朱偉鵬
(深圳市地鐵集團(tuán)有限公司 運(yùn)營總部, 廣東深圳 518040)
碳滑板為安裝于列車受電弓頂部,負(fù)責(zé)與接觸網(wǎng)接觸滑動(dòng)獲取電力,通過碳滑板把電力傳輸至列車以保障列車運(yùn)行的受流設(shè)備?;瑒?dòng)取流過程中會(huì)導(dǎo)致碳滑板磨耗,碳滑板磨耗異常將導(dǎo)致碳滑板更換周期過頻,增加運(yùn)營成本;磨耗異常將導(dǎo)致滑板表面形成凸臺、凹槽;更甚導(dǎo)致自動(dòng)降弓,增加列車安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。深圳地鐵11號線自開通運(yùn)營以來,正線為剛性接觸網(wǎng)與碳滑板受流,全程約51 km,17個(gè)區(qū)間,包括3個(gè)純?nèi)嵝越佑|網(wǎng)區(qū)間,12個(gè)剛?cè)徇^渡區(qū)段,11個(gè)剛性接觸網(wǎng)區(qū)間;運(yùn)營初期弓網(wǎng)關(guān)系惡劣,碳滑板異常磨耗,碳滑板磨耗率高達(dá)4.6 mm/萬km,經(jīng)技術(shù)整改,現(xiàn)碳滑板磨耗率為1.2 mm/萬km;為闡述降低碳滑板磨耗,延長碳滑板使用生命周期措施,文中開展此項(xiàng)研究。
主要目標(biāo):降低碳滑板磨耗率,使碳滑板磨耗率從5 mm/萬km降低或超過既有線水平(運(yùn)營線路受電弓碳滑板磨耗約1.4 mm/萬km)。
圖1 目標(biāo)值設(shè)定
11號線全線51 km,分布約1/4為柔性接觸網(wǎng),3/4為剛性接觸網(wǎng);縱觀國內(nèi)外地鐵運(yùn)行情況,柔性網(wǎng)狀態(tài)下普遍弓網(wǎng)關(guān)系較為良好,剛性網(wǎng)狀態(tài)下弓網(wǎng)沖擊、拉弧情況較為嚴(yán)重;為更好研究11號線弓網(wǎng)關(guān)系改善余地,研究國內(nèi)部分剛性及柔性地鐵線路弓網(wǎng)匹配情況,見表1。
表1 國內(nèi)地鐵調(diào)研情況
為研究碳滑板磨耗規(guī)律,進(jìn)行碳滑板大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),結(jié)合受電弓特別修進(jìn)行碳滑板厚度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)點(diǎn)包括以滑板中心向兩側(cè)延遲間距40 mm點(diǎn)共17個(gè)點(diǎn),見圖2。
圖2 碳滑板大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
(1) 初期試驗(yàn)分析
深圳地鐵11號線運(yùn)營初期,正線接觸網(wǎng)膨脹原件拉出值設(shè)置為0,碳滑板滑動(dòng)取流過程中,經(jīng)過膨脹原件處產(chǎn)生嚴(yán)重拉弧、撞擊,導(dǎo)致碳滑板在0拉出值位置磨耗劇烈,使得碳滑板中心0位置處產(chǎn)生嚴(yán)重凹槽,在碳滑板表面同時(shí)存在缺塊,拉弧燒融痕跡;凹槽圖片見圖3。碳滑板為消耗型備件,通過碳滑條與鋁托架連接實(shí)現(xiàn)取流給列車供電方式,即每根碳滑板存在一定的磨耗量及需更換的標(biāo)準(zhǔn)值;鑒于初期碳滑板異常磨耗,計(jì)算得碳滑板磨耗率為4.6 mm/萬km,碳滑板使用壽命約為1.5個(gè)月;凹槽在弓網(wǎng)運(yùn)行過程中會(huì)造成較大沖擊,對弓網(wǎng)匹配關(guān)系造成嚴(yán)重影響,為緩解碳滑板異常磨耗情況,對膨脹原件位置進(jìn)行調(diào)整,保證接觸網(wǎng)“之”字形過渡,使正線運(yùn)營過程中碳滑板在±200 mm內(nèi)避免直接撞擊膨脹關(guān)節(jié),均勻過渡。
