剛性接觸網弓網異常磨耗預防性措施

張寬發 何 莉

（湖北工業大學電氣與電子工程學院，430068，武漢∥第一作者，工程師）

剛性接觸網與傳統的柔性接觸網相比，具有結構簡單、接觸線無張力、沒有斷線之憂、凈空要求低等特點。剛性接觸網自從在廣州地鐵2號線首次投入運營以后，深圳、上海等城市軌道交通線路也相繼采用，現已成為城市軌道交通線路地下段接觸網的首選類型。雖然剛性接觸網有諸多的優點，但是從已開通運營的剛性接觸網線路來看，大部分存在嚴重的弓網異常磨耗現象。弓網異常磨耗嚴重影響弓網間的取流質量，甚至會引發弓網事故，同時也將會大大減損接觸線及受電弓滑板使用壽命，增加運營成本。本文分析了造成弓網異常磨耗的原因及危害，提出改善弓網異常磨耗的措施，對提升弓網的安全運營水平具有一定的意義。

1 弓網異常磨耗的主要表現形式

接觸線異常磨耗主要體現在線路存在容易引發接觸線異常磨耗的區域。由于設計、施工以及線路條件等原因，有部分區域（如剛柔過渡、匯流排中間接頭、分段絕緣器、膨脹元件、錨段關節、列車上坡處等位置），由于接觸懸掛高度變化較大導致受電弓離線或撞擊懸掛，從而引起異常磨耗，見圖1。

圖1 錨段關節處接觸線異常磨耗

而受電弓的異常磨耗是指磨耗不均勻地分布在受電弓滑板上，表現形式較多。在此，作者選擇幾種較為典型的受電弓異常磨耗類型作簡要介紹。

1.1 中心偏磨型磨耗

中心偏磨型磨耗是指受電弓滑板的中心段磨耗較為嚴重，越往弓角邊緣外端段磨耗越少，甚至兩端頭各有約100 mm 尾端段接觸面部位基本不發生磨耗。其接觸表面磨耗形狀呈殘月形狀，中間凹兩邊凸，如圖2所示。凹陷程度直接影響受電弓滑板的使用壽命。如東莞地鐵2號線的TSG18G1型受電弓采用浸金屬碳滑板，當碳層磨損至根部厚度為6～7 mm 時，即需要更換整塊滑板。

圖2 中心偏磨型磨耗

1.2 波浪型磨耗

波浪型磨耗是指磨耗不均勻地分布在受電弓滑板上，且具有隨機性，導致滑板表面凹凸不平，有如海上波浪一樣相互之間形成厚度差，如圖3所示。

圖3 波浪型磨耗實物圖

1.3 裂紋型磨損

裂紋型磨損主要是接觸懸掛的導高變化，導致弓網間的機械連接狀態發生突變，高速運行的受電弓滑板直接承受機械沖擊，導致受電弓滑板上由于磨損嚴重出現裂紋，嚴重時本體受力結構受到破壞，甚至導致部分滑板從滑板處脫落（見圖4）。

圖4 受電弓滑板在機械撞擊下部分脫落

2 弓網異常磨耗的影響與危害

弓網間的異常磨耗會直接影響弓網關系的良好作用，不利于接觸網系統的正常運行，增加運營維護成本。

接觸線的不均勻磨耗會導致受電弓不能平滑過渡，在接觸網磨耗異常的位置容易引起受電弓滑板的不均勻磨耗。如受電弓中心偏磨型是一種嚴重不均勻磨耗，往往是其局部凹形槽的最大深度（即滑板的最低厚度）直接決定其是否需要整體更換，這將成倍降低其滑板的合理使用壽命，加大運營工作量及成本。而對接觸網系統的正常運行也是不利的，當列車行駛至線路曲線半徑較大的地方時，受電弓滑板如一般鋸齒刀一般刮損接觸線，加劇磨耗的同時也成為影響受電弓滑板橫向順利滑行的安全隱患，特別嚴重時可能引起弓網故障。

