張立群

(廣州市地下鐵道總公司，510010，廣州∥助理工程師)

自2010年年底廣州地鐵2號(hào)線新線部分開通以來，在進(jìn)行日常檢修作業(yè)過程中，班組檢修人員多次發(fā)現(xiàn)剛性接觸網(wǎng)的A 型槽鋼底座(以下簡(jiǎn)稱槽鋼底座)發(fā)生爆裂的問題(見圖1)。經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，槽鋼底座爆裂處基本都是出現(xiàn)在錨段關(guān)節(jié)前后位置。若該處故障不能得到及時(shí)處理，將會(huì)因定位裝置應(yīng)力過大而導(dǎo)致絕緣子進(jìn)一步損壞，引起供電故障;也有可能使B 型匯流排定位線夾(以下簡(jiǎn)稱定位線夾)斷裂，進(jìn)而造成匯流排過渡不平順，導(dǎo)致受電弓通過時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重拉弧現(xiàn)象。本文對(duì)該安全隱患進(jìn)行技術(shù)分析并給予應(yīng)對(duì)措施，供檢修作業(yè)人員在檢修過程中作參考。

圖1 剛性接觸網(wǎng)的A 型槽鋼底座爆裂實(shí)景圖

1 受電弓對(duì)匯流排作用力分析

根據(jù)剛性接觸網(wǎng)檢修規(guī)定最新要求，地鐵隧道內(nèi)接觸網(wǎng)導(dǎo)線高度標(biāo)準(zhǔn)值為4 040 mm，允許誤差范圍為±5 mm。如圖2所示，實(shí)際應(yīng)用中，線路中鋪設(shè)的接觸網(wǎng)導(dǎo)線跟水平面存在夾角α。由于α 非常小，受電弓對(duì)接觸線的沖擊力在弓網(wǎng)接觸壓力中占比也非常小，可以忽略。因此，在列車運(yùn)行過程中可以把受電弓看作近乎沿水平方向運(yùn)行，則可得

式中:

f1——接觸線對(duì)受電弓的摩擦力;

μ——受電弓與接觸線的摩擦系數(shù);

P1——受電弓對(duì)接觸線的動(dòng)態(tài)接觸壓力;

f2——受電弓對(duì)接觸線的作用力。

接觸線受到的沖擊力主要發(fā)生在受電弓進(jìn)入錨段關(guān)節(jié)時(shí)，如圖3所示。當(dāng)受電弓運(yùn)行到錨段關(guān)節(jié)處時(shí)，關(guān)節(jié)進(jìn)線為非工作支，關(guān)節(jié)出線為工作支，由于非工作支相對(duì)于工作支會(huì)有所抬高，故受電弓會(huì)出現(xiàn)傾斜運(yùn)行狀態(tài)。

如圖4所示，現(xiàn)對(duì)受電弓左側(cè)與錨段關(guān)節(jié)進(jìn)線端碰撞處進(jìn)行受力分析。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，受電弓進(jìn)入錨段關(guān)節(jié)運(yùn)行一段距離后受電弓接觸到的2 個(gè)工作支(如圖5 的轉(zhuǎn)換過渡區(qū))會(huì)經(jīng)過一個(gè)等高運(yùn)行狀態(tài)，然后再以錨段關(guān)節(jié)出線為主要接觸點(diǎn)進(jìn)入下一個(gè)傾斜運(yùn)行狀態(tài)，直到受電弓離開錨段關(guān)節(jié)。

圖2 受電弓與接觸線接觸點(diǎn)示意及受力分析圖

圖3 接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)示意圖

圖4 錨段關(guān)節(jié)處受電弓與進(jìn)線工作支接觸線碰撞示意圖

圖5 受電弓與錨段關(guān)節(jié)過渡部位碰撞側(cè)面示意圖

如圖5所示，匯流排終端(非工作支)向上彎高70 mm，向上彎部分長(zhǎng)1 500 mm，以利于受電弓平滑過渡。當(dāng)受電弓運(yùn)行至與匯流排終端的接觸線碰撞時(shí)可知，受電弓受到垂直于接觸線的反作力。

式中:

F——碰撞時(shí)匯流排終端接觸線作用于受電弓的反作用力;

m——受電弓炭板質(zhì)量;

Δt——碰撞作用時(shí)間;

vo——列車速度;

v——受電弓炭板與匯流排終端接觸網(wǎng)碰撞時(shí)受電弓垂直于接觸線向上的速度。

由牛頓定律可知:

碰撞時(shí)受電弓作用于接觸線的作用力F1=F。

碰撞時(shí)受電弓對(duì)接觸線的動(dòng)態(tài)壓力P2= F1+P1。

碰撞時(shí)受電弓與接觸線的摩擦力f3=μP2=μ(0.047 mvo/Δt+ P1)，但受力時(shí)間非常短，一般 Δt為 0.01 s，碰撞過后，f3=f1。

匯流排受到的順線路方向竄動(dòng)的作用力f4=f3。

2 槽鋼底座發(fā)生爆裂的原因分析

2.1 受到的作用力過大

匯流排對(duì)定位線夾的滑動(dòng)摩擦力

式中:

μ1——匯流排對(duì)定位線夾的摩擦系數(shù);

F2——匯流排對(duì)定位線夾的夾持力。

如圖6所示，由于定位裝置的結(jié)構(gòu)原因，定位線夾處受到的作用力將會(huì)直接作用到定位裝置中T型頭螺栓與槽鋼底座的接觸處。當(dāng)f4≥f5時(shí)，定位線夾處受到的作用力為f5，匯流排會(huì)相對(duì)定位線夾滑動(dòng);當(dāng)f4＜f5時(shí)，定位線夾處受到的作用力為f4，匯流排不會(huì)相對(duì)定位線夾滑動(dòng);當(dāng)作用力f4達(dá)到一定值時(shí)，定位裝置將會(huì)發(fā)生傾斜。

