關(guān)于深圳地鐵5號線鋁合金弓角開裂原因分析及措施建議

摘 要 針對深圳5號線受電弓鋁合金弓角開裂問題，從弓角開裂原因、解決措施，再到弓角材料對接觸網(wǎng)磨耗影響等方面進(jìn)行說明，得出焊接結(jié)構(gòu)的鋁合金弓角不宜應(yīng)用于剛性懸掛的接觸網(wǎng)及剛性接觸網(wǎng)下建議采用碳鋼弓角或強(qiáng)度更高的不銹鋼弓角的結(jié)論。

關(guān)鍵詞 弓角 碳滑板 接觸網(wǎng) 沖擊振動

一、現(xiàn)狀

2011年8月，上線運(yùn)行6個月左右的深圳地鐵5號線車輛用TSG18E型受電弓鋁合金弓角出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。經(jīng)全面普查，交車上線運(yùn)行的160個鋁合金弓角中，有20個左右出現(xiàn)開裂。開裂位置都是在滑板支架（材料為5A06-0）與連接板（材料為6082T6，原板厚為6㎜）的焊縫熱影響區(qū)，且裂紋沿著焊縫邊緣（熔合線）擴(kuò)展；如圖1、圖2所示。

二、鋁合金弓角開裂原因

（一）焊縫質(zhì)量問題

為更好的分析產(chǎn)品開裂原因，受電弓生產(chǎn)廠家南車株機(jī)對現(xiàn)有的已焊產(chǎn)品焊縫進(jìn)行了破壞性試驗。宏觀金相圖片顯示：焊縫母材均有熔深，但有根部未熔合的現(xiàn)象，如圖3、圖4所示。

（二）材料的選擇

根據(jù)BS EN 755-2-2008《鋁和鋁合金擠出桿材及棒材管材和型材機(jī)械性能開裂連接板》表47，可知材料6082T6高強(qiáng)度鋁合金具有很高機(jī)械強(qiáng)度，如上表所示。根據(jù)以往工作試件測試經(jīng)驗，鋁合金材料焊接之后，焊縫強(qiáng)度約為母材強(qiáng)度的60%～65%左右，且增加了材料的脆性，這導(dǎo)致其抗疲勞能力也相應(yīng)的減弱。

（三）接觸網(wǎng)問題

深圳1號線采用柔性網(wǎng)供電，受電弓弓頭采用鋁合金弓角，運(yùn)用超過20個月，沒有發(fā)生開裂等問題。

深圳5號線隧道內(nèi)為剛性網(wǎng)，隧道外為柔性網(wǎng)，受電弓弓頭采用鋁合金弓角，上線正式運(yùn)用僅3個月，已發(fā)生20個左右弓角開裂的現(xiàn)象。

車輛運(yùn)行時，當(dāng)接觸網(wǎng)采用柔性接觸網(wǎng)時，受電弓運(yùn)用時產(chǎn)生的弓網(wǎng)間的沖擊振動能被接觸網(wǎng)柔性懸掛系統(tǒng)及受電弓本身的彈性元件所吸收，這樣受電弓收到的沖擊與振動相對于剛性接觸網(wǎng)就較小；

當(dāng)接觸網(wǎng)采用剛性接觸網(wǎng)，受電弓運(yùn)用時會受到來自于接觸網(wǎng)的高頻沖擊振動，部分沖擊加速度甚至超過50g。由于接觸網(wǎng)采用剛性懸掛，無法緩沖吸收沖擊振動產(chǎn)生的高頻破壞力，此力完全被受電弓緩沖吸收。這就要求受電弓的結(jié)構(gòu)件具有非常高的強(qiáng)度及韌性，以緩沖吸收弓網(wǎng)之間的沖擊力。

三、解決措施

經(jīng)上述原因分析，南車株機(jī)認(rèn)為導(dǎo)致弓角開裂的主要原因是由于剛性懸掛接觸網(wǎng)下此結(jié)構(gòu)的鋁合金弓角強(qiáng)度不夠。為更好的解決此問題，南車株機(jī)根據(jù)受電弓應(yīng)用經(jīng)驗建議將焊接結(jié)構(gòu)弓角材料由鋁合金更改為強(qiáng)度較高的碳鋼。