圖3 初期碳滑板磨耗情況
為跟蹤試驗(yàn)調(diào)整效果,跟蹤碳滑板磨耗情況,碳滑板裝車運(yùn)營60天,走行公里數(shù)約4.5萬km,列車碳滑板±200 mm范圍內(nèi)仍然普遍存在撞擊缺塊,滑板表面存在明顯磨耗不均痕跡,弓網(wǎng)沖擊情況較為嚴(yán)重,受電弓在接觸網(wǎng)膨脹原件、中間接頭等處過渡不平順,雖碳滑板偏磨、異常磨耗情況有所改善,但弓網(wǎng)匹配關(guān)系仍處于較為惡劣的狀態(tài),跟蹤碳滑板磨耗率降低為2.6 mm/萬km,見圖4。
圖4 跟蹤碳滑板磨耗情況圖片
(2) 弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)
為研究改善弓網(wǎng)關(guān)系,組織西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室于1114車安裝設(shè)備,在碧頭—福田上下行全線進(jìn)行弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)測試試驗(yàn),試驗(yàn)主要測量數(shù)據(jù)有:弓網(wǎng)離線火花、受電弓滑板高度、受電弓運(yùn)行監(jiān)視、弓網(wǎng)接觸壓力、受電弓振動(dòng)加速度、受電弓關(guān)鍵部位應(yīng)力及電流等參數(shù)。
弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)分別于受電弓前后碳滑板支架安裝拉壓式力傳感器、開口方向安裝火花探測器、受電弓運(yùn)行監(jiān)視相機(jī)和滑板高度動(dòng)態(tài)檢測相機(jī)及于前后滑板下方各安裝振動(dòng)加速度傳感器(包括垂向、縱向和橫向)。正線弓網(wǎng)加速度測量結(jié)果如圖5、圖6所示。
試驗(yàn)結(jié)論如下:
(a) 剛性網(wǎng)相較柔性網(wǎng)弓網(wǎng)沖擊更為劇烈(剛性區(qū)段沖擊加速度均有超過50g的情況,其中僅上行線就達(dá)43處,柔性區(qū)段加速度振幅維持在25g以內(nèi));
(b) 機(jī)場—碧海灣剛?cè)徇^渡段振動(dòng)沖擊相對劇烈,紅樹灣—車公廟剛性接觸網(wǎng)區(qū)間線路硬點(diǎn)沖擊較大,存在較大隱患。
深圳地鐵11號線,對于剛性接觸網(wǎng)區(qū)段,燃弧及撞擊大多出現(xiàn)于膨脹關(guān)節(jié)處,較大垂向撞擊將導(dǎo)致碳滑板表面缺塊,撞痕,表面磨耗不均勻,出現(xiàn)凹槽、縫隙,碳滑板再與接觸網(wǎng)滑動(dòng)取流時(shí)由于縫隙產(chǎn)生拉弧火花現(xiàn)象,對碳滑板及接觸網(wǎng)的使用壽命造成嚴(yán)重影響同時(shí)不利于碳滑板均勻磨耗。
圖5 碳滑板垂向加速度值區(qū)間分布
圖6 碳滑板垂向加速度>50g個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)
(3) 膨脹元件整改
