城市軌道交通剛性接觸網(wǎng)異常磨耗機(jī)理及防控建議

郭 剛，楊曉梅

（烏魯木齊城市軌道集團(tuán)有限公司 運(yùn)營(yíng)分公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 剛性接觸網(wǎng)的基本情況

近年來(lái)，剛性接觸網(wǎng)以其較高的穩(wěn)定性能被用于城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)當(dāng)中，剛性接觸網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)較多，但存在接觸線異常磨耗問(wèn)題。本文以北方某城市地鐵為例，從運(yùn)營(yíng)的角度出發(fā)，以數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和試驗(yàn)對(duì)比方式來(lái)闡述剛性接觸網(wǎng)磨耗的基本發(fā)展規(guī)律。

某地鐵全長(zhǎng)近30 km，正線全部采用剛性接觸網(wǎng)，含有20余座地下車站，南北段分期運(yùn)營(yíng)已有4年。

線路情況：線路經(jīng)過(guò)3處斷裂帶，南北高差280 m，軌道采用60軌，道床為整體道床（斷裂帶為彈性道床），正線最大坡度為28‰、最小曲線半徑為400 m。

受電弓情況：電客車采用6輛編組A型列車，受電弓工作寬度為1 050 mm，工作高度為120～2 050 mm，標(biāo)準(zhǔn)靜接觸壓力為（120±24）N，采用浸金屬碳滑板。

接觸網(wǎng)情況：地下區(qū)段接觸網(wǎng)的懸掛方式均采用架空剛性懸掛，導(dǎo)線由1*CR3（匯流排）+1*CTA150（接觸線）+1*JT120（架空地線）組成，匯流排及接觸線無(wú)張力。

2 接觸線異常磨耗的漸變性的特征

軌道交通剛性接觸網(wǎng)因缺乏彈性、小接觸面?zhèn)鬏敇O大電流而造成弓網(wǎng)磨耗異常，受電弓碳滑板接連出現(xiàn)偏心凹槽、對(duì)稱波浪形凹槽、碳滑板掉塊等異常磨耗的情況，接觸線接連出現(xiàn)磨耗異常、掉渣及衍生分層拉絲等異常磨耗情況。

分段開通的地鐵，當(dāng)拉出值分布不均、同側(cè)曲線過(guò)多、碳滑板不水平時(shí)，碳滑板會(huì)出現(xiàn)單側(cè)偏磨及凹槽；全線開通后，當(dāng)取流區(qū)域±150 mm、±250 mm拉出值的分布過(guò)多并與取流段重合時(shí)，受電弓碳滑板會(huì)出現(xiàn)波浪彎；當(dāng)碳滑板磨耗率加大、高差大于5 mm、隨意調(diào)換碳滑板方向時(shí)，對(duì)接觸網(wǎng)造成致命傷害；當(dāng)斷裂帶發(fā)生變化、滑板材質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，在溫濕度的催化下，摩擦副及摩擦系數(shù)出現(xiàn)變化，造成站內(nèi)、低速區(qū)、折返線接觸線異常、快速磨損，并衍生出拉絲跳閘，影響運(yùn)營(yíng)安全。

上述現(xiàn)象表面上反映的是接觸線的異常磨耗，透露出的深層次的問(wèn)題是不同時(shí)間段鋼軌、受電弓、接觸網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)漸變性的隱患；將不同時(shí)段弓網(wǎng)耦合差的歷史印記留存在接觸線上，暴露出的核心問(wèn)題是階段性、周期性的弓網(wǎng)異常磨耗，冬季弓網(wǎng)磨耗率是非冬季弓網(wǎng)磨耗率的10多倍。

3 試驗(yàn)對(duì)比及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況

3.1 受電弓壓力對(duì)弓網(wǎng)磨耗率的影響測(cè)試

通過(guò)調(diào)整電客車的受電弓靜態(tài)抬升力驗(yàn)證弓網(wǎng)壓力與異常磨耗間的關(guān)系。3組電客車靜態(tài)抬升力分別為110 N、120 N、130 N，當(dāng)抬升力為110 N時(shí)，磨耗率比120 N時(shí)增大，當(dāng)抬升力為130 N時(shí)，磨耗率比110 N時(shí)減少，比120 N時(shí)略大。磨耗曲線呈“U”形，但改變不明顯，說(shuō)明在壓力允許范圍內(nèi)，受電弓抬升力非主要因素。