3 弓網異常磨耗產生的原因

通過對弓網間的機械和電氣性能進行系統分析發現，弓網異常磨耗主要有以下幾個原因。

3.1 剛性接觸網彈性較差

典型的剛性接觸網幾乎沒有彈性連接件，而剛性接觸網的導高不平整導致受電弓“顛簸”。由于自身無法釋放這種垂直方向的振動能量，當受電弓從導高較大走向導高較小的方向時，被迫撞擊抬升接觸網；而從導高較小的地方走向導高較大的地方時，容易離線誘發電氣燒損。

3.2 接觸懸掛硬點隨機性

在接觸網運行過程中，接觸懸掛上難免容易出現凸性硬點（凸性硬點的出現在時間以及空間上都是隨機的），這也導致了受電弓滑板磨耗產生位置的隨機性。硬點的出現意味著接觸懸掛導高的突變，從而導致受電弓直接承受高速運動狀態下接觸懸掛的機械沖擊或導致離線拉弧。當機械沖擊過大時，受電弓滑板甚至會出現裂紋。根據以往的運營經驗，容易出現硬點的區域有剛柔過渡區域、分段絕緣器滑處、匯流排中間接頭處、錨段關節過渡處等。

3.3 線路存在固定的磨耗“重災”區域

在接觸網線路中的部分固定位置，接觸線與滑板磨損偏大。然而這些位置由于設計原因以及未統籌規劃或整改難度大等原因，一直未進行優化，變成了線路中的磨耗“重災”區域。如電客車出入站位置，由于拉出值固定，且同一供電臂多輛電客車出站起動時取流較大。而列車減速進站時，其車內電機采用再生制動的形式，電流由機車反送至接觸網，導致接觸網電流增大。在出入站位置，接觸線和受電弓容易受到電弧燒損及溫升熔焊方面的磨耗，此類定位點對應的弓網磨耗要比其他定位點要嚴重得多。

3.4 接觸線拉出值布置存在缺陷

和傳統的柔性接觸網一樣，剛性接觸網也須按“之”字形布置安裝，其拉出值的大小應該是逐漸過渡的，接觸線不應呈現棱角狀。就剛性接觸網的運用而言，其接觸線布置形式更類似一正弦曲線，拉出值上分布如正弦波。

正弦波布置形式的目的是保證受電弓在工作范圍內滑板磨耗均勻，理想情況下確實能夠達到抑制不均勻磨耗的效果。但實際情況是，由于列車速度、弓網關系以及接觸線的平面布置形式的不同；受電弓滑板各點與接觸線接觸的時間、次數以及頻率是不相同的，而且在正弦波的布置方式下，受電弓滑板中心（即拉出值為0處）段與滑板兩端相比，其接觸時間及次數成倍的增長，越靠近滑板中心，磨耗的時間以及頻率也越高。這也是中心偏磨型磨耗的形成機理之一。

3.5 弓網接觸力不平衡

在傳統設計施工的接觸網系統中，接觸線越遠離受電弓滑板中心，其動態弓網接觸力越小；反之接觸線越接近受電弓滑板的中心，其弓網接觸壓力越大。這勢必增大受電弓滑板中心段的機械磨耗。且在列車行駛過程中，弓網接觸力隨著列車運行速度的增大而增大，高速區段下受電弓會出現晃動。這也是中心偏磨型磨耗和波浪型磨耗的形成機理之一。

