摘 要：南京地鐵機場線連續(xù)數(shù)年冬季出現(xiàn)弓網(wǎng)異常磨耗問題，給電客車維保工作帶來了困難，也嚴(yán)重影響了線路的安全運營。針對弓網(wǎng)異常磨耗情況，南京地鐵結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者的研究分析，通過開展載荷電流、弓網(wǎng)壓力、碳滑板材質(zhì)、溫度等因素研究，得出載荷電流、接觸網(wǎng)毛刺等與機場線弓網(wǎng)異常磨耗相關(guān)的強關(guān)聯(lián)因素，并提出優(yōu)化碳滑板檢查及接觸線打磨更換周期，優(yōu)化電客車啟動及制動加速度等措施，有效緩解了弓網(wǎng)異常磨耗問題。

關(guān)鍵詞：弓網(wǎng)異常磨耗；碳滑板；載荷電流；弓網(wǎng)壓力

中圖分類號：U279.2" " 文獻標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）05-0062-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.016

0" " 引言

南京地鐵機場線全長37.3 km，其中地下段19.7 km、過渡段0.7 km、高架段16.9 km；共設(shè)置車站9座，其中地下站6座、高架站3座。地下線路采用剛性接觸網(wǎng)，高架線路及基地內(nèi)采用柔性接觸網(wǎng)。電客車受電弓為九方TSG18H型氣弓，采用摩根MY258A2型浸金屬碳滑板，尺寸為1 050 mm×60 mm×22 mm，含銅量30%，含碳量70%。自2020年2月至2023年4月，南京地鐵機場線每年冬季均發(fā)生弓網(wǎng)異常磨耗問題。車輛、供電分公司通過電客車受電弓、碳滑板以及接觸網(wǎng)等關(guān)聯(lián)設(shè)備檢查，碳滑板、接觸線打磨和更換，弓網(wǎng)取流與異常磨耗關(guān)系研究等措施，多管齊下，緩解了機場線弓網(wǎng)異常磨耗問題。

國內(nèi)外有很多學(xué)者研究了碳滑板材質(zhì)、環(huán)境、電流等對碳滑板磨損性能的影響。文獻[1]研究了浸金屬碳滑板和純碳滑板分別與不銹鋼和純銅接觸線對磨時的摩擦特性，表明浸金屬碳滑板在與純銅接觸線匹配時會出現(xiàn)粘著磨損，從而使磨損增加。文獻[2]建立了碳滑板的溫升有限元模型，通盤考慮了摩擦熱、焦耳熱和對流系數(shù)，發(fā)現(xiàn)碳滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線接觸時產(chǎn)生的熱量由于無法及時傳導(dǎo)，導(dǎo)致碳滑板上表面的溫度升高，并分析了碳滑板的溫度與其使用材料間的關(guān)系。文獻[3]分析了北京地鐵6號線的碳滑板異常磨耗情況，并對接觸網(wǎng)的拉出值、碳滑板的選型提出相應(yīng)建議。文獻[4]剖析了城市軌道交通弓網(wǎng)異常磨耗的成因，包括弓網(wǎng)材料、弓網(wǎng)接觸壓力、列車運行速度及環(huán)境等多方面因素，并提出了整改與預(yù)防措施。

1" " 異常磨耗概況

1.1" " 異常情況

自2020年2月中旬開始，機場線出現(xiàn)碳滑板異常磨耗情況，2021、2022年冬季前后再次出現(xiàn)異常磨耗現(xiàn)象，平均萬公里磨耗率約10 mm，檢查碳滑板日均磨耗率如圖1所示。異常磨耗導(dǎo)致的碳滑板表面溝狀磨耗位于出庫端右側(cè)拉出值約190 mm處，溝狀磨耗的寬度約80 mm。

通過下載車頂隨車視頻，查看得知正線受電弓運行時存在打火現(xiàn)象，打火主要集中在剛性接觸網(wǎng)區(qū)域，在上下行隧道區(qū)間均有弓網(wǎng)打火現(xiàn)象，其中出站提速區(qū)和區(qū)間高速運營時段弓網(wǎng)打火、拉弧情況較為明顯，柔性接觸網(wǎng)區(qū)段弓網(wǎng)打火現(xiàn)象相對剛性區(qū)段較少。