從檢修情況中可知，出現(xiàn)定位裝置槽鋼底座爆裂的故障是偶發(fā)性的。當(dāng)f4＜f5時(shí)，假設(shè)導(dǎo)致T 型頭螺栓、絕緣子、定位線夾變形的作用力F3＞f4，而槽鋼底座能夠承受T 型頭螺栓的最大作用力F4＜f4，則將會(huì)因?yàn)門 型頭螺栓對(duì)槽鋼底座的作用力過大導(dǎo)致槽鋼底座爆裂(見圖1);當(dāng)F4＞F3＞f4時(shí)，T型頭螺栓、絕緣子、定位線夾將會(huì)因傾斜過度而發(fā)生變形。

2.2 材料自身問題

在制作過程中因材料表面或內(nèi)部存在缺陷(如夾雜、劃痕、厚度不合格等)，當(dāng)與T 型頭螺栓長(zhǎng)期相互擠壓作用下會(huì)使槽鋼底座產(chǎn)生微裂紋，且隨應(yīng)力循環(huán)作用次數(shù)的增加微裂紋逐漸擴(kuò)大;槽鋼底座的鍍鋅層被破壞后，在潮濕的地鐵隧道環(huán)境下，粉塵含量較多，對(duì)裂紋處形成了電化腐蝕，加快了裂紋的擴(kuò)大速度，最后出現(xiàn)槽鋼底座爆裂現(xiàn)象。

圖6 定位線夾處作用力示意圖

3 結(jié)論

根據(jù)上述分析可知，出現(xiàn)剛性接觸網(wǎng)槽鋼底座爆裂的原因主要是:在運(yùn)行列車受電弓與接觸線的摩擦力，以及受電弓進(jìn)入錨段關(guān)節(jié)時(shí)與錨段關(guān)節(jié)發(fā)生碰撞力的共同作用下，匯流排出現(xiàn)順線路的竄動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而將竄動(dòng)作用力傳遞到該錨段的每一個(gè)定位裝置(含定位線夾、絕緣子、T 型頭螺栓);當(dāng)定位線夾對(duì)匯流排的夾持力過大時(shí)，匯流排不能前后自由竄動(dòng)，其竄動(dòng)的作用力完全作用在定位裝置上，致使T 型頭螺栓對(duì)槽鋼底座的作用力過大，使支持定位裝置發(fā)生傾斜、形變;定位裝置傾斜后，T 型頭端頭與槽鋼的接觸面減小，端頭在槽鋼內(nèi)雙邊受力變?yōu)閱芜吺芰Γ斐刹垆摰鬃植繎?yīng)力集中;當(dāng)該應(yīng)力超過容許值時(shí)，使槽鋼底座出現(xiàn)微裂，隨著時(shí)間推移，裂痕逐漸擴(kuò)大，而出現(xiàn)爆裂。

由于每個(gè)錨段都設(shè)置一個(gè)中心錨結(jié)，以防止匯流排進(jìn)行順線路方向竄動(dòng)，當(dāng)中心錨結(jié)的一端竄動(dòng)作用力過大時(shí)，就會(huì)使匯流排發(fā)生形變;如果該端的匯流排可自由竄動(dòng)，則當(dāng)列車受電弓經(jīng)過后可以自行恢復(fù)到原來狀態(tài);如果該端有定位線夾而夾持力過大則會(huì)導(dǎo)致定位裝置與匯流排一起發(fā)生形變而無法自行恢復(fù)，進(jìn)而導(dǎo)致接觸線的導(dǎo)高或拉出值發(fā)生變化，當(dāng)接觸線的導(dǎo)高或拉出值超出誤差范圍時(shí)便形成了安全隱患。

4 應(yīng)對(duì)措施

1)進(jìn)行日常檢修時(shí)應(yīng)重點(diǎn)檢查定位線夾對(duì)匯流排的夾持情況，發(fā)現(xiàn)因定位線夾與匯流排相互卡死而導(dǎo)致匯流排無法自由竄動(dòng)的，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

2)檢修過程中發(fā)現(xiàn)接觸線因機(jī)械磨耗而造成表面粗糙時(shí)則應(yīng)及時(shí)打磨，使接觸線表面保持光滑，以減小與受電弓的摩擦力。

3)應(yīng)加強(qiáng)巡視，發(fā)現(xiàn)絕緣子傾斜、匯流排發(fā)生形變的應(yīng)及時(shí)調(diào)整;發(fā)現(xiàn)底座槽鋼有滴水腐蝕生銹現(xiàn)象的應(yīng)及時(shí)更換。

4)應(yīng)嚴(yán)格按照檢修規(guī)定開展檢修作業(yè)。進(jìn)行檢修作業(yè)時(shí)應(yīng)認(rèn)真核實(shí)接觸網(wǎng)的技術(shù)參數(shù)，優(yōu)化接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)的相關(guān)參數(shù)，同時(shí)注意調(diào)節(jié)錨段關(guān)節(jié)前后幾個(gè)定位點(diǎn)的導(dǎo)高，滿足接觸網(wǎng)的坡度要求，使受電弓平穩(wěn)過渡，以減小對(duì)匯流排的沖擊力。

［1］畢繼紅，張峰，劉峰濤.剛性懸掛接觸網(wǎng)/受電弓系統(tǒng)動(dòng)力分析［J］.沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(4):91.

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