周國祥

(南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司 江蘇 南京 210017)

隨著國內(nèi)城軌交通的迅猛發(fā)展，地鐵線路接觸網(wǎng)長度快速增加，接觸網(wǎng)材料與施工工藝日新月異，地鐵車輛受電弓配置數(shù)量日趨增多，受電弓及碳滑板型號不斷增加，受電弓碳滑板的消耗量相應(yīng)增大，受電弓碳滑板異常磨耗問題也呈不斷增加的趨勢。地鐵車輛受電弓碳滑板異常磨耗既影響列車安全可靠運(yùn)行，也大幅增加車輛更換碳滑板的維保費(fèi)用。分析碳滑板異常磨耗原因，并及時(shí)采取應(yīng)對措施十分重要。

1 碳滑板磨耗機(jī)理

在地鐵車輛受電弓與接觸網(wǎng)間的弓網(wǎng)關(guān)系中，接觸網(wǎng)是敷設(shè)好的固定設(shè)施，而受電弓是移動(dòng)的設(shè)備。地鐵接觸網(wǎng)是沿地鐵線路上空架設(shè)的，受電弓是從接觸網(wǎng)取電的電氣設(shè)備，安裝在車頂上，受電弓一般由碳滑板、上框架、下臂桿(雙臂弓用下框架)、底架、升弓彈簧或升弓氣囊(氣缸)、支持絕緣子等部件組成。碳滑板是受電弓的重要零部件，安裝在受電弓弓頭上。地鐵車輛受電弓碳滑板根據(jù)材料組成不同，主要有浸金屬碳滑板和純碳滑板。

地鐵車輛受電弓碳滑板與接觸網(wǎng)相接觸的地方，是地鐵車輛的受流(或回流)點(diǎn)。當(dāng)車輛靜止時(shí)，碳滑板對接觸網(wǎng)接觸線有機(jī)械力作用，表現(xiàn)為靜態(tài)接觸力，此時(shí)，若車輛從接觸網(wǎng)取流，碳滑板與接觸線間電氣作用表現(xiàn)為靜態(tài)電接觸；當(dāng)車輛運(yùn)行時(shí)，碳滑板與接觸線間的機(jī)械力，除了動(dòng)態(tài)接觸力外，還有滑摩擦力，若車輛從接觸網(wǎng)取流或回流時(shí)，碳滑板與接觸線間電氣作用表現(xiàn)為移動(dòng)電接觸。碳滑板在與接觸線工作過程中，碳滑板材料從滑板表面移走，這種現(xiàn)象稱為碳滑板磨耗(磨損)。碳滑板磨耗主要有機(jī)械磨耗和電氣磨損兩種形式。碳滑板與接觸線靜態(tài)接觸取流時(shí)，表現(xiàn)為碳滑板、接觸線間接觸溫升；碳滑板與接觸線滑動(dòng)接觸取流或回流時(shí)，表現(xiàn)為碳滑板機(jī)械磨耗和電氣磨損；當(dāng)碳滑板與接觸線間帶電且出現(xiàn)時(shí)分時(shí)合接觸時(shí)，兩者間會產(chǎn)生電火花或電弧，即弓網(wǎng)間出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象。

2 碳滑板異常磨耗表現(xiàn)

城軌交通系統(tǒng)中，地鐵車輛受電弓與牽引供電接觸網(wǎng)間是否匹配良好，即弓網(wǎng)關(guān)系是否良好，主要表現(xiàn)在列車運(yùn)行過程中受電弓碳滑板和接觸網(wǎng)接觸線的磨耗是否正常。受電弓與接觸網(wǎng)匹配得好，列車運(yùn)行時(shí)碳滑板在接觸線下的磨耗比較正常；若受電弓碳滑板在列車運(yùn)行中出現(xiàn)異常磨耗，可能就是弓網(wǎng)關(guān)系出現(xiàn)了異常。

