地鐵剛性懸掛接觸網弓網磨耗的探討

王會爭

摘要：弓網間的磨耗主要是由機械磨耗和電氣磨耗二者組成的，本文主要從剛性懸掛接觸網的平面布置、跨距選擇及施工維護管理等方面進行研究，分析弓網磨耗產生的原因。對如何有效改善弓網間的磨耗，提出相應的解決措施和建議，并對施工和維護管理等提出了相關要求。

關鍵詞：地鐵；剛性懸掛；弓網磨耗

前言

剛性懸掛接觸網是我國借鑒國外技術，在廣州地鐵首次應用后，由于其具有對土建結構影響小、結構簡單、無柔性懸掛的斷線隱患及安裝維護方便等優點，現已在我國地鐵成為首選。并得到了廣泛應用。從（全國廣州、廈門、沈陽、天津、石家莊、鄭州）已開通運營的剛性接觸網系統實際運行情況看，受電弓、接觸網磨耗不均，且個別區段弓網局部磨耗較為嚴重（進而發生嚴重的弓網磨耗異常，碳滑板異常磨耗）。目前各地鐵公司認可的正常弓網關系磨耗率1mm/弓架次萬公里，而發生異常時35-20mm/弓架次萬公里；正常地鐵一個受電弓碳滑板壽命在1年半左右，異常嚴重時，3天左右就要更換碳滑板。由于上述問題導致受電弓、接觸線使用壽命縮短，同時也增加了運營成本，嚴重影響地鐵安全運營，造成很大損失；本文就這一問題進行探討，結合設計、施工、運營治理經驗，以望有所改善。

1.弓網磨耗的原因分析

1.1平面布置接觸線斜率不同，導致受電弓不均勻磨耗

早期剛性懸掛平面布置主要采用以下兩種布置方案：

方案一：半波方式，整個錨段匯流排繞受電弓中心線呈半個近似“正弦波”布置。

方案二：全波方式，整個錨段匯流排受電弓中心線呈一個完整近似“正弦波”布置。

兩種方案均采用類似正弦波的布置方式，最大拉出值≤200mm，最大錨段長度一般≤250m，非絕緣錨段關節處拉出值為±100mm，絕緣錨段關節處拉出值為采用±150mm。采用上述方案的匯流排平面布置，長期運營后，發現列車受電弓碳滑板的磨耗呈不均勻分布（見圖2），其主要特點是：受電弓碳滑板工作面形狀不規則且起伏不平；最大拉出值（±200mm）處受電弓碳滑板磨耗嚴重，形成較深的凹槽。

為直觀定性的比較兩種平面布置方式下，受電弓機械磨耗分布情況，以標準錨段長度243m為例，最大拉出值為200mm，錨段關節處拉出值為±100mm。選擇20mm作為一個最小的拉出值間隔，分別按照方案一和方案二的平面布置方式進行統計，統計在一個錨段里，不同拉出值范圍內接觸線與受電弓碳滑板接觸過的長度，從而得出一個錨段內受電弓機械磨耗分布，見圖3和4所示，其中藍色部分可以理解為理想狀態下碳滑板機械磨耗掉的部分，灰色陰影部分即為碳滑板磨損后的剩余形狀。

上圖只是一個典型錨段受碳滑板機械磨損情況統計，但是經過多個錨段的疊加，碳滑板磨損積累后的形狀也基本如此，與運營公司提供的受電弓不規則磨耗情況基本相符。由上圖可以看出，無論半波還是全波方式，相比與受電弓中部，受電弓兩側因正弦波波峰影響與接觸線滑觸范圍（距離和時間）要長，使得受電弓兩側的機械磨耗較中間部位大。不同之處在于，在一個錨段內，半波方式下接觸線只在半個受電弓上滑動；而全波方式下，接觸線在整個受電弓上滑動，且與受電弓任一區域的接觸長度是半波方式的一半。全波方式下，接觸線在受電弓上的滑動頻率（單位時間、單位距離內，接觸線劃過碳滑板的速率和寬度）更快，從而使得碳滑板磨耗更趨均勻。

現有的兩種平面布置方式均會給受電弓碳滑板帶來不均勻的磨耗，究其原因，主要是由正弦波的特性決定的。從正弦波零點開始，其斜率越來越小，在正弦曲線的波峰和波谷處（即兩側最大拉出值處）拉出值變化率最小，因此，受電弓碳滑板兩側最大拉出值處連續磨耗的時間最長，導致該處列車受電弓碳滑板磨損最嚴重。

1.2剛性懸掛不平順----造成弓網磨耗不均

良好的弓網受流質量，要求剛性懸掛的匯流排必須保證良好的平順性與受電弓接觸面平滑接觸，匯流排連續不平滑度，變化應盡量小，剛性懸掛主要取決于兩個方面，一是匯流排安裝誤差，二是由于匯流排自重，跨中產生的撓度。受電弓運行時，因高度變化，導致受電弓接觸力（變化、硬點沖擊、振動跳躍）時而增大或減小，嚴重的產生弓顫、電氣拉弧，從而使弓網磨耗不均勻。