1.2" " 碳滑板檢查情況

檢查機場線歷年異常磨耗時的碳滑板狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)溝狀磨耗處均較為粗糙，溝狀磨耗內(nèi)存在大量凹坑、麻點。溝狀磨耗之間出現(xiàn)了犁溝狀劃痕，受電弓下方、空調(diào)機蓋等車頂多處發(fā)現(xiàn)散落的銅屑、銅粉。通過以上情況大致推斷碳滑板在與銅銀合金接觸網(wǎng)線相互摩擦?xí)r在大電流情況下表面浸金屬材料發(fā)生了電氣磨耗及機械磨耗，運行時碳滑板在弓網(wǎng)壓力的縱向作用力下表面形成了較明顯的溝狀磨耗。

1.3" " 接觸網(wǎng)檢查情況

經(jīng)檢查，車輛段庫內(nèi)部分柔性接觸線表面存在飛濺式銅質(zhì)熔點，應(yīng)當(dāng)是發(fā)生打火時碳滑板表面材料出現(xiàn)了熔融現(xiàn)象，飛濺至接觸線表面導(dǎo)致。正線部分接觸網(wǎng)剛性區(qū)段接觸線邊緣發(fā)現(xiàn)金屬毛刺、金屬拉絲、錨段關(guān)節(jié)拉弧等情況。

1.4" " 面臨供車壓力

一方面，機場線碳滑板異常磨耗情況導(dǎo)致的額外檢修任務(wù)給現(xiàn)場備件準(zhǔn)備工作造成了巨大壓力；另一方面，機場線即將與6號線貫通運營，貫通后一共計劃配置列車58列，按現(xiàn)有冬季碳滑板異常磨耗情況計算，屆時日檢班組的工作量及供車需求壓力將導(dǎo)致現(xiàn)場工作難以保質(zhì)保量完成，因此解決機場線碳滑板異常磨耗問題迫在眉睫。

2" " 異常磨耗關(guān)聯(lián)因素分析

南京地鐵主要從電客車、接觸網(wǎng)兩個角度進行分析，采用排除法一一排除無關(guān)因素，探究機場線碳滑板異常磨耗主要關(guān)聯(lián)因素。異常磨耗主要分為機械磨耗和電氣磨耗兩方面，異常的電氣磨耗會加劇機械磨耗。常見的異常磨耗關(guān)聯(lián)因素有載荷電流、碳滑板及接觸網(wǎng)材質(zhì)、列車運營速度、法向載荷（弓網(wǎng)壓力）、溫濕度等。

2.1" " 載荷電流

碳滑板的電氣磨損與受電弓載荷電流大小成正相關(guān)關(guān)系，而碳滑板與接觸線間產(chǎn)生的熱量與載荷電流的平方成正比，電流越大，碳滑板工作時表面溫度越高，導(dǎo)致碳滑板接觸面狀況惡化，最終造成磨耗加劇。

為驗證載荷電流與異常磨耗關(guān)聯(lián)性，2023年2月下旬，南京地鐵分別選取4列機場線電客車組織進行3種牽引制動力模式下的跑圖測試，試驗列車加速及制動時的弓網(wǎng)取流情況、測試數(shù)據(jù)分析如表1、圖2所示。

通過圖2可以得出，類型2對降低電流峰值效果最為明顯，類型1次之。對比正常牽引率模式，類型2降低電流值約27.7%，類型1降低電流值約21.1%。即降低牽引制動力的輸出值可以顯著降低載荷電流大小。

2.2" " 碳滑板材質(zhì)

浸金屬碳滑板是目前南京地鐵電客車主要使用的碳滑板材質(zhì)，此外業(yè)內(nèi)還有一種純碳材質(zhì)碳滑板，純碳滑板相對于浸金屬碳滑板具有密度低、質(zhì)量輕等特點，能提高碳滑板與接觸網(wǎng)的隨網(wǎng)性；另外純碳滑板硬度更高，相較浸金屬滑板更耐機械磨耗。南京地鐵寧溧城際、寧高城際兩條城際線路也曾因異常磨耗現(xiàn)象換裝純碳滑板進行試用，使用情況良好。自碳滑板異常磨耗發(fā)生以來，機場線積極與摩根、崇德、九方等廠家溝通，探討碳包鋁型碳滑板、磁性滅弧型碳滑板、除冰型碳滑板等新型碳滑板試裝的可行性。

1）碳包鋁滑板。該滑板沿用原機場線MY258A2-

PS8187型滑板相同碳材料及安裝接口，但取消了鋁制包邊設(shè)計。一是可以有效提高碳滑板可磨耗厚度；二是可以有效降低碳滑板整體重量，提升受電弓弓頭隨網(wǎng)性；三是可以有效避免電弧對碳滑板鋁托架的傷害。