列車運(yùn)行過程中弓網(wǎng)間的匹配關(guān)系涉及面很廣，影響地鐵車輛受電弓碳滑板在接觸網(wǎng)接觸線下磨耗的因素很多，碳滑板異常磨耗的現(xiàn)象各種各樣，歸集起來主要有以下幾方面的表現(xiàn)。

(1)碳滑板偏磨。碳滑板偏磨是碳滑板異常磨耗的主要表現(xiàn)形式。碳滑板偏磨主要有波浪型磨耗和中心型磨耗2種形式：波浪型磨耗主要表現(xiàn)為滑板上磨耗存在的程度不均，導(dǎo)致受電弓滑板的表面不平整，表面形成不同的厚度差；中心型磨耗主要表現(xiàn)在受電弓滑板的中心到兩端，磨耗的程度越來越小，形成中間凹下去、兩邊凸起來的現(xiàn)象。

(2)碳滑板掉塊。碳滑板因弓網(wǎng)間撞擊以及滑板嚴(yán)重拉弧、灼燒等原因而出現(xiàn)掉塊或缺塊問題。

(3)碳滑板中間位置處，有頂部到底部完全裂通現(xiàn)象。

(4)碳滑板表面有灼傷、拉弧等異常現(xiàn)象。

(5)碳滑板磨耗或磨耗率有突然加大現(xiàn)象。

3 碳滑板異常磨耗原因分析及應(yīng)對措施

通過觀察地鐵車輛受電弓碳滑板異常磨耗現(xiàn)象，特別是那些比較典型的異常磨耗表現(xiàn)，往往可以判斷碳滑板異常磨耗的原因。當(dāng)然，碳滑板異常磨耗既有普遍規(guī)律，又有一定的特殊性。要有效解決地鐵車輛受電弓碳滑板異常磨耗問題，往往需要具體問題具體分析，研究實(shí)際的弓網(wǎng)匹配關(guān)系，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，根據(jù)實(shí)際弓網(wǎng)及弓網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境等具體情況，全面分析車輛、受電弓、碳滑板、線路、接觸網(wǎng)、接觸線的情況，以及列車運(yùn)行工況和運(yùn)行環(huán)境等方面的情況。

3.1 原因分析

通過對一些既往地鐵車輛項(xiàng)目上受電弓碳滑板異常磨耗案例的分析與總結(jié)，從接觸網(wǎng)特性、接觸網(wǎng)布置、接觸網(wǎng)施工質(zhì)量以及碳滑板自身和碳滑板與接觸線匹配等方面考慮，地鐵車輛受電弓碳滑板異常磨耗的主要原因大致有以下幾個(gè)方面。

(1)受剛性接觸網(wǎng)的特性影響。相對于柔性接觸網(wǎng)而言，剛性接觸網(wǎng)的彈性較差。當(dāng)受電弓從柔性網(wǎng)往剛性網(wǎng)方向(往往是由高向低)前進(jìn)時(shí)，弓頭高度會有明顯降低的變化，碳滑板很容易撞擊并抬升接觸網(wǎng)；當(dāng)受電弓從剛性網(wǎng)向柔性網(wǎng)方向(往往是由低向高)前進(jìn)時(shí)，弓頭高度會有明顯抬高的變化，碳滑板容易發(fā)生電氣燒損(見圖1)。

圖1 碳滑板表面發(fā)生電氣燒損后的現(xiàn)象

(2)受接觸網(wǎng)懸掛硬點(diǎn)隨機(jī)性影響。接觸網(wǎng)在懸掛過程中，容易出現(xiàn)一些突出硬點(diǎn)，這些硬點(diǎn)的出現(xiàn)往往會導(dǎo)致接觸懸掛導(dǎo)高突然發(fā)生變化[1]。

(3)受接觸網(wǎng)布置形式的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，與圖2(a)所示的“之”字形布置的接觸網(wǎng)相比較，圖2(b)中正弦波形式布置的接觸網(wǎng)下，碳滑板異常磨耗的概率更高。同種工況下，同根受電弓碳滑板在與正弦波形式布置的網(wǎng)線接觸和與“之”字形布置的網(wǎng)線接觸時(shí)，碳滑板上各點(diǎn)和接觸線接觸的時(shí)間、頻率以及次數(shù)不同，試驗(yàn)表明，與“之”字形布置相比，接觸網(wǎng)使用正弦波布置形式，在靠近受電弓碳滑板中心的位置，碳滑板磨耗程度更大，如圖2(c-d)所示[2]。