1.3弓網接觸不良引起的電氣磨耗

受電弓是通過與接觸線相互接觸取得電能的，電流傳輸是通過接觸界面導電斑點由接觸線向受電弓滑板，受電弓在運動中弓網接觸不良，發生滑動摩擦和電氣異常受流，導致接觸電阻增大（和空氣間隙拉?。?，電流流過時產生使接觸點局部區域的溫度升高，造成受電弓和接觸線產生較大的電氣磨耗（即電腐蝕），嚴重時會燒傷受電弓滑板和接觸線，而且隨運營時間增長，由于施工質量和維護工作的不足，電氣磨耗嚴重區段還會產生拉弧現象，從而加速弓網磨耗。

2.弓網磨耗的改善措施和建議

2.1平面布置采用折線布置

為使受電弓滑板磨耗均勻，通過借鑒柔性懸掛的平面布置方案，經理論研究后對剛性懸掛提出了近似折線布置方式，即方案三（見圖5）。該方案是將一個錨段內匯流排基本成折線布置，折線間以圓弧相連，圓弧半徑不小于匯流排最小人工彎曲半徑。由于匯流排主要以直線形式出現，且與受電弓中心對稱布置，因此，在此種布置方式下接觸線在受電弓上的分布基本平均，每段碳滑板的機械磨耗基本相當。

剛性懸掛接觸網在一個錨段內各懸掛點的拉出值，順線路方向按3mm/m～5mm/m的變化率設置，使接觸線在列車受電弓碳滑板上的掃動頻率基本恒定，進而使列車受電弓碳滑板磨耗趨于均勻，避免列車受電弓碳滑板形成溝槽、甚至出現卡線的隱患，進一步提高運營安全可靠性，也能有效增加接觸線和列車受電弓碳滑板的接觸面積，改善弓網關系，大大改善了弓網不均勻磨耗問題。

通過統計（見圖7），采用折線布置后，碳滑板經長期磨損后的形狀大致為一個較理想的浴盆形，避免了兩側最大拉出值處的嚴重磨損情況。工程實施時，雖剛性懸掛接觸網不能象柔性懸掛接觸網一樣，布置成標準的“之”字形，但在最大拉出值懸掛點左右兩跨范圍內，可用匯流排允許的盡量小的彎曲半徑形成折線。與正弦布置相比，折線布置可有效縮短最大拉出值處接觸線在列車受電弓碳滑板上的停留時間，避免列車受電弓碳滑板在兩側形成溝槽。根據計算，按折線布置時，當錨段長度為183米時，匯流排在一個錨段內兩次通過線路中心，在最大拉出值懸掛點相鄰兩跨的匯流排可用彎曲半徑約為250m的圓弧過渡。由于匯流排最小人工彎曲半徑為120m，最小機械彎曲半徑為45m。因此，折線布置方式在施工中能夠實現。

如圖7，將這三種布置方式的受電弓碳滑板磨耗情況比較，可以直觀明顯的看出方案三的磨耗情況相對好些，此種方案基本消除了碳滑板上的磨損凹槽，磨耗情不均勻況得到了很大的改善。

在已開通的重慶6號線、鄭州5號線、廈門1號線和2號線工程中，地下段剛性懸掛接觸網采用了方案三的設計思路進行平面布置。圖8是重慶六號線工程受電弓碳滑板磨損后的圖片，由圖可清晰看出：受電弓碳滑板磨耗情況較為良好。

2.2選擇最優剛性懸掛跨距，保證匯流排平順度。

匯流排定型后，因匯流排自身特征（跨距與撓度成5次平方的正比關系）通過計算和施工運營驗驗及經濟分析，對于最高運行速度小于等于120公里的地鐵剛性懸掛，跨距一般采用8m是適宜的，根據理論計算和現場實際安裝情況看，剛性懸掛的坡度能控制在千分之一以內，滿足匯流排的平順度和弓網運行的硬點要求。

2.3提高施工精度，增強運營維護管理手段

剛性懸掛接觸網安裝精度高，要求嚴，施工單位要精心施工，把施工偏差嚴格控制在設計要求范圍以內，確保安裝質量。維護單位接觸網專業要加強與軌道專業溝通，軌道參數變，接觸網應及時調整，。維護單位要定期和不定期檢查受電弓的磨耗情況，發現問題時應及時打磨或更換受電弓。

結束語

本文（僅）就目前剛性懸掛弓網磨耗存在的問題，對剛性懸掛弓網間的相互作用進行分析，并提出改善的措施和建議，因剛性接觸網懸掛的固有特性，弓網之間是一個相互作用的整體，既有滑動摩擦的機械聯系，又有受取流和電化學的電氣聯系，二者之間內在的受流摩擦工作機理和內在變化規律，目前行業內還存在研究空白和難點，掌握這些內在規律，對研究弓網磨耗發生的根本原因是十分必要的。作為工程技術難題需要結合設計優化和數學模型模擬、施工優化、維護單位磨耗異常治理措施綜合手段，探討和研究剛性接觸網懸掛發生異常弓網磨耗發生的原因和變化規律。目前已在全國地鐵接觸網設計、施工、維護中進行應用，從實際檢測數據（弓網檢測、紫外燃?。┓治龊团袛?，切實改善和提高了弓網關系，降低了受電弓的磨耗率。針對剛性懸掛接觸網弓網電化學滑動摩擦工作機理和內在規律研究，還會有新的問題出現，需共同探討研究解決。

（作者單位：中鐵電氣化局第三工程有限公司軌道交通分公司）