上海城市軌道交通受電弓碳滑塊脫膠故障分析

董雪春

(上海申凱公共交通運營管理有限公司, 200070, 上海∥工程師)

碳滑塊是城市軌道交通列車從供電接觸網獲取電能的設備，其別名也可稱為碳滑板、碳滑條、碳棒等。近幾年，上海城市軌道交通發生了多起碳滑塊脫膠故障，對正線的有序運營造成了一定影響。基于此，本文對碳滑塊脫膠故障的原因進行分析研究，并給出相關建議及整改措施。

1 碳滑塊脫膠故障

碳滑塊按照材質可分為浸金屬和純碳兩類。從產地上看，上海城市軌道交通目前使用的碳滑塊可分為國產的碳滑塊和進口的碳滑塊，以與原品牌受電弓設計制造相匹配為配置原則。碳滑塊碳條和鋁托架的粘合一般有兩種工藝：一是錫接，二是膠水粘接。

碳滑塊在無裂紋、無異常磨耗情況下一般須使用到剩余厚度為3 mm時方予以更換。但是，近幾年上海城市軌道交通在使用過程中多次發生了國產碳滑塊未到更換標準而脫膠的故障，其典型故障類型如圖1中箭頭處所示。

圖1 碳滑塊脫膠故障圖Fig.1 Picture of carbon contact strips degumming failure

從圖1可見：碳條與鋁托架之間存在明顯的間隙，二者已完全脫膠分離，無法承擔正常的受流取電功能。該情況下如列車繼續運行，碳條會在短時間內完全脫離鋁托架，造成接觸網與碳滑塊鋁托架發生接觸摩擦。由于碳滑塊鋁托架與接觸網均采用金屬材質，且接觸網硬度大于碳滑塊鋁托架硬度，碳滑塊鋁托架將因接觸摩擦而在短時間內發生斷裂，該情況下極有可能引發弓網事故，進而造成正線停運搶險，因此，受電弓碳滑塊脫膠故障問題不容小覷。

2 碳滑塊剪切強度試驗

從碳滑塊的故障形式看，碳滑塊脫膠故障的可能主因是碳滑條剪切強度不達標，或受大電流沖擊短時間集中發熱后導致粘合失效。在發生碳滑塊脫膠故障后，調取了列車控制系統的記錄，并查看了供電SCADA(電力監控與數據采集)系統的記錄，并未發現故障時間段內存在大電流沖擊的情況，故排除了因大電流沖擊導致碳滑塊脫膠的可能性。

2.1 碳滑塊試塊的選取

為尋找碳滑塊脫膠故障的具體原因，對不同品牌的碳滑塊進行了剪切強度試驗，并對其檢測結果進行了對比分析。測試前，從整根碳滑塊中間取寬度為30±3 mm的試塊，對試塊兩側的包邊進行加工去除，防止產生因包邊引起剪切強度測量不準的問題。不同品牌的碳滑塊試塊如圖2所示，為方便對比區分，對不同品牌的碳滑塊分別進行了編號。

圖2 碳滑塊試塊Fig.2 Carbon contact strips test block sample

2.2 碳滑塊剪切強度檢測試驗

選取3家不同品牌廠家(A、B、C)的碳滑塊進行檢測試驗，對比其在室溫(20～30 ℃)及高溫(150 ℃)兩種工況下的剪切強度。試驗參考了TB/T1842.3—2016《受電弓滑板 第3部分：碳滑板》[1]、EN 50405：2015《鐵路設施 受流系統 受電弓碳滑塊的試驗方法》[2]中對于碳滑塊剪切強度的相關要求。

碳滑塊試塊加載如圖3所示。將剪切力測試專用裝置安裝在配有環境溫度試驗箱的電子力學性能試驗機的加載平臺上，將碳滑塊試塊置于剪切力測試專用裝置上。

圖3 碳滑塊試塊加載圖Fig.3 Carbon contact strips test block loading

分別實施室溫剪切測試、高溫剪切測試2個檢測方案。當測溫探頭顯示溫度達到目標測試溫度時，即對碳滑塊試塊進行垂向加載，在其表面施加持續的垂向力，直至碳條與鋁托架分離。計算機記錄了垂向力加載的全過程，并在測試完成后自動計算出碳滑塊失效時的最大剪切力和剪切強度。試驗后的試塊斷面如圖4所示。

圖4 碳滑塊試塊試驗后斷面圖Fig.4 Cross section of carbon contact strips test block sample after test

根據試驗內容及制定的檢測方案，各廠家碳滑塊試塊剪切力測試結果如表1所示。按照文獻[1]的規定，失效時試塊的剪切強度若大于等于5 MPa，則符合該標準的要求。

表1 碳滑塊試塊剪切力檢測結果Tab.1 Test results of carbon contact strips test block sample

由表1可知：

1) 廠家A的碳滑塊試塊在室溫與高溫工況下均未達到EN 50405：2015及TB/T 1842.3—2016中剪切強度大于等于5 MPa的要求。

2) 廠家C的碳滑塊試塊在室溫與高溫工況下均能滿足EN 50405：2015與TB/T 1842.3—2016中對剪切強度的要求。

3) 廠家B的碳滑塊試塊在室溫工況下滿足EN 50405：2015與TB/T1842.3—2016中對剪切強度的要求，但在高溫工況下不滿足這兩個標準對剪切強度的要求。