圖2 接觸網(wǎng)平面布置示意圖及不同布置形式對碳滑板磨耗狀態(tài)的影響

(4)受接觸網(wǎng)施工技術(shù)或施工質(zhì)量的影響。在地鐵線路接觸網(wǎng)施工過程中，由于一些接觸網(wǎng)施工企業(yè)缺乏相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)和工藝質(zhì)量管控措施，大多數(shù)環(huán)節(jié)的施工都是按照圖紙進(jìn)行，而許多線路接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)圖紙，有時(shí)并沒有根據(jù)地形環(huán)境而作科學(xué)調(diào)整，設(shè)計(jì)圖紙與現(xiàn)場實(shí)際適應(yīng)性差，甚至可能存在一些安全隱患，在接觸網(wǎng)施工過程中，有些接觸網(wǎng)交叉布設(shè)工藝很不合理。另外，地鐵線路接觸網(wǎng)施工完成后，又缺乏全面、專業(yè)的質(zhì)量檢驗(yàn)，這些接觸網(wǎng)施工技術(shù)、工藝、檢查等方面的問題往往會造成后續(xù)列車運(yùn)行時(shí)車輛受電弓碳滑板異常磨耗。

(5)受弓網(wǎng)間接觸力不均衡影響。在目前的接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，接觸線與受電弓碳滑板中心線的距離長短，影響著受電弓碳滑板中心段的機(jī)械磨耗程度大小。地鐵列車在運(yùn)行過程中，隨著列車速度增加，弓網(wǎng)間的接觸壓力增大，受電弓會出現(xiàn)晃動(dòng)，受電弓碳滑板就會形成中心偏磨型磨耗或波浪型磨耗。

(6)受接觸線和碳滑板材料影響。碳滑板材質(zhì)不同，或碳滑板材料組成比例不同，都對碳滑板物理性能有影響。一旦受電弓碳滑板或接觸網(wǎng)接觸線選型不當(dāng)，或它們的材料質(zhì)量出現(xiàn)問題時(shí)，地鐵車輛受電弓碳滑板往往會出現(xiàn)異常磨耗。接觸網(wǎng)接觸線材料的優(yōu)劣不僅影響接觸線自身的使用壽命，對碳滑板磨耗程度影響也很多，甚至影響到列車的行車安全。

(7)受碳滑板和受電弓選型影響。同種型號接觸線條件下，在同樣列車牽引電壓、電流工況下，選擇不同的受電弓，或同種受電弓情況下，選擇不同材質(zhì)(或材質(zhì)比率不同)的碳滑板，碳滑板的磨耗率可能不同。彈簧弓、氣囊弓、氣缸弓的特性不同，弓頭質(zhì)量輕重對碳滑板磨耗有影響，在碳滑板選型時(shí)，主要根據(jù)以下條件進(jìn)行確認(rèn)：接觸網(wǎng)線纜數(shù)量、接觸網(wǎng)材料、接觸網(wǎng)截面積、接觸網(wǎng)允許最高溫度、接觸壓力、電流數(shù)量(靜態(tài)電流)。確定選型后，進(jìn)行靜態(tài)溫升試驗(yàn)確認(rèn)。滑板的選型、接觸線的選擇應(yīng)滿足地鐵車輛牽引供電計(jì)算要求。

(8)受天氣等其他原因影響。地面及高架地鐵線路上，天氣溫度、濕度變化以及雨雪天氣對接觸線與碳滑板間的接觸性能有較大影響。列車運(yùn)行中，當(dāng)?shù)罔F車輛受電弓碳滑板與接觸網(wǎng)接觸線間有浮冰(薄冰)時(shí)，弓網(wǎng)接觸關(guān)系往往會很惡劣，造成碳滑板與接觸線間接觸不良，從而導(dǎo)致兩者間拉弧嚴(yán)重，磨耗加劇。另外，地鐵線路鋼軌的平順性、軌道質(zhì)量指數(shù)等參數(shù)以及地鐵車輛與鋼軌間的輪軌關(guān)系也會影響弓網(wǎng)間的配合，一定程度影響著車輛受電弓碳滑板的磨耗速度。

