南京地鐵4 號線弓網異常磨耗研究與解決

諸忠華

（南京地鐵運營有限責任公司，江蘇南京 211135）

0 引言

南京地鐵4 號線開通運營10 個月后，發生弓網磨耗異常故障，在碳滑板左右側距中心線230～250 mm 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常現象，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6～7 d。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4 號線的弓網異常磨耗故障。

1 弓網磨耗的研究

1.1 影響因素

①接觸壓力。壓力會影響摩擦系數，壓力大則摩擦系數大，機械磨損就大；壓力小則弓的跟隨性差，容易產生電弧，電氣磨損就大。磨損率隨接觸壓力呈U 形變化；②運行速度。速度會影響摩擦系數，也會使弓和網的相對平順性變差，容易產生電弧；③牽引電流。電流通過接觸電阻產生熱量，電流大容易產生高溫，同時電弧能量也較大；③弓網材料：材料會影響弓網的摩擦系數、耐磨性、耐熱性、散熱性、親和性等。

1.2 溫度的影響

根據西南交通大學摩擦學研究院關于溫度對碳滑板材料磨損影響的實驗：低溫時，摩擦表面有大量的犁溝和磨粒，主要以磨粒磨損為主，對應的磨損量較小；高溫時（200 ℃以上），摩擦表面有氧化、熔融的特征，主要以粘著磨損為主，對應的磨損量較大。

1.3 綜合思考

分析壓力、速度、電流等因素的作用過程，它們對磨耗的影響主要都是通過產生熱量，造成溫度升高而影響碳滑板的物理化學性能，降低耐磨性。弓網之間的溫度主要由摩擦熱、焦耳熱和電弧熱疊加產生，它們和影響因素及磨損形式的相互關系如圖1 所示。

圖1 影響因素及磨損形式的相互關系

2 4 號線異常磨耗原因分析

2.1 分析角度與思路

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。從解決問題的可行性、快速性和簡單性角度分析思考弓網異常磨耗原因，拋開根本因素及影響的復雜性，認為可以從直接因素溫度和碳滑板對溫度的耐受性去考慮，從降低碳滑板溫度或提高溫度耐受性的角度去解決問題。

根本因素對溫度的影響是復雜的，但可以換一個角度去思考。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。

2.2 溫度的相關因素

根據上述思路，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。

2.3 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250 mm）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230～250 mm 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4 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。

2.4 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230～250 mm 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。

2.5 碳滑板材料分析

4 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。

2.6 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230～250 mm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230～250 mm 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 解決方案及解析

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）。

表1 異常磨耗解決方案

3.2 方案解析

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230～250 mm 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

雖然通過調整接觸網拉出值波形解決了弓網異常磨耗故障，但這不意味著波形是異常磨耗的根本原因，根本原因還是要從壓力、速度、電流、材料等因素去研究。壓力、速度、電流等因素通過弓網接口向碳滑板傳輸熱量，并決定熱量大小，材質決定碳滑板對熱量的承受能力，接觸網參數決定熱量在時空上的分配方式。因此調整波形只是改變了碳滑板局部對熱量的接收量和處理時間，使熱量在碳滑板各處的分配盡量均衡合理，而未改變系統中熱量的傳輸總量和對熱量的承受能力。