2）磁性碳滑板。在機場線原型號碳滑板基礎(chǔ)上，通過在碳滑板內(nèi)植入永磁磁條，形成保護磁場，磁場通過磁力改變電弧方向，使電弧拉長，可抑制電弧的形成，提高碳滑板冬季使用壽命（但不會改變碳滑板的正常磨耗速度，如夏季的磨耗），提升碳滑板可靠性。

3）除冰碳滑板。機場線冬季高架區(qū)段接觸網(wǎng)易發(fā)生覆冰的情況。當(dāng)觸網(wǎng)上形成不均勻的冰膜時，會造成接觸線和碳滑板之間電接觸中斷或產(chǎn)生大量電弧。針對該情況，在機場線試用除冰碳滑板，即在原有滑板的表面嵌入銅條，通過由銅合金材料制成的除冰銅條依靠機械方式除去接觸網(wǎng)上的積冰，增加碳滑板除冰效率，減少因覆冰帶來的電氣磨耗。但該變動可能會導(dǎo)致碳滑板重量上升，同時增加接觸網(wǎng)磨耗速度。

碳包鋁滑板已在機場線試用一年時間，因為其可磨耗厚度的提高，在一定程度上延長了碳滑板的更換周期，減輕了現(xiàn)場工作壓力，但能否解決異常磨耗問題還需進一步驗證；除冰碳滑板也已在機場線試裝，經(jīng)檢驗，除冰效果良好，但裝備除冰滑板的電客車不能參與運營，需回庫后更換普通碳滑板才可上線載客，降低了電客車的使用效率。

2.3" " 弓頭質(zhì)量

弓頭質(zhì)量及轉(zhuǎn)動靈活程度會影響受電弓動態(tài)跟隨性，避免因弓頭原因?qū)е绿蓟瀹惓Ｄズ?。加強弓頭自由度檢查，保證弓頭轉(zhuǎn)動靈活、無卡滯，同時降低弓頭質(zhì)量，提高隨網(wǎng)性也是減少碳滑板磨耗的重要手段。經(jīng)檢查，機場線電客車弓頭轉(zhuǎn)動靈活，但弓頭質(zhì)量仍有優(yōu)化空間。弓頭羊角采用鑄造鋁合金弓角，弓頭托架部位零件較多，結(jié)構(gòu)較重?？煽紤]將現(xiàn)有托架更換為懸承托架（弓頭彈片、平行導(dǎo)向板）形式，減輕弓頭質(zhì)量，提高隨網(wǎng)性。

2.4" " 弓網(wǎng)壓力

弓網(wǎng)壓力是影響碳滑板磨耗的關(guān)鍵因素，根據(jù)EN 50367—2020《鐵路應(yīng)用設(shè)施 集流系統(tǒng) 導(dǎo)電弓架和架空線之間交互作用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求，弓網(wǎng)壓力值正常的范圍區(qū)間為（120±10）N，弓網(wǎng)壓力過小會提高碳滑板的離線率，導(dǎo)致滑板與接觸線接觸不良，進而產(chǎn)生電弧，強烈的電弧放電會導(dǎo)致碳滑板表面產(chǎn)生高溫，增加電氣磨耗。而在一定范圍內(nèi)增加弓網(wǎng)壓力，可以抑制受電弓弓頭的振動，減少離線率，降低電氣磨耗，從而減少碳滑板的磨耗；反之，弓網(wǎng)壓力過大則會導(dǎo)致碳滑板與接觸網(wǎng)的機械磨耗加劇，也會導(dǎo)致碳滑板壽命縮短。因此，需合理調(diào)整弓網(wǎng)壓力的大小，以平衡好電氣磨耗與機械磨耗的關(guān)系。

2023年2月上旬開始，機場線選取8列電客車，分別將各電客車奇數(shù)單元弓網(wǎng)壓力調(diào)整至110 N，偶數(shù)單元弓網(wǎng)壓力調(diào)整至130 N，并開始跟蹤碳滑板磨耗率。跟蹤至4月下旬，暫未發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)壓力與磨耗率間的關(guān)聯(lián)性。