3.2 電客車取流對(duì)弓網(wǎng)燃弧率的影響測(cè)試

通過(guò)調(diào)整電客車的運(yùn)行模式和改變?nèi)×鳡顟B(tài)驗(yàn)證取流與燃弧間的關(guān)系。3組電客車的運(yùn)行模式分別為正常運(yùn)行、限速運(yùn)行、勻速運(yùn)行。當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，視頻顯示出站取流區(qū)段燃弧嚴(yán)重；當(dāng)限速運(yùn)行時(shí)，視頻顯示出站取流區(qū)段偶爾有燃弧；當(dāng)勻速運(yùn)行并不停車時(shí)，視頻顯示基本無(wú)燃弧情況。說(shuō)明取流與燃弧息息相關(guān)，大電流是造成燃弧的主要原因。

3.3 拉出值調(diào)整對(duì)弓網(wǎng)磨耗率的影響測(cè)試

通過(guò)調(diào)整接觸網(wǎng)拉出值的分布，來(lái)驗(yàn)證燃弧與異常磨耗率間的關(guān)系。只對(duì)36處燃弧嚴(yán)重處的拉出值進(jìn)行內(nèi)收，碳滑板的磨耗形狀快速改變，繼續(xù)分析弓網(wǎng)視頻，燃弧改善不明顯。說(shuō)明大電流是電氣磨耗的主要因素，而磨耗率大的主要原因是電氣磨耗[1]。

3.4 特殊區(qū)限速對(duì)弓網(wǎng)磨耗率的影響測(cè)試

通過(guò)對(duì)斷裂帶、下沉的彈性道床區(qū)域進(jìn)行限速，來(lái)驗(yàn)證輪軌關(guān)系與弓網(wǎng)關(guān)系之間的聯(lián)系。通過(guò)弓網(wǎng)視頻分析，斷裂帶（道床下沉50 mm）受電弓上下振幅較大，甚至達(dá)到10 cm左右，燃弧比較嚴(yán)重。通過(guò)限速燃弧情況有效改善，弓網(wǎng)關(guān)系正常。說(shuō)明當(dāng)輪對(duì)關(guān)系變差后，弓網(wǎng)燃弧非常嚴(yán)重。

3.5 區(qū)間接觸網(wǎng)磨耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及對(duì)比

一是取流區(qū)段磨耗率更大，取流區(qū)段磨耗寬度在8～10 mm、長(zhǎng)度在20～40 m；其他位置磨耗寬度在0～3.5 mm。二是拉出值集中區(qū)磨耗更大，同一錨段拉出值磨耗寬度在150～250 mm是0～100 mm的3～5倍。三是設(shè)備集中區(qū)磨耗更大，分段絕緣器、匯流排接頭、線岔、錨段關(guān)節(jié)及最大拉出值處的磨損占比在95%以上。四是斷裂帶區(qū)域磨耗更大，斷裂帶、彈性道床區(qū)間比普通區(qū)間的接觸線平均磨耗寬度大2.5 mm左右。五是上坡區(qū)段磨耗率更大，上坡區(qū)段比平直區(qū)段接觸線的平均磨耗寬度大1.5 mm左右。六是曲線區(qū)段磨耗率更大，曲線區(qū)段最大拉出值處比直線區(qū)段磨耗寬度大1～2 mm，接觸線底部為圓弧形。

3.6 站線磨耗及跳閘數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及對(duì)比

一是低速區(qū)迅速全面磨耗，某站后折返線僅僅運(yùn)行3個(gè)月，接觸線呈全面、迅速磨耗態(tài)勢(shì)，磨耗寬度為9.6 mm，約等于其他磨耗重點(diǎn)區(qū)段運(yùn)行4年的數(shù)據(jù)。二是站線接觸線分層拉絲跳閘，站線、低速區(qū)、折返線接觸線分層拉絲，經(jīng)過(guò)排查，50 cm以上拉絲有50多處，3 cm以下的短拉絲有200余處。銅絲造成接觸網(wǎng)帶電體與電客車車頂、定位點(diǎn)T頭螺栓等接地體間短路跳閘45次。三是坡度與跳閘概率存在關(guān)系，下坡跳閘15次，上坡跳閘30次，占比66.7%。四是拉出值與跳閘率存在關(guān)系，拉出值在150 mm以上的區(qū)域跳閘31次，占比為68.9%。其他區(qū)域跳閘14次。具體數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)走勢(shì)如圖1所示。

圖1 跳閘數(shù)據(jù)對(duì)比圖

3.7 隧道環(huán)境及溫濕度情況

一是隧道內(nèi)濕度變化較大，隧道內(nèi)夏季濕度為40%～60%、冬季濕度為12%～20%。二是隧道內(nèi)溫度變化不大，隧道內(nèi)其他季節(jié)溫度為15～18 ℃、冬季溫度為11～15 ℃，冬夏溫差約5 ℃；室外其他季節(jié)溫度為5～40 ℃、冬季溫度為-30～5 ℃。三是隧道通風(fēng)存在變化，夏季通風(fēng)及隧道環(huán)境較好，冬季略差[2]。