深圳地鐵11號線主要為剛性接觸網(wǎng)區(qū)間,全線17個(gè)區(qū)間,包含純剛性接觸網(wǎng)區(qū)間11個(gè),異常膨脹關(guān)節(jié)的存在對弓網(wǎng)關(guān)系及碳滑板的磨耗存在不良影響,為解決該影響,進(jìn)行膨脹原件整改。全線膨脹原件247個(gè),于2017年3月時(shí)完成膨脹原件整改40處。
原膨脹原件為三線受流方式,兩端夾持中間匯流排方式,由三線受流至二線受流再到三線受流方式,膨脹原件自重約60 kg,兩端有向上弧度以保證均勻過渡,該類型膨脹原件由于自重較大,使用過程中會(huì)產(chǎn)生1~2 mm弧度下沉,且兩端與受電弓接觸點(diǎn)較多,受電弓經(jīng)過時(shí),容易造成膨脹及拉弧,嚴(yán)重影響弓網(wǎng)關(guān)系;新型膨脹原件為二線受流方式,質(zhì)量較輕,質(zhì)量約為50 kg,整體結(jié)構(gòu)較為緊湊,兩端保持向上的弧度形狀且接觸線為經(jīng)過打磨狀態(tài),保證受電弓經(jīng)過膨脹原件時(shí)均勻過渡。膨脹原件整改如圖7所示;至2017年3月整改完成膨脹40處,測量碳滑板磨耗率為1.66 mm/萬km,見表2。
表2 2016年7月~9月碳滑板磨耗率統(tǒng)計(jì)表
圖7 整改前、后膨脹原件圖
圖8 碳滑板磨耗率折線圖
(1) 11號線列車受電弓類型
表3 抽檢碳滑板磨耗率
(2) 新型Stemmann弓頭
碳滑板對比:
Stemmann新弓頭自配Pantrac碳滑板,Pantrac碳滑板電阻率為4 uΩm,抗彎強(qiáng)度為95 N/mm2材料為銅錫碳組合材料,摩根碳滑板為深圳地鐵11號線九方受電弓使用碳滑板,電阻率為4 uΩm,抗彎強(qiáng)度為75 MPa,材料為碳銅片組合材料;Stemmann新型弓頭(帶Pantrac滑板)于2017年3月裝于1105車,2017年5月將2車、7車更換為摩根碳滑板,同一列車上不同碳滑板磨耗率,具體磨耗率對比如表4所示。
圖9 Stemmann新型弓頭
車號滑板類型走行里程/km磨耗率/(mm·(萬km)-1)4車Pantrac61 5231.812車、7車摩根37 0841.12
為進(jìn)一步驗(yàn)證摩根碳滑板于新型Stemmann受電弓的應(yīng)用情況,2017年6月于1104車試裝新型Stemmann弓頭,并裝配摩根碳滑板;2017年8月于1103車試裝新型Stemmann新弓頭,新型弓頭碳滑板磨耗情況如表5所示。
表5 Stemmann新型弓頭摩根碳滑板磨耗率
根據(jù)以上數(shù)據(jù)得出,新型Stemmann受電弓弓頭運(yùn)行情況良好,使用Pantrac碳滑板則磨耗率為1.81 mm/萬km,碳滑板更換周期約為4.2個(gè)月,使用摩根碳滑板則平均磨耗率為1.19 mm/萬km,碳滑板更換周期約為6.4個(gè)月。
(1) 打磨背景
地鐵列車沿軌道行駛,受電弓碳滑板無法橫向移動(dòng),接觸網(wǎng)設(shè)置一定的拉出值,使列車沿著軌道行駛時(shí)碳滑板在橫向方向上均勻滑動(dòng)取流,使碳滑板避免磨耗同一位置,造成滑板凹槽;深圳地鐵11號剛性接觸網(wǎng)設(shè)置拉出值為±200 mm,且碳滑板寬度分別為1 050 mm 及800 mm,造成碳滑板200 mm至240 mm處形成凸臺如圖10所示,且由于拉出值范圍較小,磨耗不均,易在磨耗區(qū)域形成波浪形狀曲線表面,不利于碳滑板均勻磨耗。
圖10 碳滑板凸臺
(2) 打磨措施
為保證列車過道岔時(shí)受電弓碳滑板均勻過渡至另一軌道,同時(shí)保證碳滑板均勻磨耗,防止凸臺區(qū)域及碳滑板凹槽在滑動(dòng)取流過程中深化影響、造成凸臺越凸,凹槽越凹現(xiàn)象,制定碳滑板打磨工藝。
