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

        2022-03-17 05:30:10宗臻強(qiáng)張欣鄭皓天
        中國(guó)科技縱橫 2022年2期

        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(xiàn)延伸段供電線(xiàn)路自2014年開(kāi)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(xiàn)延伸線(xiàn)共計(jì)23個(gè)錨段接觸線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)延伸近幾年(2018—2021)接觸線(xiàn)年度磨耗情況,見(jiàn)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(xiàn)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(xiàn)間載流、接觸摩擦的相關(guān)研究表明:接觸線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)運(yùn)行,列車(chē)運(yùn)行弓架次增加,疲勞磨損程度進(jìn)一步增大,接觸線(xiàn)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(xiàn)與受電弓滑板之間的離線(xiàn)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(chē)輛條件、軌道條件、接觸網(wǎng)線(xiàn)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(chē)輛運(yùn)行速度對(duì)接觸線(xiàn)磨耗的影響:車(chē)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(xiàn)次數(shù),增大接觸電阻,產(chǎn)生離線(xiàn)拉弧;增加了滑塊表面摩擦產(chǎn)生的熱量,導(dǎo)致接觸線(xiàn)與滑塊接觸部位升溫;最后加劇接觸線(xiàn)的磨耗。

        (2)受電弓特性對(duì)接觸線(xiàn)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(chē)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)黏附磨損即機(jī)械磨損。

        (3)車(chē)輛條件對(duì)接觸線(xiàn)磨耗的影響:車(chē)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(xiàn)路條件對(duì)接觸線(xiàn)磨耗的影響:軌道線(xiàn)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(chē)平穩(wěn)度,進(jìn)而影響弓網(wǎng)接觸壓力變化;列車(chē)在上坡區(qū)段牽引電流增大,導(dǎo)致接觸線(xiàn)與滑塊接觸面溫度升高;導(dǎo)致接觸線(xiàn)磨耗加劇。

        (5)接觸網(wǎng)參數(shù)對(duì)接觸線(xiàn)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(chē)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(mǎn)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(xiàn)磨耗增大。考慮接觸線(xiàn)坡度對(duì)接觸線(xiàn)磨耗的影響較大,針對(duì)此次接觸線(xiàn)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(yú)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(xiàn)高度均滿(mǎn)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(xiàn),其原因并非接觸網(wǎng)自身參數(shù)不滿(mǎn)足要求。此次發(fā)現(xiàn)的3個(gè)錨段接觸線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)磨耗的影響:滑塊材質(zhì)與接觸線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)磨耗的影響:?jiǎn)诬壛熊?chē)受電弓采取銅基滑塊+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(xiàn)的摩擦系數(shù)和接觸電阻的影響不同。而滑塊與接觸線(xiàn)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(xiàn)磨損加劇的直接原因。

        (8)弓架次累計(jì)對(duì)接觸線(xiàn)磨耗的影響:受電弓滑板和接觸線(xiàn)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(chēng)之為疲勞磨損。

        (9)表面附著物對(duì)接觸線(xiàn)磨耗的影響:接觸線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)磨耗的影響:接觸線(xiàn)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(xiàn)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??;弓網(wǎng)接觸處接觸線(xiàn)升溫會(huì)造成接觸線(xiàn)軟化,加速接觸線(xiàn)的磨耗[4]。

        4.改革建議

        車(chē)輛運(yùn)行速度盡可能保持恒定。目前2號(hào)線(xiàn)列車(chē)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(xiàn)延伸段列車(chē)已基本國(guó)產(chǎn)化,建議關(guān)于車(chē)輛轉(zhuǎn)向架及減震性能方面與進(jìn)口車(chē)輛進(jìn)行對(duì)比研究,提高相關(guān)性能。針對(duì)此類(lèi)由線(xiàn)路條件引起的接觸線(xiàn)異常偏磨,線(xiàn)路專(zhuān)業(yè)對(duì)軌道梁連接的特殊部位進(jìn)行檢查,當(dāng)接觸線(xiàn)磨耗值為6mm時(shí),主要造成受電弓滑塊將與接觸線(xiàn)夾板直接摩擦,在接觸線(xiàn)固定夾板銜接處,可能造成刮弓、打弓現(xiàn)象;且接觸線(xiàn)固定夾板磨損后,接觸線(xiàn)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(xiàn)磨耗臨界值為5mm。當(dāng)接觸線(xiàn)磨耗值達(dá)到5mm時(shí),接觸線(xiàn)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(chē)受電弓滑塊采用銅基粉末冶金滑板,而接觸線(xiàn)采取純銅接觸線(xiàn),接觸線(xiàn)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(xiàn)的材質(zhì),研究滑塊與接觸線(xiàn)的摩擦匹配關(guān)系,使其達(dá)到最佳效果;對(duì)同一線(xiàn)路運(yùn)行的列車(chē),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(xiàn)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(mén)、車(chē)輛維保部門(mén)共同對(duì)各自設(shè)備定期清潔維護(hù)。供電維保部門(mén)、車(chē)輛維保部門(mén)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(xiàn)延伸段接觸線(xiàn)磨耗情況,特對(duì)列車(chē)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(chē)共計(jì)9個(gè)牽引單元。列車(chē)在車(chē)站啟動(dòng)加速時(shí)或列車(chē)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(xiàn),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(chē)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(chē)早晚高峰間隔不同,接觸線(xiàn)一次列車(chē)通過(guò)升溫后未充分散熱、列車(chē)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(chē)運(yùn)行區(qū)段集中在天堂堡至魚(yú)洞區(qū)段(即2號(hào)線(xiàn)延伸段段);依據(jù)熱量計(jì)算公式Q=I2Rt,接觸線(xiàn)在列車(chē)啟動(dòng)加速和上坡區(qū)段溫度最高、接觸線(xiàn)軟化相對(duì)較高。因此,從理論分析,在列車(chē)啟動(dòng)加速和上坡區(qū)段,接觸線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)共計(jì)13個(gè)錨段,處于列車(chē)出站啟動(dòng)加速區(qū)段接觸線(xiàn)共計(jì)3個(gè)錨段,處于曲線(xiàn)上坡區(qū)段接觸線(xiàn)共計(jì)4個(gè)錨段。由此,接觸線(xiàn)整體磨耗嚴(yán)重錨段均處于上坡或列車(chē)出站的啟動(dòng)加速區(qū)段,其磨耗加劇的原因?yàn)闋恳娏鞔?、接觸線(xiàn)溫升高。牽引電流的大小受線(xiàn)路條件和列車(chē)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(xiàn)延伸段接觸線(xiàn)磨耗的因素很多,且復(fù)雜多變、與接觸網(wǎng)、受電弓、車(chē)輛、載流、線(xiàn)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(xiàn)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€(xiàn)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(xiàn)整體磨耗,其主要原因是處于上坡或列車(chē)出站的啟動(dòng)加速區(qū)段,牽引電流大,接觸線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)。車(chē)輛方面對(duì)受電弓滑塊和接觸線(xiàn)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(xiàn)磨耗的因素很多,涉及專(zhuān)業(yè)廣泛且復(fù)雜多變,與接觸網(wǎng)、受電弓、車(chē)輛、載流、線(xiàn)路、環(huán)境等息息相關(guān)。

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