3.2 應(yīng)對措施

3.2.1接觸網(wǎng)方面

(1)提升接觸線材料的質(zhì)量，增加剛性接觸網(wǎng)的彈性。

在接觸網(wǎng)建設(shè)施工過程中，要對接觸網(wǎng)材料的質(zhì)量、規(guī)格以及型號進(jìn)行對比分析，另外還要對所選材料的強(qiáng)度、質(zhì)量以及彈性進(jìn)行檢測，嚴(yán)格監(jiān)督材料質(zhì)量是否合格，嚴(yán)禁使用偽劣材料。在剛性接觸網(wǎng)施工設(shè)計(jì)與工藝方面，要充分考慮增加剛性接觸網(wǎng)彈性的措施[3]。

(2)預(yù)防及整治接觸網(wǎng)懸掛硬點(diǎn)，控制好導(dǎo)高突變量。

接觸網(wǎng)接觸懸掛導(dǎo)高突變的主要原因是硬點(diǎn)，在接觸網(wǎng)施工過程中，要注意導(dǎo)高突變點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)，對不符合標(biāo)準(zhǔn)的硬點(diǎn)要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。另外，在接觸網(wǎng)維護(hù)保養(yǎng)階段，要加強(qiáng)巡查接觸網(wǎng)接頭部位接觸線的磨耗情況，一旦發(fā)現(xiàn)接觸線磨耗情況嚴(yán)重時(shí)，要進(jìn)行及時(shí)處理。

(3)加強(qiáng)對接觸網(wǎng)的維修管理。

隨著科技的進(jìn)步，可以引進(jìn)一些高科技產(chǎn)品對接觸網(wǎng)進(jìn)行檢測、監(jiān)測與維護(hù)。對傳統(tǒng)檢查接觸網(wǎng)的工作，與使用高科技產(chǎn)品檢測、檢查接觸網(wǎng)后的工作進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。對接觸網(wǎng)磨耗程度進(jìn)行定期跟蹤，科學(xué)調(diào)整一些檢修參數(shù)，并建立完善的接觸網(wǎng)檢修標(biāo)準(zhǔn)和檢修制度。

(4)提高接觸網(wǎng)施工、檢修技術(shù)水平。

接觸網(wǎng)施工企業(yè)要全面提高施工技術(shù)，優(yōu)化接觸網(wǎng)各部分之間的關(guān)系[4]。相關(guān)職能和責(zé)任部門要加強(qiáng)對接觸網(wǎng)施工過程中的監(jiān)督，以及對接觸線材料質(zhì)量的檢測。接觸網(wǎng)檢修單位要調(diào)整和優(yōu)化接觸網(wǎng)的幾何參數(shù)與接觸線形態(tài)，使得受電弓碳滑板的磨耗達(dá)到較為理想的水平；保障接觸網(wǎng)坡度處于設(shè)計(jì)規(guī)定值范圍，相鄰懸掛點(diǎn)的高差控制在設(shè)計(jì)值內(nèi)；對接觸線棱邊、拉絲及時(shí)打磨和清除；對彈性絕緣子的彈性進(jìn)行研究和排查，避免絕緣子出現(xiàn)卡滯；關(guān)注接觸網(wǎng)跨中的導(dǎo)高值是否在允許的范圍內(nèi)。地鐵線路軌道檢修單位確保軌道平順性，確保輪軌關(guān)系配合處于良好狀態(tài)。

