地鐵剛性接觸懸掛弓網磨耗問題研究

王 劍

(福州市城市地鐵有限責任公司 福州 350000)

剛性接觸懸掛自在廣州地鐵2號線第1次應用后，因其具有結構緊湊、無斷線隱患、費用較低、安裝維護方便等特點，現已成為我國地鐵地下線路的接觸網首選類型。從已運營的剛性接觸懸掛系統來看，較多地存著接觸線磨耗不均勻、受電弓不規則磨耗、局部接觸線磨耗率大等問題。這些磨耗問題，不僅會使弓網關系變差，影響著受流質量，而且還會縮短接觸線和受電弓的使用壽命，增加運營維修成本。

1 弓網磨耗的原因分析

1.1 拉出值分布密度呈非正態分布使受電弓不規則磨耗

從弓網關系良好運行的角度而言，受電弓滑板工作面被磨耗后的理想形狀應為光滑的曲線形狀［1］，如圖1所示。為達到圖1所示的受電弓滑板磨耗形狀，要求接觸線拉出值的分布密度服從正態分布，如圖2所示。

圖1 受電弓滑板磨耗理想狀況

圖2 拉出值分布密度的正態形分布

因設計、施工等原因，剛性懸掛接觸線拉出值的實際分布密度不服從正態分布，而是呈現波紋狀，圖3為網軌檢測車測量的接觸線拉出值分布情況［2］。受電弓滑板不同位置與接觸線相互接觸的概率相差較大，對應于波峰的受電弓滑板位置，與接觸線相互接觸的次數較多，其磨耗也就較大;而對應于波谷的受電弓滑板位置，與接觸線相互接觸的次數較少，其磨耗也就較小。這樣，隨著運行時間的增長，受電弓滑板就會出現凹凸不平的不規則磨耗情況。

圖3 網軌檢測車測量的接觸線拉出值分布

1.2 接觸網布置方式造成受電弓滑板工作端部磨耗較大

剛性接觸網一個錨段范圍內按正弦波形布置，考慮接觸線工作面磨耗情況，接觸線與受電弓相互接觸的關系如圖4所示。

因接觸線工作面寬度遠小于錨段長度，故接觸線距受電弓中心的距離為［3］:

圖4 接觸線與受電弓相互接觸的示意

式中:a——接觸線距受電弓中心的距離，mm;

A——接觸線的設計最大拉出值，mm;

L——錨段長度，mm;

B——接觸線工作面寬度的一半，mm。

因正弦波形具有對稱性，故只取1/4波形進行分析。

根據圖4和式(1)可得出，與受電弓滑板中心相距為a的滑板位置，其與接觸線相互接觸的長度為當0≤a＜(A－B)時，有

例如，某直線區段，錨段長度L=240000 mm，接觸線的設計最大拉出值A=200 mm，接觸線經磨耗后工作面寬度為8 mm(即B=4 mm)，則在1/4錨段長度范圍內:

1)受電弓滑板中心位置(即a=0)，其與接觸線相互接觸的長度為

2)與中心相距200 mm的受電弓滑板位置(即a=200 mm)，其與接觸線相互接觸的長度為

亦即，與中心相距200 mm的受電弓滑板位置與接觸線相互接觸的長度，約為滑板中心位置與接觸線相互接觸長度的5倍。

因此，受電弓滑板工作端部(其與中心的距離約為接觸線設計最大拉出值)因與接觸線相互接觸的長度較長，磨耗也就較大，經長時間運行后，甚至會形成相對較深的凹槽。

1.3 懸吊結構剛度大造成個別部位弓網磨耗加大

受電弓運行時，因其高度發生變化會產生慣性力Pa;受電弓發生高度變化時，其自身結構還會產生相應的摩擦力Pm;另外，空氣動力Pk也將作用在運行中的受電弓上［4］。

式中:P——弓網間接觸壓力，N;

P0——受電弓靜態壓力，N;

Pm——受電弓鉸接處的摩擦阻力，N;

Pa——受電弓慣性力，N，由受電弓歸算質量及垂直加速度決定;

Pk——作用在受電弓上的空氣動力，N。

在列車運行時，弓網間的接觸壓力是變化的，且隨著運行速度的提高，接觸壓力的最大值和變化幅度也隨之增大。運行速度為80 km/h時接觸線和受電弓滑板機械磨耗的檢測數據見表1、圖5～圖6［5］。隨著接觸壓力的增大，接觸線和受電弓滑板的機械磨耗加大，且接觸線磨耗比的增加率要比受電弓滑板磨耗比的增加率大。

