關于四號線絕緣支架卡爪及對應接觸軌接觸面異常磨耗分析

董毅

一、背景

2020年1月10接觸網專業在官橋—石碁下行K31+200--K31+400接觸網綜合檢修作業中，發現官橋-石碁下行線K31+400、K31+200兩處定位存在異常。進一步檢查，發現絕緣支架托架、卡爪承托面邊緣磨耗嚴重，對應接觸軌接觸面出現相應磨損。絕緣支架卡爪、托架承托面邊緣磨耗嚴重

當晚對磨耗異常的絕緣支架進行了更換，設備恢復正常。后續接觸網專業組織對官橋-石碁下行K31+200-K31+400兩處共30米接觸軌進行了更換。

二、設備結構及表征現象分析

接觸軌卡爪與托架通過螺栓固定，形成溝槽，從而將接觸軌懸掛起來。托架通過接觸面的齒槽和螺栓固定于絕緣支架上。列車集電靴與接觸軌相互作用時，接觸軌與卡爪托架的接觸面存在摩擦關系。其中，接觸軌承托部位為鋁6101T，卡爪托架為玻璃纖維材質，正常狀況下，兩種部件應能友好匹配，然而維修人員卻發現個別定位點位置的接觸軌也產生了超出預想的強烈磨損?？ㄗδp嚴重的地方，接觸軌也存在磨損比較嚴重的情況，并且由于接觸軌的熱脹冷縮橫向運動，接觸軌的磨損不僅僅限于卡爪托架包裹范圍內，實際表象已拓寬到了卡爪左右兩側約3cm。

2011年至今，接觸網專業多次發現不同工況位置的卡爪托架出現磨損情況，主要發生地點為新造洞口-石碁區間，分布在線路小曲線、坡道處、碎石道床處以及整體道床與碎石道床的交界處。

三、磨耗原因分析

1、已經發現的整體道床與碎石道床剛度突變

依據《運營中心2019年4月份列車晃動整治報告》，新造洞口至W1406上下行存在道床剛度突變，且原建設時未在隧道內整體道床與隧道外碎石道床之間設置基礎剛度過渡區域，導致列出經過沖擊道床時，基礎剛度發生剛-柔-剛的明顯變化。

2011年——2019年運營歷史中總共更換過56處卡爪或托架，均因為出現了超出預期的磨耗。碎石道床與整體道床沒有設置過渡區域，會導致列車進出整體道床時猝然沖擊。列車受到猝然沖擊的同時，也會受到沖擊，振動的幅度與頻率也因此加大，在整體道床以及碎石道床相連接的區段卡爪與托架磨耗相比更加嚴重。

2、卡爪托架的設計缺陷

接觸軌被懸掛在卡爪與托架之間，接觸軌在卡爪托架中間有空隙，因此接觸軌可在空隙中上下振動下磨式接觸軌系統與柔性接觸網本質是相同的，歸根結底依然具備接觸“懸掛”的特點。

在這種懸掛方式下，絕緣支架需具備定位支撐作用和一定的韌性，使其在抵消接觸軌重力的同時能兼顧解決摩擦力過大造成接觸軌本體運動不暢的矛盾。若接觸軌在卡爪托架內完全嵌合，將不會引起接觸軌在空隙內的上下運動。目前出現的改進型卡爪托架與線路在用的結構形式相比，接觸軌切合處的貼合度更高，因此在運行過程中接觸軌在卡爪托架內的振動幅度減小，因此二者之間的磨損也會隨之減小。

同時改進型卡爪托架承托部位設置有一層尼龍襯墊，增加了內邊緣的厚度?，F使用的卡爪卡扣位置厚度為10.30mm，改進型卡爪厚度為15mm。現使用的托架卡扣位置厚度為10.85mm，改進型托架厚度為20mm。并且尼龍材料具有眾所周知的表面光滑、摩擦系數小、耐磨的優點，相比起現使用的玻璃鋼材質耐磨性能明顯偏差，強烈的相互摩擦作用下勢必產生異常的磨耗情況。接觸軌與卡爪托架的承托面更換為尼龍材質后，摩擦因數的減小更加利于接觸軌本體熱脹冷縮影響下的橫向移動。

3、線路小曲線的影響

依據《高速鐵路有砟軌道振動理論與的應用的研究》，對新鋪鋼軌運營前后曲線區段進行測試。經過三個月運營，直線地段最大垂直磨耗磨耗僅為0.770mm，曲線地段接頭處最大垂直磨耗為1.284mm。直線段左軌與右軌的磨耗相差不大，曲線地段內側軌道與外側軌道磨耗相差較大。實際現場，小曲線位置的輪軌關系往往同時出現了外軌超高匹配不良好，內軌磨耗突出，輪軌蛇形軌等，而這一系列現象又進一步加劇了左右股剛軌的不均勻磨耗，使得軌道不平順度增加，列車振動幅度增大。

4、線路坡度的影響

現場勘察發現在坡道處同一處定位的卡爪托架兩側的磨損程度是不同的，較低的一側卡爪的磨損比較高的一側卡爪磨損嚴重。由于在坡道處接觸軌各定位的導高有偏差，因此接觸軌卡爪與軌平面不是完全平行關系，導致水平面較低側的卡爪托架與接觸軌接觸更加緊密，磨損更加嚴重。

接觸軌受重力G，以及卡爪與托架給予的彈力F，根據平行四邊形法則，接觸軌與卡爪之間存在著一個摩擦力f來平衡重力G與F的合力，摩擦力的大小等于摩擦因數與反作用力F的乘積，在水平直線段的接觸軌與卡爪托架之間理論上不存在摩擦力，因此在坡道處二者的摩擦相較于水平直線段時更大。在接觸軌熱脹冷縮時，二者之間的摩擦加劇，并且在振動過程中，隨著卡爪托架與接觸軌的摩擦增大，磨耗也會增加。

6、接觸軌本體的熱脹冷縮影響

接觸軌在不同溫度下的熱脹冷縮因有膨脹接頭的補償作用，軌體會在卡爪與托架中往復運動。運動行程的積累會導致卡爪托架與接觸軌的襯托面出現嚴重磨損，接觸軌一側因硬度較高有磨損但沒有那么嚴重。在新造隧道內側，隧道內的接觸軌處于工作環境溫差變化小，而隧道外側的接觸軌因晝夜及四季交替溫差較大，該錨段的接觸軌呈現處隧道外側的單方向伸縮，因此接觸軌滑動幅度也相對較大。該類型的位置也引起了卡爪托架的嚴重磨損。運行歷史記錄中，新造隧道口交界位置的接觸軌錨段上下行，總共更換過約10套卡爪與托架。

四、總結

綜上，結合2011—2019年的運行記錄、數據分布及形成原因分析，可以發現在線路小曲線、坡道處、碎石道床處以及整體道床與碎石道床的交界處均為發生卡爪托架磨耗異常的集中區域。

鑒于此，日常的運行維護中，需要：

1、對磨耗異常集中區域如碎石道床交界處的兩邊各三個定位更換改進型絕緣支架，采用配套的新款卡爪托架，增加機械強度及耐磨性。

2、新造洞口-石碁區間對于坡道、曲線區段集中進行排查，有磨耗異常跡象根據嚴重程度進行更換卡爪支架并建立完更換臺賬，跟蹤更換后卡爪磨耗情況。

3、其他高架區段日常檢修過程中持續關注卡爪托架磨耗情況。