3.2.2弓網(wǎng)接觸方面

(1)接觸線在碳滑板上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)范圍應(yīng)盡可能大。

標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)接觸線拉出值盡量大，可使碳滑板在接觸線下滑動(dòng)區(qū)域更寬；接觸線布置更科學(xué)，合理選擇“之”字形或正弦形的接觸線施工工藝，對降低碳滑板磨耗率有幫助。接觸網(wǎng)拉出值分布不均勻，會造成受電弓碳滑板在某些區(qū)域明顯高于滑板其他區(qū)域[5]。

(2)弓網(wǎng)間的接觸力要合適。

受電弓在不同高度下，都要保證弓網(wǎng)間的接觸力均衡性；碳滑板與接觸線間的接觸力調(diào)整到最佳狀態(tài)(或最匹配狀態(tài))，可有效降低碳滑板磨耗率。弓網(wǎng)接觸壓力值是根據(jù)碳滑板材料、導(dǎo)電性以及車輛速度等綜合因素設(shè)定。接觸壓力過高，接觸網(wǎng)與碳滑板的機(jī)械磨耗都會加劇，導(dǎo)致壽命縮短，維護(hù)成本增加；接觸壓力過低，受電弓碳滑板的載流性能降低，電氣磨損會加劇[6-7]。

3.2.3受電弓結(jié)構(gòu)選型及碳滑板選型方面

(1) 受電弓結(jié)構(gòu)

碳滑板磨耗包括電氣磨損和機(jī)械磨耗，其中電氣磨損大概占比70%以上[8]。要降低電氣磨損，需要提高弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)匹配性能，降低受電弓的歸算質(zhì)量。四滑板結(jié)構(gòu)的弓頭歸算質(zhì)量重于兩滑板結(jié)構(gòu)弓頭，故受電弓應(yīng)盡量采用兩條碳滑板的結(jié)構(gòu)[9-10]。

(2)滑板選型

認(rèn)真核算列車各種工況下要求碳滑板(動(dòng)態(tài)及靜態(tài))載流值的大小，根據(jù)兩滑板結(jié)構(gòu)弓頭預(yù)設(shè)的常用最大寬度碳滑板(60 mm寬)和電流大小確定碳滑板的載流密度，從而確定采用純碳滑板或是浸金屬碳滑板，以及合適的規(guī)格型號。以南京地鐵項(xiàng)目為例，碳滑板選型情況如表1所示。

表1 南京地鐵一些車輛項(xiàng)目上碳滑板選型情況

3.2.4其他方面

為減少、避免地鐵車輛在惡劣天氣下碳滑板的磨損異?，F(xiàn)象，應(yīng)結(jié)合地鐵線路、車輛、接觸網(wǎng)等情況，統(tǒng)計(jì)不同季節(jié)下碳滑板的運(yùn)用數(shù)據(jù)，總結(jié)碳滑板磨耗規(guī)律，可主要采取接觸網(wǎng)除冰和碳滑板升級等措施。

4 結(jié)束語

地鐵車輛上受電弓碳滑板異常磨耗問題，是接觸網(wǎng)、車輛領(lǐng)域經(jīng)常會遇到的疑難問題,在北京、上海、廣州、深圳、南京、成都、沈陽、鄭州等地鐵公司的一些車輛項(xiàng)目上，都或多或少出現(xiàn)過。碳滑板磨耗問題，涉及到弓網(wǎng)關(guān)系，而受電弓及碳滑板的選型與車輛選型、列車運(yùn)行工況、運(yùn)行速度等多方面有關(guān)，接觸網(wǎng)及接觸線選型和接觸網(wǎng)施工工藝與工程結(jié)構(gòu)、線路條件等有關(guān)，碳滑板與接觸線要相互匹配。因此，要解決好碳滑板異常磨耗問題，需從多專業(yè)、多層次、多因素、多方面考慮，結(jié)合工程、線路、車輛、接觸網(wǎng)、運(yùn)行工況、天氣等具體情況具體分析原因，加強(qiáng)現(xiàn)場調(diào)查，認(rèn)真分析原因，及時(shí)采取有效措施。文章中對地鐵車輛碳滑板異常磨耗的淺顯分析和一些應(yīng)對措施，能給予同行們參考和啟發(fā)。