表1 接觸線和受電弓滑板的機械磨耗比

圖5 接觸線機械磨耗比與接觸壓力的關系

圖6 受電弓滑板的機械磨耗比與接觸壓力的關系

當車輛運行至錨段關節、線岔、分段絕緣器等處時，受電弓將由單支懸掛接觸到雙支懸掛，或接觸到單個集中荷載。由于懸吊結構剛度很大、彈性近乎為零，受電弓所受的接觸壓力和沖擊力沒法得到緩解，從而可能出現弓網間接觸壓力的峰值，使得這些部位接觸線的機械磨耗偏大。

1.4 電接觸不良引起弓網電氣磨耗

受電弓是通過與接觸線相互滑動接觸取得電能的。從微觀來看，弓線間的接觸區域呈現出凹凸不平面(見圖7)，電流傳輸是通過接觸界面的導電斑點由接觸線流向受電弓滑板(見圖8)。

圖7 弓線接觸面微觀示意

圖8 弓線間導電斑點示意

弓線間電接觸的重要表征參數——接觸電阻為［6］

根據電位-溫度理論，弓線間接觸點的溫升為

式中:R——弓線間的接觸電阻;

ρ1、ρ2——分別為接觸線和受電弓滑板材料的電阻率;

H——受電弓滑板和接觸線兩者中較軟材料的接觸硬度;

P——弓線間接觸壓力;

n——弓線間接觸界面的導電斑點數目;

θ——弓線間接觸點溫升;

U——接觸壓降;

λρ——滑板與接觸線材料的熱導率與電阻率乘積的平均值;

I——通過接觸點的電流。

由式(6)可知，弓線間接觸電阻取決于受電弓和接觸線的材料性能、導電斑點數目、接觸壓力。

已投運的地鐵線路，弓線間電接觸不良會導致接觸電阻增大，電流流過時產生的焦耳熱使接觸點局部區域的溫度升高，對受電弓滑板和接觸線產生較大的電氣磨耗，嚴重時會燒損滑板和接觸線。

1)接觸線因制造、施工、運行等原因會產生不同程度的不平順性;受電弓滑板因拉出值呈波紋狀分布會產生不規則磨耗;剛性懸掛剛度大而彈性很小，在減振、變坡等區段，受電弓滑板因振動、晃動而引起跟隨接觸線的性能變差。這些情況會導致弓線間的實際導電斑點數目大為減少，或接觸壓力變小，使接觸電阻增大，弓線間接觸點的溫升較大，當車輛取流大時，甚至會形成電火花。

2)隨著運行時間的增長，在弓網間復雜的振動下，因施工、材質等原因，匯流排中間接頭可能會發生螺紋滑牙，匯流排定位線夾可能會與絕緣子發生松脫等［7］。在這些部位會形成剛性接觸網的硬點，受電弓通過時，不但會產生較大的機械磨耗，而且受電弓滑板因受硬點沖擊還可能發生離線，使弓線間接觸點的溫升急劇上升，形成電火花，甚至出現拉弧。

1.5 電壓差引起弓網電氣磨耗

剛性接觸網在正常運行時，其越區隔離開關分閘，由相鄰的牽引變電所雙邊供電。牽引變電所饋線向接觸網供電的示意見圖9。

圖9 牽引變電所饋線供電示意

根據圖9所示，絕緣錨段關節兩端上網點處的電壓分別為:

式中:U1、U2——分別為絕緣錨段關節兩端上網點處的電壓;

U——牽引變電所正極母線電壓;

I1、I2——分別為牽引變電所饋線電流;

R1、R2——分別為牽引變電所至接觸網上網點的饋線電阻;

在實際運行中，R1、R2、I1、I2不盡相同，尤其是 I1、I2有時相差較大，則在絕緣錨段關節處會形成一個電壓差 ΔU，其值為:ΔU =。當受電弓滑板在短接兩個供電臂的瞬間，在短接處會產生電火花或電弧，對接觸線和受電弓滑板造成電氣磨耗。