（一）受電弓弓角設(shè)計依據(jù)及作用

根據(jù)UIC 608-2003《國際聯(lián)運(yùn)用電力機(jī)車和電力動車受電弓應(yīng)遵循的條件》，要求受電弓弓角包絡(luò)線應(yīng)平滑，保證接觸網(wǎng)平滑過渡到碳滑板中心。

受電弓弓頭由碳滑板及弓角兩部分組成，碳滑板主要是用來集取接觸網(wǎng)電流，使用過程中接觸網(wǎng)主要集中在碳滑板中心€？50mm的范圍內(nèi)工作；弓角的作用主要是保證機(jī)車通過道岔時，受電弓能夠平穩(wěn)通過接觸網(wǎng)的交叉點(diǎn)，避免出現(xiàn)接觸網(wǎng)掛受電弓的現(xiàn)象。

（二）受電弓弓角采用材料的現(xiàn)狀

目前，國際上地鐵受電弓的廠家主要有 Siemens Melecs公司、Schunk公司及Stammenn公司。

Siemens Melecs受電弓弓角材質(zhì)采用碳鋼Q235A，國內(nèi)外具有廣泛的應(yīng)用業(yè)績；

Schunk 公司的受電弓弓角在國內(nèi)主要采用鋁合金材料；

Stammenn公司受電弓供應(yīng)國內(nèi)的受電弓弓角主要為鋁合金材料。

四、弓角材料對接觸網(wǎng)磨耗影響的分析

考慮到用戶擔(dān)心碳鋼弓角對接觸網(wǎng)磨損嚴(yán)重，現(xiàn)說明如下：

（一）廣州地鐵弓角的使用現(xiàn)狀

經(jīng)咨詢廣州1號線及廣州2號線供電接觸網(wǎng)技術(shù)人員，其表示廣州1號線（碳鋼材料弓角）自1997年上線運(yùn)行以來，還沒有整體更換過接觸網(wǎng)，在近幾年的使用中，只是在廣州東站附近更換過一個鉚段的接觸網(wǎng)，但更換的原因與受電弓弓角材料無關(guān)；廣州2號線（鋁合金材料弓角，與深圳地鐵一號線受電弓相同）自2003年開通以來，先后更換了十多個鉚段的接觸網(wǎng)，其表示與受電弓弓角材料也無關(guān)。用戶表示接觸網(wǎng)的更換頻次主要與接觸網(wǎng)的布置、接觸網(wǎng)的懸掛方式及受電弓與接觸網(wǎng)的動態(tài)跟隨性有關(guān)。

（二）理論分析

根據(jù)實驗室數(shù)據(jù)，鋼對銀銅導(dǎo)線的磨耗率為：0.028～0.042mm2/萬弓架次，分別以平均磨耗值0.035mm2/萬弓架次及最大磨耗值0.042mm2/萬弓架次計算接觸網(wǎng)使用壽命。

接觸網(wǎng)導(dǎo)線斷面允許磨耗量為33%，如果采用110型銀銅導(dǎo)線，即接觸導(dǎo)線斷面允許磨耗量為36.3mm2。

如果深圳地鐵車輛在線運(yùn)行為15列，每列車的每天運(yùn)行次數(shù)為10次，則某一個線岔處每天通過的受電弓架次為300。

按0.035mm2/萬弓架次計算，線岔處接觸導(dǎo)線的壽命為94.72年。

按0.042mm2/萬弓架次計算，線岔處接觸導(dǎo)線的壽命為78.93年。

經(jīng)過上述計算分析可知，弓角材料對道岔處接觸網(wǎng)的正常使用壽命影響是微乎其微的。

五、結(jié)論

經(jīng)過上述分析可知，焊接結(jié)構(gòu)的鋁合金弓角不宜應(yīng)用于剛性懸掛的接觸網(wǎng)。剛性接觸網(wǎng)下建議采用碳鋼弓角或強(qiáng)度更高的不銹鋼弓角。

參考文獻(xiàn)：

[1]安孝廉.編.受電器[M].北京：中國鐵道出版社，1984.

[2]BS EN 755-2-2008鋁和鋁合金擠出桿材及棒材管材和型材機(jī)械性能.

[3]UIC 608-2003 國際聯(lián)運(yùn)用電力機(jī)車和電力動車受電弓應(yīng)遵循的條件.

（作者單位：南車株洲電力機(jī)車有限公司）