剛性接觸網(wǎng)異常磨耗分析和改進(jìn)措施

辛陽

摘要：剛性接觸網(wǎng)在城市軌道交通的普遍應(yīng)用，以其結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝維護(hù)，得到設(shè)計(jì)單位、建設(shè)者、運(yùn)營商的廣泛應(yīng)用，成為地鐵接觸網(wǎng)的首選。但應(yīng)用中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)異常磨耗，受電弓碳滑板磨耗不均勻問題，對地鐵的安全運(yùn)營造成嚴(yán)重影響。本文結(jié)合實(shí)例對剛性接觸網(wǎng)異常磨耗進(jìn)行分析，并提出相關(guān)措施。

關(guān)鍵詞：剛性接觸網(wǎng);磨耗;措施

1弓網(wǎng)異常磨損的主要表現(xiàn)方式

1.1中心偏磨型磨耗

中心偏磨型磨耗主要是受電弓滑板中心段磨損比較嚴(yán)重，越是靠近弓角邊緣，被磨損的程度就會(huì)越小，而且在兩端，100mm尾端段接觸面部位受到磨耗的概率并不高。在接觸表面，磨耗表面以殘?jiān)聽顬橹鳌６枷莸木唧w情況，會(huì)對受電弓滑板的運(yùn)用時(shí)間具有決定性作用。

1.2波浪形磨耗

波形型磨耗主要是磨耗不規(guī)則的分布在受電弓滑板中，從而導(dǎo)致滑板表面存在不平整的情況。

1.3裂紋型磨損

裂紋型磨損主要是接觸懸掛的導(dǎo)高變化，會(huì)造成弓網(wǎng)之間的機(jī)械連接出現(xiàn)故障，快速運(yùn)轉(zhuǎn)的受電弓滑板會(huì)受到機(jī)械的沖擊，造成受電弓滑板會(huì)因?yàn)槭艿酱蠓秶哪p而形成裂紋，甚至本體受力結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破損，而且一些滑板會(huì)在滑板處滑落。

2剛性接觸網(wǎng)異常磨耗分析和改進(jìn)措施

某地鐵2號線開通運(yùn)營11個(gè)月后，發(fā)生弓網(wǎng)磨耗異常故障，在碳滑板左右側(cè)距中心線230～250mm位置出現(xiàn)磨損嚴(yán)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(wǎng)專業(yè)開展多輪全線排查、冷滑及網(wǎng)檢，未發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)有結(jié)構(gòu)參數(shù)變化、硬點(diǎn)和異物懸掛等異常現(xiàn)象，接觸網(wǎng)狀態(tài)正常。由于碳滑板坑槽對接觸線的磨損，使接觸線對應(yīng)位置處出現(xiàn)側(cè)磨和裹線等現(xiàn)象，并逐步加重，使弓網(wǎng)磨損進(jìn)一步加劇，碳滑板壽命降低到6～7d。對弓網(wǎng)磨耗影響因素的分析，提出將剛性接觸網(wǎng)正弦波調(diào)整為之字形的解決方案，并成功實(shí)施和解決了2號線的弓網(wǎng)異常磨耗故障。

2.1異常磨耗原因分析

2.1.1分析思路

根據(jù)行業(yè)內(nèi)的研究，壓力、速度、電流、材料等因素是弓網(wǎng)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(guān)關(guān)系。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。溫度的變化是需要時(shí)間的，溫度和時(shí)間必然是關(guān)聯(lián)的。列車運(yùn)行中，弓網(wǎng)是點(diǎn)接觸，對應(yīng)碳滑板上某個(gè)位置與接觸線接觸時(shí)升溫，分離時(shí)冷卻，升溫時(shí)間th和冷卻時(shí)間tc必然影響著接觸點(diǎn)的溫度。

2.1.2溫度的相關(guān)因素

從弓網(wǎng)接觸時(shí)間去考慮，溫度變化和接觸網(wǎng)的拉出值波形及線路長度有一定的關(guān)系。碳滑板的材質(zhì)對溫度也有一定影響。

2.1.3接觸網(wǎng)拉出值波形的分析

目前接觸網(wǎng)拉出值的波形布置有兩種：正弦波和之字形。柔性接觸網(wǎng)一般為之字形布置，剛性接觸網(wǎng)有正弦波和之字形兩種。它們的區(qū)別主要在于波峰（一般為250mm）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(yīng)位置的連續(xù)接觸時(shí)間相對長一點(diǎn);而之字形由于彎曲半徑小，波峰處弧線與碳滑板對應(yīng)位置的連續(xù)接觸時(shí)間相對短一點(diǎn)。

碳滑板的異常磨耗坑槽出現(xiàn)在左右230～250mm位置，和接觸網(wǎng)波峰弧線的拉出值相對應(yīng)，說明異常磨耗和接觸網(wǎng)拉出值波形有一定的關(guān)聯(lián)。但也有很多地鐵線路為正弦波布置，卻未發(fā)生弓網(wǎng)異常磨耗，而且2號線弓網(wǎng)異常磨耗也不是剛開通運(yùn)營時(shí)就有的，說明接觸網(wǎng)拉出值波形不是異常磨耗的必然因素，只是相關(guān)因素。