3.6 維護整改難度大

在地鐵行業中，接觸網系統的檢修以及車輛受電弓的檢修一般采用周期檢修。接觸網及車輛的檢修項目多，工作量大，以人工目測和手動測量檢查全線接觸網或電客車受電弓隨機出現的硬點及磨耗是不現實的；且即便發現受電弓磨耗異常，也無法確定是哪個區段的弓網關系惡劣造成的。而對于磨耗嚴重的接觸線以及受電弓滑板，只能采取全錨段更換接觸線以及更換受電弓滑板的方式解決。常規的檢修方式存在工程量大、涉及人員多、任務緊張以及備件廠家的生產周期等問題。若未能及時更換受損的接觸線及受電弓，磨耗異常的受電弓就會刮損全線的接觸線，而全線接觸線磨耗加重又反作用于其他受電弓滑板，道成惡性循環。

4 弓網異常磨耗的預防及優化措施

由于磨耗是無法避免的，因此對待弓網磨耗的方針就是預防及控制異常磨耗。為此，作者在弓網選型、弓網運行條件、弓網維保措施方面提出了如下一些建議。

4.1 優化弓網選型

受電弓與接觸網，兩者是直接的機械與電氣連接關系，相互之間的磨耗是直接相關的。而弓網之間的磨耗以及接觸點的允許電流，很大程度上依賴于滑板和接觸線的型號組合。不同型號的弓網在材料、結構等方面的組合影響了弓網的電接觸特性、機械摩擦性以及受電弓的跟隨性。

碳滑板已被證明特別適用于匹配銅和銅合金接觸線。碳滑板的自潤滑性能及耐電弧性能較好，但導電性能較差，需要提防電氣列車停車時的靜態接觸溫升引起滑板局部溫度超過允許限度的危險；此外，純碳滑板的硬度還需要進一步提高。

地鐵的接觸線主要是銅或銀銅合金材料，如東莞地鐵2號線采用的是銀銅接觸線。由于地鐵列車采用直流供電，電壓較低，通過弓網接觸點的電流較大，這就造成高電阻率的純碳滑板無法適用于地鐵列車的受電弓。

在碳滑板的基礎上，將鉛、錫、銅等金屬按照一定比例熔化成熔融態合金，經過加壓等工藝融進碳滑板空氣間隙形成浸金屬碳滑板，其既具有粉末冶金滑板機械強度高、電阻率小的特點，又具有純碳滑板對接線磨耗小、在接觸線摩擦表面易形成潤滑膜和燃弧性能強的優良性能，且具有弓頭歸算質量小、弓網跟隨性強的特點。在地鐵取流中，浸金屬碳滑板與銀銅合金導線的組合是一個比較合理的選擇。

4.2 優化弓網運行條件

改善弓網的運行條件，需要設計人員、設備供貨商、施工人員、運營維護人員共同參與。在此介紹改善弓網運行條件的幾個措施。

4.2.1 改善剛性接觸網的彈性

剛性接觸網特點是結構緊湊，整個系統缺乏彈性。當接觸網出現硬點時，高速運行的受電弓容易撞擊接觸網或拉弧燒損滑板。為了改善剛性接觸網缺乏彈性的問題，有不少地鐵公司引進彈性定位線夾。

剛性懸掛彈性定位線夾主要適用于120 km／h地鐵線路的架空剛性懸掛垂直懸吊安裝鋁合金匯流排。該匯流排及接觸線的重力由線夾內彈簧來承擔，其彈簧壓縮長度與接觸網系統的跨距、匯流排自重及弓網接觸力有關，保證了匯流排有上升以及下降的空間，在加強弓網跟隨性的同時也能緩沖弓網沖擊力的能量。其主要作用是在列車高速行駛時，使得剛性接觸網系統既有“剛性”，又有一定的“彈性”。在運營使用過程中，證明了其具有改善減少列車在高速區段時的拉弧和弓網設備磨損的功能。

4.2.2 優化懸掛導高缺陷

硬點是接觸懸掛的導高突變的地方，容易造成機械磨耗和電氣燒損。在檢修過程中，應該及時調整不符合標準導高突變點。然而，在檢修到位的情況下，剛性接觸網依然存在部分位置導高突變的缺陷。例如位于跨中處的匯流排中間接頭下垂，如圖5所示。