通過對上述問題的研究,小組成員制定了一個(gè)對碳滑板凹槽進(jìn)行打磨的方法。
① 50 mm內(nèi)凹槽曲率半徑大于158 mm,凹槽深度小于2mm,無需打磨;
② 50 mm內(nèi)凹槽曲率半徑介于106 mm與158 mm 之間, 凹槽深度介于2~3 mm,需打磨;
③ 50 mm內(nèi)凹槽曲率半徑小于106 mm,凹槽深度大于3 mm的對碳滑板進(jìn)行更換;
表6 打磨前后碳滑板磨耗數(shù)據(jù)對比
圖11 碳滑板磨耗
④ 凸臺范圍50 mm內(nèi)高低差超過3 mm則更換碳滑板,介于2~3 mm之間則打磨至2 mm以內(nèi)。
(3) 打磨工藝
① 打磨工具為銼刀打磨,若檢查過程中發(fā)現(xiàn)多處需打磨,則可使用角磨機(jī)打磨;
② 打磨碳滑板凸臺前,使用抹布把避雷器、絕緣子包裹嚴(yán)實(shí),防止打磨過程中碳粉依附避雷器與絕緣子表面;
③ 如需多處打磨,使用打磨機(jī)需將線纜盤放置打磨的平臺位置,線纜盤插頭接通平臺電源,分別把打磨機(jī)與風(fēng)扇插頭連接線纜盤;
④ 作業(yè)前接通風(fēng)扇,風(fēng)扇吹風(fēng)方向?qū)?zhǔn)打磨碳滑板的位置,開始作業(yè)前需站在上風(fēng)口,其次,安上沙輪片,接通打磨機(jī),測試打磨機(jī)性能是否良好;
⑤ 用打磨機(jī)對碳滑板50 mm凹槽深度超出標(biāo)準(zhǔn)的位置進(jìn)行打磨,開始打磨時(shí),沙輪片與碳滑板凸起接觸面位置盡量保證相切,防止碳滑板打磨處出現(xiàn)深度缺塊,隨后修平碳滑板打磨位置。同時(shí)保證打磨機(jī)轉(zhuǎn)速快、打磨均勻,保證打磨碳滑板處曲線光滑;
⑥ 打磨碳滑板過程中平穩(wěn)移動(dòng)打磨機(jī),防止打磨后碳滑板出現(xiàn)階梯狀曲線;
⑦ 使用銼刀對打磨位置再次進(jìn)行細(xì)磨,保證碳滑板表面的光滑程度。打磨完成后使用游標(biāo)卡尺對兩條滑板的同一位置的高度進(jìn)行檢查確認(rèn),保證滑板與接觸網(wǎng)同時(shí)接觸;
⑧ 打磨完用游標(biāo)卡尺測量凹槽或凸臺處,確認(rèn)符合標(biāo)準(zhǔn)。
(4)打磨后碳滑板磨耗率比較
分別抽取已打磨列車進(jìn)行碳滑板磨耗率比較,2017年8月對1101車碳滑板進(jìn)行打磨,2017年8月對1105車碳滑板進(jìn)行打磨,2017年7月對1112車進(jìn)行打磨,碳滑板打磨后碳滑板磨耗率存在微小變化,整體呈現(xiàn)降低趨勢。
降低碳滑板磨耗率研究主要經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)為以下3部分:
(1) 滑板的磨耗由初始4.6 mm/萬km降至1.18 mm/萬km,每年可節(jié)約成本416萬元;
(2) 以更換碳滑板工時(shí)計(jì)算,現(xiàn)磨耗率情況下節(jié)省594人工時(shí);
(3) 為新線籌備、備件選型提供選型依據(jù)。
針對深圳地鐵11號線剛性接觸網(wǎng)情況下的碳滑板磨耗率研究,經(jīng)過對接觸網(wǎng)拉出值調(diào)整、膨脹原件整改、新型弓頭應(yīng)用、碳滑板打磨等階段,碳滑板磨耗率由初始4.6 mm/萬km降低至1.18 mm/萬km,現(xiàn)碳滑板磨耗率已優(yōu)于既有線剛性接觸網(wǎng)狀態(tài)下碳滑板磨耗情況。后續(xù)將持續(xù)研究不同壓力區(qū)間情況下拉弧情況、接觸壓力對碳滑板磨耗率的影響,以期達(dá)到弓網(wǎng)關(guān)系的良好匹配,降低滑板磨耗。