成受電弓受到異常刮擦、受電弓上臂側(cè)向受力向左偏斜。

由于弓角的磨損情況不同、弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)關(guān)系每次均不相同，導(dǎo)致同一車(chē)型同一徑路的動(dòng)車(chē)組受電弓異常磨損無(wú)規(guī)律性，能夠解釋同型號(hào)受電弓同一交路情況下受電弓故障偶發(fā)的現(xiàn)象。

3.5 故障分析結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證分析結(jié)果的正確性，進(jìn)一步對(duì)受電弓、接觸網(wǎng)進(jìn)行對(duì)比分析并開(kāi)展弓網(wǎng)關(guān)系匹配試驗(yàn)。

3.5.1 受電弓輪廓線對(duì)比分析

如圖 4右側(cè)所示，《TB/T 3271-2011》附錄 A.2和《EN 50367:2006》附錄B.2中1 950 mm弓頭輪廓線一致。將EN50367中弓頭基準(zhǔn)輪廓線（圖4右下側(cè)圖）中左側(cè)弓頭外輪廓線、左側(cè)碳滑板輪廓線與弓頭橫向中心線疊加在CX-PG型受電弓輪廓線（圖4左側(cè)）上部，從重疊情況可以看出，受電弓碳滑板左側(cè)靠近端頭處與基準(zhǔn)輪廓線未重合且略高于基準(zhǔn)輪廓線。另由于CX-PG型受電弓與原型法維萊CX-NG型受電弓相比，CX-PG型碳滑板端頭鋁托板導(dǎo)角被切除而變短，弓角處接觸線平滑過(guò)渡的重疊區(qū)域變小，導(dǎo)致弓網(wǎng)匹配關(guān)系裕度減小。

圖4 CX-PG型受電弓弓頭輪廓線與基準(zhǔn)輪廓線對(duì)比圖

3.5.2 接觸網(wǎng)無(wú)交叉線岔結(jié)構(gòu)分析

京滬高鐵接觸網(wǎng)無(wú)交叉線岔處道岔定位柱相對(duì)于始觸區(qū)更靠近道岔閉口側(cè)，動(dòng)車(chē)組在下行線由側(cè)線經(jīng)過(guò)道岔向正線運(yùn)行時(shí)，受電弓先通過(guò)始觸區(qū)后再通過(guò)道岔定位點(diǎn)，在始觸區(qū)處正線接觸線比其它高鐵更靠近碳滑板端頭；而動(dòng)車(chē)組在管內(nèi)其他高鐵區(qū)段運(yùn)行時(shí)受電弓先通過(guò)接觸網(wǎng)道岔定位點(diǎn)后再通過(guò)始觸區(qū)，且始觸區(qū)更靠近道岔定位柱。故不同的無(wú)交叉線岔布置方式，因弓網(wǎng)匹配的裕量不同，對(duì)受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線的要求各不相同，能夠合理解釋動(dòng)車(chē)組在管內(nèi)其它高鐵運(yùn)行未發(fā)生類(lèi)似故障的原因。

3.5.3 受電弓碳滑板靜態(tài)抬升試驗(yàn)

對(duì)CX-PG型受電弓碳滑板垂向受力時(shí)的抬升量進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)表明：在碳滑板一端施加大于300 N（正常弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸壓力0 N-300 N）的垂直向下的壓力時(shí)，碳滑板的另一端抬升量微弱（約1 mm-2 mm），可以排除碳滑板因一端垂向受力，導(dǎo)致另一端抬高與接觸線相磨的情況。

3.5.4 弓網(wǎng)匹配試驗(yàn)

在徐州東站無(wú)交叉線岔處對(duì)CX-PG型受電弓和DSA-250雙滑板受電弓的弓網(wǎng)匹配關(guān)系進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)表明：受電弓在通過(guò)無(wú)交叉線岔時(shí)，接觸網(wǎng)各項(xiàng)技術(shù)參均滿(mǎn)足通過(guò)要求，弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)匹配關(guān)系良好。CX-PG型受電弓與DSA-250型受電弓相比，碳滑板一端明顯縮短50 mm，與京滬高鐵無(wú)交叉線岔弓網(wǎng)匹配裕量小。CX-PG型受電弓在無(wú)交叉線岔第2吊弦處動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，受電弓碳滑板右部端頭鋁托板與正線接觸線存在相磨、卡滯風(fēng)險(xiǎn)。

3.6 故障原因與整改措施

經(jīng)分析，故障的直接原因?yàn)镃RH380BL動(dòng)車(chē)組受電弓與京滬高鐵無(wú)交叉線岔在弓網(wǎng)匹配裕量較小的情況下，車(chē)輛部門(mén)單方面對(duì)動(dòng)車(chē)組受電弓進(jìn)行了改造，致使弓網(wǎng)匹配裕量更小，隨著受電弓弓角動(dòng)態(tài)磨耗的增加，弓網(wǎng)系統(tǒng)匹配關(guān)系達(dá)到臨界點(diǎn)，使得通過(guò)無(wú)交叉線岔時(shí)受電弓在動(dòng)態(tài)情況下正好卡住正線接觸線，導(dǎo)致與接觸線側(cè)磨并被接觸線向左側(cè)擠壓，造成受電弓上臂偏斜、碳滑板右側(cè)端頭部位和弓角異常磨損。為此，車(chē)輛部門(mén)迅速在全路范圍對(duì)CRH380BL/B動(dòng)車(chē)組受電弓采取了修正措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

雖然從故障現(xiàn)象出發(fā)，通過(guò)對(duì)弓網(wǎng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)原理分析能判斷故障可能發(fā)生的地點(diǎn)，并結(jié)合動(dòng)車(chē)組運(yùn)行交路、經(jīng)停車(chē)站及股道交集的分析，綜合考慮弓網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備因素，能建立弓網(wǎng)異常故障的故障樹(shù)模型后對(duì)基本事件進(jìn)行逐項(xiàng)排查，找到故障原因，但是，鑒于故障的偶發(fā)性強(qiáng)，只有繼續(xù)對(duì)弓網(wǎng)匹配關(guān)系進(jìn)行源頭設(shè)計(jì)對(duì)比和試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)弓網(wǎng)關(guān)系動(dòng)態(tài)演繹過(guò)程分析，才能為前期分析提供理論與實(shí)踐支持，最終確定故障原因。

[1]TB/T3271-2011.軌道交通.受流系統(tǒng).受電弓與接觸網(wǎng)相互作用準(zhǔn)則[s].

[2]EN 50367:2006.Rai1wayapp1ications-Currentco11ection systems-Technica1 criteria for the interaction between pantograph and overhead 1ine(to achieve free access)[s].

[3]吳積欽.受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng).西南交通大學(xué)出版社[M].2010年12月.