剛性接觸網異常磨耗分析和改進措施

辛陽

摘要：剛性接觸網在城市軌道交通的普遍應用，以其結構簡單、便于安裝維護，得到設計單位、建設者、運營商的廣泛應用，成為地鐵接觸網的首選。但應用中經常發現異常磨耗，受電弓碳滑板磨耗不均勻問題，對地鐵的安全運營造成嚴重影響。本文結合實例對剛性接觸網異常磨耗進行分析，并提出相關措施。

關鍵詞：剛性接觸網;磨耗;措施

1弓網異常磨損的主要表現方式

1.1中心偏磨型磨耗

中心偏磨型磨耗主要是受電弓滑板中心段磨損比較嚴重，越是靠近弓角邊緣，被磨損的程度就會越小，而且在兩端，100mm尾端段接觸面部位受到磨耗的概率并不高。在接觸表面，磨耗表面以殘月狀為主。而凹陷的具體情況，會對受電弓滑板的運用時間具有決定性作用。

1.2波浪形磨耗

波形型磨耗主要是磨耗不規則的分布在受電弓滑板中，從而導致滑板表面存在不平整的情況。

1.3裂紋型磨損

裂紋型磨損主要是接觸懸掛的導高變化，會造成弓網之間的機械連接出現故障，快速運轉的受電弓滑板會受到機械的沖擊，造成受電弓滑板會因為受到大范圍的磨損而形成裂紋，甚至本體受力結構會遭到破損，而且一些滑板會在滑板處滑落。

2剛性接觸網異常磨耗分析和改進措施

某地鐵2號線開通運營11個月后，發生弓網磨耗異常故障，在碳滑板左右側距中心線230～250mm位置出現磨損嚴重的坑槽，坑槽處磨損面粗糙并伴有銅粉附著。故障初期，接觸網專業開展多輪全線排查、冷滑及網檢，未發現接觸網有結構參數變化、硬點和異物懸掛等異?，F象，接觸網狀態正常。由于碳滑板坑槽對接觸線的磨損，使接觸線對應位置處出現側磨和裹線等現象，并逐步加重，使弓網磨損進一步加劇，碳滑板壽命降低到6～7d。對弓網磨耗影響因素的分析，提出將剛性接觸網正弦波調整為之字形的解決方案，并成功實施和解決了2號線的弓網異常磨耗故障。

2.1異常磨耗原因分析

2.1.1分析思路

根據行業內的研究，壓力、速度、電流、材料等因素是弓網磨耗的根本因素，而溫度則是直接因素，磨耗和溫度呈正相關關系?？梢詮闹苯右蛩販囟群吞蓟鍖囟鹊哪褪苄匀タ紤]，從降低碳滑板溫度或提高溫度耐受性的角度去解決問題。溫度的變化是需要時間的，溫度和時間必然是關聯的。列車運行中，弓網是點接觸，對應碳滑板上某個位置與接觸線接觸時升溫，分離時冷卻，升溫時間th和冷卻時間tc必然影響著接觸點的溫度。

2.1.2溫度的相關因素

從弓網接觸時間去考慮，溫度變化和接觸網的拉出值波形及線路長度有一定的關系。碳滑板的材質對溫度也有一定影響。

2.1.3接觸網拉出值波形的分析

目前接觸網拉出值的波形布置有兩種：正弦波和之字形。柔性接觸網一般為之字形布置，剛性接觸網有正弦波和之字形兩種。它們的區別主要在于波峰（一般為250mm）向線路中心線的彎曲半徑，正弦波彎曲半徑大，而之字形彎曲半徑小。無論什么波形，波峰處弧線的拉出值變化幅度都較小。正弦波在波峰處由于彎曲半徑大，與碳滑板對應位置的連續接觸時間相對長一點;而之字形由于彎曲半徑小，波峰處弧線與碳滑板對應位置的連續接觸時間相對短一點。

碳滑板的異常磨耗坑槽出現在左右230～250mm位置，和接觸網波峰弧線的拉出值相對應，說明異常磨耗和接觸網拉出值波形有一定的關聯。但也有很多地鐵線路為正弦波布置，卻未發生弓網異常磨耗，而且2號線弓網異常磨耗也不是剛開通運營時就有的，說明接觸網拉出值波形不是異常磨耗的必然因素，只是相關因素。