2.1.4剛性接觸網(wǎng)長度的分析

全線接觸網(wǎng)是由一個(gè)個(gè)錨段連接而成的。列車運(yùn)行中，碳滑板經(jīng)過一個(gè)錨段的溫度變化是有限的，但每經(jīng)過一個(gè)錨段就會(huì)提升一點(diǎn)溫度ΔT，隨著運(yùn)行溫度不斷升高。線路越長，錨段越數(shù)多，越容易產(chǎn)生高溫。

柔性接觸網(wǎng)一般為之字形布置，在230～250mm位置與碳滑板接觸時(shí)間短，且相對剛性接觸網(wǎng)有較好的彈性，與碳滑板的摩擦系數(shù)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(wǎng)長度。

2.1.5碳滑板材料分析

2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(huì)很好，與溫度相關(guān)的物理參數(shù)（比熱容、導(dǎo)熱率、膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)等）有較大差異。隨著列車的運(yùn)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(huì)更快更高;同時(shí)碳的導(dǎo)熱率較小，銅的熱量則不容易散出;高溫會(huì)導(dǎo)致膨脹，而銅的膨脹系數(shù)較碳大很多，銅會(huì)從碳的孔隙中析出，改變局部微觀結(jié)構(gòu);高溫還會(huì)導(dǎo)致銅軟化，甚至液化、氣化，會(huì)降低粘結(jié)劑的粘結(jié)力。因此高溫會(huì)引起碳滑板物理化學(xué)性能的改變，會(huì)導(dǎo)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(huì)存在一個(gè)臨界溫度Tf，在溫度<Tf時(shí)碳滑板的耐磨性能較好相對穩(wěn)定，當(dāng)溫度≥Tf時(shí)，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(fā)生異常磨損。

浸金屬碳滑板的材料成分（碳、銅、粘結(jié)劑及其他添加材料）及其含量比例，以及制造工藝、結(jié)構(gòu)尺寸都會(huì)影響碳滑板的Tf值、耐磨性、耐熱性、散熱性、摩擦系數(shù)及接觸電阻等特性。

2.1.6異常磨耗的機(jī)理

由于剛性接觸網(wǎng)正弦波波形布置，碳滑板在230～250mm位置與接觸線持續(xù)接觸時(shí)間較長，使該處吸收熱量較多，溫度上升;駛離該區(qū)段則溫度開始下降，由于冷卻介質(zhì)是空氣，冷卻效果有限，冷卻時(shí)間又不夠長，冷卻的溫度低于上升的溫度。每經(jīng)過一個(gè)接觸網(wǎng)錨段，溫度會(huì)上升一點(diǎn)，運(yùn)行距離越長上升的溫度越高。隨著摩擦系數(shù)和電弧頻率的變大，經(jīng)過每個(gè)錨段上升的溫度ΔT也變大，較長的剛性接觸網(wǎng)線路使碳滑板230～250mm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(yùn)行時(shí)溫度容易超越，此時(shí)其中的銅會(huì)膨脹軟化，膨脹軟化的銅會(huì)從碳的孔隙中析出，造成局部摩擦系數(shù)增大，且和同樣材質(zhì)的接觸線（以銅為主）有更好的親和性，從而吸附轉(zhuǎn)移到接觸線上，導(dǎo)致碳滑板接觸點(diǎn)處只留下有孔隙的碳層，耐磨性能下降。吸附轉(zhuǎn)移到接觸線上的銅冷卻后形成銅粉顆粒，在后續(xù)列車經(jīng)過時(shí)回落到碳滑板，產(chǎn)生磨粒摩擦，更加加劇碳滑板的磨損，同時(shí)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(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，嚴(yán)重情況下甚至?xí)?dǎo)致邊緣處崩塊。

3改進(jìn)措施

3.1解決方案

根據(jù)上述分析，解決方案有兩種：降溫法和提升Tf法（表1）。

3.2方案分析

將剛性接觸網(wǎng)拉出值波形由正弦波調(diào)整為之字形，主要是通過縮短升溫時(shí)間th并延長冷卻時(shí)間tc，使經(jīng)過每個(gè)錨段的溫升ΔT降低，從而降低230～250mm位置碳滑板溫度TB的上升速度，使TB在運(yùn)行期間無法升到Tf，從而保持碳滑板的耐磨性能，恢復(fù)弓網(wǎng)關(guān)系。

4結(jié)語

異常磨耗極大地影響了地鐵的安全運(yùn)營與維護(hù)，在局部磨耗治理中，要在前期設(shè)計(jì)、施工中嚴(yán)格把控各環(huán)節(jié)，運(yùn)營維護(hù)中加強(qiáng)磨耗監(jiān)控，對車輛、軌道、接觸網(wǎng)多方面跟蹤，總結(jié)歸納，查找原因，提前處理。

參考文獻(xiàn)

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