經確認，實際發生脫膠故障的碳滑塊均由廠家A生產。通過上述檢測分析，碳滑塊失效的主要原因為剪切強度未達到設計標準(即TB/T 1842.3—2016的要求)：其剪切強度在高溫工況下低于設計標準要求的1/4，在室溫工況下低于設計標準要求的1/2。此外，廠家B采用的碳滑塊為錫接形式，在高溫工況下錫接形式碳滑塊的剪切強度也存在偏低情況。

3 實地考察碳滑塊的加工制造工藝

為進一步深入了解碳滑塊剪切強度不達標的原因，上海城市軌道交通組織技術人員對廠家A進行了實地考察，現場調研碳滑塊的加工制造工藝。

廠家A的碳滑塊為自加工組裝產品，其碳條、鋁托架、膠水、固定螺栓、固定螺帽皆為采購件。這些物資采購到廠后再根據現有的工藝要求進行加工并組裝。其碳滑塊的主要加工步驟如下：①根據碳滑塊所需長度對采購的碳條進行裁剪切割，對碳條兩端斜面進行打磨；②對碳條粘合表面使用砂輪機手工找平并打磨(見圖5)后，將碳條置于1個平面上觀察其是否透光，通過是否透光來判斷打磨面是否已經平整；③對碳條的下表面進行噴銅處理(見圖6)，以提高其導電性能；④在鋁托架上布設已裁剪的孔狀銅網，在銅網上涂抹專用膠水，將碳條按壓在有膠水的鋁托架上(見圖7)，并采用工藝夾夾緊；⑤將已組裝完畢的碳滑塊置于高溫烘箱內進行固化；⑥將經過烘箱固化的碳滑塊取出，放于陰涼處晾干；⑦去除碳滑塊外表面的多余膠水，在碳滑塊兩側涂上工藝膠進行裝飾，以提升碳滑塊的整體美觀度；⑧在鋁托架下表面開孔，安裝T型固定螺栓；⑨使用目視方法對碳滑塊外觀進行檢查；⑩碳滑塊塑料膜包裹后裝箱出廠。

圖5 碳條打磨Fig.5 Carbon rod grinding

圖6 碳條噴銅處理Fig.6 Carbon rod copper spraying treatment

圖7 碳條待粘接Fig.7 Carbon rod to be bonded

4 對碳滑塊加工制造工藝的分析

對上文的生產工藝流程進行分析，廠家A在碳滑塊的加工制造工藝上存在如下問題：

1) 碳條粘合表面采用砂輪機手工找平的加工方式無法保證其整體平整度，也無法有效控制其打磨精度。僅采用是否透光這一措施來判別碳條下表面是否平整，評估的方法欠妥當。碳條粘合表面的不平整將直接導致碳條與鋁托架兩個粘結面之間的膠水涂抹不勻，某些區域粘結面存在無膠或少膠的問題，這是導致碳滑塊某些區域試塊剪切強度不達標的主要原因。此外，在碳滑塊的日常使用過程中，由于電流的通過會引起碳條與鋁托架粘接處發熱，而無膠或少膠區域容易造成電流集中并產生高溫，從而引發部分區域的脫膠故障，然后脫膠區域由點及面進一步擴大，最終導致碳滑塊發生整體脫膠。

2) 在產品的各道生產流程中，無相關的檢測工藝和量化標準，生產環節中的質量控制環節及標準缺失。

3) 采用自調比例膠水進行粘接，膠水調和的具體工藝及檢驗標準缺失。

4) 僅對碳滑塊成品進行外觀檢查，無電阻率全檢及剪切強度抽檢措施，成品質量把控環節過于薄弱，未遵循產品生產PDCA(計劃-執行-檢查-處理)循環法則。

根據上述調查結果，上海城市軌道交通全面停用了廠家A生產的碳滑塊，對倉庫內該廠家生產的所有碳滑塊產品進行退貨處理，并選取了其他優質的碳滑塊生產廠商，進行產品替代。

5 結語

本文通過檢測分析和實地調查，得到了碳滑塊脫膠故障的主要原因——廠家制造工藝不完善及質量把控措施缺失導致碳滑塊的剪切強度不符合設計標準。為防止類似問題發生，對受電弓碳滑塊的運營使用方提出如下建議：

1) 建立碳滑塊入庫檢查標準。對于同一批次的碳滑塊，應抽檢其剪切強度。若出現不達標情況，則應擴大檢測范圍。如同一批次的碳滑塊不達標比例超過一定的標準，則該批次產品應全部退貨。

2) 對于采用膠水粘接的碳滑塊，為保證其膠水的可靠性，建議碳滑塊的使用有效期設為自生產日起的3年內。對于超過3年仍未使用的碳滑塊，應作廢棄處理。對于已裝車使用的碳滑塊，如其生產日期已超過3年但未達到磨耗更換標準，應進行預防性更換。此外，在日常管理過程中還應做好碳滑塊裝車后及備件入庫后的使用期限跟蹤等工作。

3) 如圖8所示，建議進一步優化碳滑塊的設計方案，即在碳條兩側進行斜面打磨，并對鋁托架兩側進行梯形翻邊。這樣可保證在鋁托架和碳條間的膠水失效后仍能依靠鋁托架翻邊對碳條進行臨時固定，防止碳條在短時間內脫落。

尺寸單位：mm圖8 碳滑塊的優化設計方案Fig.8 Optimal design scheme of carbon contact strips