2.1.4剛性接觸網長度的分析

全線接觸網是由一個個錨段連接而成的。列車運行中，碳滑板經過一個錨段的溫度變化是有限的，但每經過一個錨段就會提升一點溫度ΔT，隨著運行溫度不斷升高。線路越長，錨段越數多，越容易產生高溫。

柔性接觸網一般為之字形布置，在230～250mm位置與碳滑板接觸時間短，且相對剛性接觸網有較好的彈性，與碳滑板的摩擦系數較小，因此不容易造成異常磨耗。所以對異常磨耗有影響的線路長度主要是指剛性接觸網長度。

2.1.5碳滑板材料分析

2號線采用的是浸金屬碳滑板（75%碳+25%銅），碳是非金屬，銅是金屬，它們的親和性不會很好，與溫度相關的物理參數（比熱容、導熱率、膨脹系數、熔點等）有較大差異。隨著列車的運行，碳滑板不斷吸收熱量，由于銅的比熱容小，相對碳而言升溫會更快更高;同時碳的導熱率較小，銅的熱量則不容易散出;高溫會導致膨脹，而銅的膨脹系數較碳大很多，銅會從碳的孔隙中析出，改變局部微觀結構;高溫還會導致銅軟化，甚至液化、氣化，會降低粘結劑的粘結力。因此高溫會引起碳滑板物理化學性能的改變，會導致其耐磨性能的下降。

由于溫度對材料耐磨性能的影響，必然會存在一個臨界溫度Tf，在溫度<Tf時碳滑板的耐磨性能較好相對穩定，當溫度≥Tf時，碳滑板的耐磨性能開始下降。對于碳滑板而言Tf值越高越不容易發生異常磨損。

浸金屬碳滑板的材料成分（碳、銅、粘結劑及其他添加材料）及其含量比例，以及制造工藝、結構尺寸都會影響碳滑板的Tf值、耐磨性、耐熱性、散熱性、摩擦系數及接觸電阻等特性。

2.1.6異常磨耗的機理

由于剛性接觸網正弦波波形布置，碳滑板在230～250mm位置與接觸線持續接觸時間較長，使該處吸收熱量較多，溫度上升;駛離該區段則溫度開始下降，由于冷卻介質是空氣，冷卻效果有限，冷卻時間又不夠長，冷卻的溫度低于上升的溫度。每經過一個接觸網錨段，溫度會上升一點，運行距離越長上升的溫度越高。隨著摩擦系數和電弧頻率的變大，經過每個錨段上升的溫度ΔT也變大，較長的剛性接觸網線路使碳滑板230～250mm處的局部溫度TB最終超過了碳滑板耐磨性能的臨界溫度Tf值。

碳滑板Tf值低，運行時溫度容易超越，此時其中的銅會膨脹軟化，膨脹軟化的銅會從碳的孔隙中析出，造成局部摩擦系數增大，且和同樣材質的接觸線（以銅為主）有更好的親和性，從而吸附轉移到接觸線上，導致碳滑板接觸點處只留下有孔隙的碳層，耐磨性能下降。吸附轉移到接觸線上的銅冷卻后形成銅粉顆粒，在后續列車經過時回落到碳滑板，產生磨粒摩擦，更加加劇碳滑板的磨損，同時也加劇了接觸線的磨損。升溫過程中，碳滑板局部間較大的溫差及膨脹率，會在內部產生熱應力，嚴重情況下甚至會導致邊緣處崩塊。

3改進措施

3.1解決方案

根據上述分析，解決方案有兩種：降溫法和提升Tf法（表1）。

3.2方案分析

將剛性接觸網拉出值波形由正弦波調整為之字形，主要是通過縮短升溫時間th并延長冷卻時間tc，使經過每個錨段的溫升ΔT降低，從而降低230～250mm位置碳滑板溫度TB的上升速度，使TB在運行期間無法升到Tf，從而保持碳滑板的耐磨性能，恢復弓網關系。

4結語

異常磨耗極大地影響了地鐵的安全運營與維護，在局部磨耗治理中，要在前期設計、施工中嚴格把控各環節，運營維護中加強磨耗監控，對車輛、軌道、接觸網多方面跟蹤，總結歸納，查找原因，提前處理。

參考文獻

[1]地鐵架空剛性接觸網弓網系統運行特征分析[J].盛良，趙立峰，張文軒，楊志鵬.現代城市軌道交通.2019（08）

[2]地鐵接觸網常見故障及對策分析[J].楊立.城市建設理論研究（電子版）.2019（07）