圖5 跨中匯流排中間接頭處導高下降示意圖

在實際使用過程中，在自身重力下，同一根匯流排本體中間處會出現下垂，而兩根匯流排之間（中間連接板）的連接若螺栓松動時，下垂現象非常明顯，造成惡劣的弓網關系。若中間連接板剛好安裝在相鄰定位點中間，則中間連接板接觸線的導高將低于兩定位點處接觸線高度約12～15 mm，容易引起磨耗異常。

匯流排中間接頭處接觸線下垂優化措施主要有：①引入更為先進的產品，如改用在內腔受力結構上以及防松技術上進行優化并已投入使用的第三代匯流排及其相關附件。②在缺陷的地方加裝定位點，以保持接觸線的高度。③調整中間接頭與跨中位置的關系。④記錄缺陷點，加強導高調整的工作。

4.2.3 優化懸掛拉出值缺陷

不均勻磨耗產生原因之一是線路中存在固定的磨耗特殊區域，如列車出站起動位置對應的受電弓滑板處磨損較為嚴重。對于這類無法避免的磨耗特殊區域，采取的方針是“統籌優化”。

“統籌”需要統計全線定位點拉出值，尤其是對容易出現接觸網硬點及線路固定的磨耗“重災”區域的定位點拉出值進行重點標記；其次是運營后統計受電弓滑板的偏磨位置，對兩者進行比較分析。從理論角度而言，受電弓滑板的偏磨位置應該是磨耗頻率最頻繁（即全線拉出值出現概率最高）以及容易引發嚴重磨耗的特殊區段（如列車出入站位置）拉出值對應的滑板位置。

“優化”的目標是盡量使受電弓磨耗均勻地分散在受電弓滑板上。如：在線路運營前根據統計的定位點拉出值進行調整，盡量使各拉出值出現的概率相等；全線特殊磨耗區域定位點的拉出值（如線路固定的特殊磨耗區）有規劃地布置成正弦波狀，每個站的出入站定位點的拉出值在數值上呈正弦波形狀變化；線路投入運營后，將受電弓偏磨位置與線路定位點的位置作比較分析，定期調整滑板偏磨位置對應的拉出值。

4.3 優化弓網維護措施

（1）檢修高效化。隨著磨耗異常對運營的影響越來越嚴重以及檢測技術的進步，越來越多的地鐵公司開始引進高科技產品用于接觸網以及受電弓檢測維保工作中，如接觸網動態檢測車。與采用大量的人力通過激光測量儀器對接觸網進行靜態幾何參數（導高、拉出值）相比，車載檢測能夠對多方面的物理參數進行檢測并實時記錄分析，在檢測接觸網磨耗方面其效率及質量遠高于人力檢測。

（2）建立磨耗研究及優化控制機制。受電弓滑板不均勻磨耗的控制措施，應該立足于線路運營前的預防工作和運營后的調整優化工作。線路運營前，設計院應不斷優化設計方案，滿足施工和運營的要求。施工單位應嚴格按圖紙施工，滿足施工規范的要求。監理及運營人員嚴格按施工標準進行驗收，針對不符合要求的項目進行整改，以滿足安全運營的要求。而運營后的優化調整工作，主要從磨耗跟蹤、參數調整、檢修制度、交流合作、物資申報等多方面進行，積極調動運營人員的主觀能動性及積極性，形成磨耗的研究及優化控制機制。

5 結語

弓網異常磨耗的預防與控制，涉及理論設計、施工標準、維修模式、物資采購、線路條件等多方面的因素，也是設計院、供貨商、施工方、運營維修人員需要合作研究的課題。現階段而言，弓網磨耗的控制措施還有賴于各方面人員通過交流、總結、創新等渠道去加以完善，達到均勻減緩磨耗、避免異常磨耗的目標，保證安全運營的同時節約運營成本。

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