同理，在分段絕緣器處也會形成一個電壓差，在取流轉換的瞬間，受電弓滑板和分段絕緣器因電火花或電弧而產生電氣磨耗。

2 弓網磨耗的改善措施及建議

2.1 綜合考慮剛性接觸網的布置

在進行剛性接觸網設計時，要對整條線的接觸網布置進行綜合考慮。應重點注意:1)在低速區段，接觸線拉出值適當減小，錨段長度適當增大;在高速區段，則接觸線拉出值適當增大，錨段長度適當減小。2)全線接觸線拉出值的分布密度應呈正態形分布。3)剛性接觸網的懸掛跨距宜為6～8 m，不應大于10 m。4)在變坡區段，根據車輛的運行速度，接觸線的坡度宜為2‰～5‰。5)合理確定匯流排懸臂的長度，減小匯流排的變形。

2.2 采用彈性絕緣子降低懸吊結構等效剛度

剛性接觸網懸吊結構的等效剛度較大，受電弓在運行中的上下震動不能得到緩沖或釋放，會加大弓線間的機械磨耗或電氣磨耗，因此應根據線路與剛性懸掛安裝的具體情況(如直線段、小曲線半徑段、減震道床區段、變坡區段、道岔處、錨段關節處等)，懸吊結構分別采用不同的等效剛度。

當懸吊結構等效剛度為原來的1/1000時，弓線間接觸性能的改善效果較為明顯。螺栓與槽鋼對懸吊結構等效剛度的影響較小，絕緣子的彈性模量對懸吊結構等效剛度的影響最大［8］。因此，可采用橡膠彈性絕緣子來有效降低懸吊結構的等效剛度，增加懸吊結構的彈性。

2.3 選擇相匹配的受電弓

接觸網和受電弓是一個系統整體，不同運行速度的線路要有與之相適應的接觸網類型及參數，同時也要求應有與接觸網類型相匹配的受電弓。

就提高弓網接觸性能、減小弓網間磨耗而言，受電弓的靜態接觸壓力應為100～140N，受電弓框架應為氣囊懸掛方式，弓頭質量應比較小，弓頭結構應保證聯動的滑板能可靠地與接觸線相接觸，滑板材料的電阻率應較小。

在同一條線路上，最好使用同一種滑板，如果混合使用不同材質的滑板，將形成不同的接觸線表面結構，會使接觸線和滑板的磨損率明顯加劇。

平時加強受電弓的檢查，當碳滑板凹凸超過1～2 mm時，及時進行打磨，使其工作面平滑。

2.4 精心進行接觸網施工和檢修

剛性懸掛接觸網的安裝精度要求高、調節范圍小，要嚴格控制每一道工序的施工質量。在進行施工安裝時，應重點注意:

1)短匯流排安裝位置應靠近懸掛定位點，避免放于跨中位置，最好使定位點位于短匯流排中部。

2)匯流排中間接頭盡可能靠近懸掛定位點，避免處于或靠近跨中，也應避開處于懸掛定位線夾位置。

3)中心錨結時兩端錨結繩的張力應一致，且不能使錨固點出現負弛度。

4)對于錨段關節、線岔、分段絕緣器、剛柔過渡等處，要保證受電弓的過渡平滑。

5)接觸線工作面應平行于兩軌面連線。

6)一個錨段的接觸導線，中間不得有接頭。

7)按規定力矩要求進行螺栓緊固。

在接觸網日常檢修時，應重點加強對緊固件的檢查，特別是對匯流排中間接頭、匯流排定位線夾與絕緣子連接的檢查;重點測量和檢查錨段關節和線岔兩網轉換處接觸線的磨耗情況;檢查分段絕緣器接頭平滑過渡狀況，以及有無電氣燒傷痕跡。

接觸網專業平時應加強與軌道專業的溝通聯系。接觸網參數與軌道參數關系密切，軌道的超高略有改變，或起撥道床時，對接觸線的高度及接觸線的工作面都將產生影響，尤其對錨段關節和線岔處兩接觸線的高差影響大，如不及時跟隨調整，可能會發生接觸線偏磨、打弓和拉弧現象。

3 結語

弓網之間是一個既有機械聯系又有電氣聯系的耦合整體，筆者從剛性接觸懸掛布置以及弓網電接觸等方面，對弓網磨耗問題產生的原因進行了分析，并進而提出了一些改善措施及建議。剛性接觸懸掛在我國的實際應用起步較晚，隨著應用工程的增多，出現的技術問題也將會更多、更為復雜，需要同行們不斷努力加以研究和解決。

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［7］駱志勇.剛性接觸網在運營中出現的問題及解決方案［J］.都市快軌交通，2006，19(4):84 －86.

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