2.5" " 溫度

通過連續(xù)統(tǒng)計機場線所在地區(qū)1月至3月的氣象溫度（圖3），發(fā)現(xiàn)碳滑板磨耗與最低氣溫變化有很大關(guān)聯(lián)。當(dāng)日最低氣溫連續(xù)多日高于4 ℃時，碳滑板異常磨耗情況有所改善；當(dāng)日最低氣溫連續(xù)多日低于4 ℃時，所統(tǒng)計的碳滑板磨耗量明顯增加；當(dāng)日連續(xù)多日最低氣溫低于0 ℃時，所統(tǒng)計的碳滑板萬公里磨耗率普遍高于10 mm。另外，統(tǒng)計南京地鐵全線網(wǎng)碳滑板磨耗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)郊區(qū)高架線路碳滑板磨耗速率普遍較快，尤其是在冬季會有所上升，與溫度存在一定關(guān)聯(lián)。

2.6" " 接觸網(wǎng)病害

由接觸網(wǎng)導(dǎo)致的弓網(wǎng)異常磨耗主要有接觸線毛刺、拉絲、拉出值、硬點、錨段關(guān)節(jié)、導(dǎo)高值等因素，根據(jù)車輛與供電分公司聯(lián)合檢查的情況來看，機場線接觸網(wǎng)呈“之”字型分布，拉出值區(qū)間為±200 mm，正線部分區(qū)段接觸網(wǎng)存在毛刺及少量拉絲現(xiàn)象。

根據(jù)檢查情況，南京地鐵重點加強了道岔部位及錨段關(guān)節(jié)、分段絕緣器、剛?cè)徇^渡段等接觸線重點部位磨耗情況的檢查；并結(jié)合電客車車載弓網(wǎng)監(jiān)測裝置觀察弓網(wǎng)的運行狀態(tài)，定期監(jiān)測打火區(qū)段接觸網(wǎng)設(shè)備零部件有無斷裂、拉弧、松動等異常情況，對磨耗嚴(yán)重的接觸網(wǎng)錨段進行提前更換處理。

3" " 優(yōu)化措施及建議

根據(jù)機場線碳滑板異常磨耗研究情況，并綜合與上海、蘇州等軌道行業(yè)專家交流情況，南京地鐵機場線采取以下幾點措施來抑制弓網(wǎng)異常磨耗，并取得一定成效。

一是縮短碳滑板檢查周期，提高檢查頻率。根據(jù)往年慣例，每年11月至次年3月，機場線縮短受電弓檢查周期，提高碳滑板檢查頻率，同時綜合人力、物料成本、安全運營等角度適當(dāng)提高碳滑板更換標(biāo)準(zhǔn)，增加可磨耗厚度安全冗余。

二是針對列車加速及制動加速度較大會導(dǎo)致電流過大的測試結(jié)果，結(jié)合線網(wǎng)各站的客流特性、線路條件等情況，優(yōu)化列車運行類型圖設(shè)置，避免列車大牽引、大制動運行。同時，合理安排列車的發(fā)車間隔，適當(dāng)降低在站列車啟動及制動加速度。必要時可考慮通過采取切除個別動車牽引等限流措施，限制大電流導(dǎo)致的碳滑板工作面高溫。

三是加強對接觸網(wǎng)的檢查及維護，通過使用車載弓網(wǎng)監(jiān)測裝置對接觸網(wǎng)進行監(jiān)控，對接觸網(wǎng)上的金屬毛刺、拉絲等重點異常點位進行精細(xì)化打磨處理。同時，通過弓網(wǎng)監(jiān)測裝置排查出接觸網(wǎng)高溫區(qū)段，對該區(qū)段的接觸線進行重點檢查并打磨。

4" " 結(jié)束語

碳滑板與接觸網(wǎng)的異常磨耗是一個多重因素影響的難題，除涉及電客車自身外，還與接觸網(wǎng)拉出值、導(dǎo)高、接觸線表面狀態(tài)、軌道振動等多方面因素息息相關(guān)，南京地鐵從弓網(wǎng)載荷電流、弓網(wǎng)壓力、新型碳滑板應(yīng)用、接觸網(wǎng)狀態(tài)等角度出發(fā)，多管齊下，緩解了機場線電客車碳滑板異常磨耗問題。后期將繼續(xù)采取常態(tài)化碳滑板檢查、接觸網(wǎng)監(jiān)控等措施，強化車輛部門及供電部門的聯(lián)動機制，共同努力，使南京地鐵機場線電客車弓網(wǎng)關(guān)系進入良性循環(huán)。

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收稿日期：2024-12-04

作者簡介：曹寧（1992—），男，江蘇南通人，工程師，研究方向：地鐵電客車車輛維修方向。