4 磨耗機(jī)理及論證分析

城市軌道交通一般采用剛性接觸網(wǎng)搭配浸金屬碳滑板來(lái)進(jìn)行電氣傳輸，由于剛性接觸網(wǎng)缺乏彈性，所以造成弓網(wǎng)機(jī)械磨耗較大；為保證牽引功率，在DC1 500 V低電壓的先決條件下，電客車需要強(qiáng)大的啟動(dòng)與加速電流，小接觸面?zhèn)鬟f大電流造成弓網(wǎng)電氣磨耗較大。

4.1 第一階段磨耗規(guī)律

新線開通時(shí)，接觸網(wǎng)的導(dǎo)高、拉出值、坡度等參數(shù)施工不標(biāo)準(zhǔn)，部分接觸線輕微脫槽、接觸網(wǎng)設(shè)備雙線處過(guò)渡不平滑等原因造成現(xiàn)場(chǎng)接觸網(wǎng)異常磨耗點(diǎn)過(guò)多，對(duì)數(shù)據(jù)積累和規(guī)律分析干擾較大，不便于分類分析[3]。

4.2 第二階段磨耗規(guī)律

新線遇到第一、二個(gè)冬季時(shí)，溫度、濕度、隧道環(huán)境、斷裂帶等變量出現(xiàn)后，弓網(wǎng)磨耗率加劇，為非冬季的幾十倍。磨合期的短時(shí)高磨耗率很容易出現(xiàn)衍生問(wèn)題，碳滑板磨耗形狀不良、不規(guī)律，碳滑板偏磨出現(xiàn)單側(cè)雙凹槽或?qū)ΨQ出現(xiàn)四處凹槽。為解決問(wèn)題，通過(guò)燃弧分析對(duì)燃弧嚴(yán)重區(qū)域的拉出值進(jìn)行內(nèi)收，解決了磨耗形狀不良的問(wèn)題，間接延長(zhǎng)了碳滑板的使用壽命。

4.3 第三階段磨耗規(guī)律

運(yùn)行1～2年后，由于軌道坡度、曲線半徑、取流區(qū)域、拉出值分布、接觸線的材質(zhì)基本是定量，接觸線的磨耗出現(xiàn)規(guī)律。取流區(qū)域、拉出值150～250 mm、上坡、曲線、斷裂帶、設(shè)備質(zhì)量集中區(qū)的磨耗開始增大，與其他區(qū)域的磨耗拉開差距且上述因素相互疊加后，磨耗呈不規(guī)律地成倍增加。為解決磨耗不平衡和不均勻問(wèn)題，從導(dǎo)高、坡度、設(shè)備參數(shù)等方面持續(xù)開展接觸線的優(yōu)化工作。

4.4 第四階段磨耗規(guī)律

運(yùn)行3～4年后，一些隱患逐步暴露。由于備件不足，一些前期偏磨更換下來(lái)的碳滑板變換方向后又上線運(yùn)行，造成接觸網(wǎng)設(shè)備出現(xiàn)致命性損傷被鋁槽切削成屑。由于碳滑板消耗過(guò)快，所以更換為金屬量更多、硬度更大的浸金屬碳滑板，運(yùn)行半年后造成車站站線接觸線磨耗加劇，衍生分層拉絲跳閘50余次。上述情況說(shuō)明運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的一些矛盾和風(fēng)險(xiǎn)會(huì)轉(zhuǎn)嫁到接觸網(wǎng)上。

4.5 磨耗間的轉(zhuǎn)移推論

碳滑板是磨耗間的紐帶，將不同位置磨耗異常情況交織成網(wǎng)。冬季區(qū)間燃弧變多并造成弓網(wǎng)溫升，冬季的低濕度、隧道的灰塵及存在油污的匯流排會(huì)使得弓網(wǎng)結(jié)合部散熱不良，使每一處弓網(wǎng)燃弧的溫升大于受電弓運(yùn)行時(shí)的散熱，受電弓碳滑板溫度不斷積聚，浸金屬、銅導(dǎo)線就會(huì)出現(xiàn)氣化，當(dāng)列車慢速進(jìn)站時(shí)受電弓會(huì)出現(xiàn)降溫，金屬會(huì)敷在碳表面，從而造成站線及低速區(qū)出現(xiàn)黏著和磨礪磨損。當(dāng)列車運(yùn)行至下一區(qū)間，燃弧會(huì)融化碳滑板表面，形成潤(rùn)滑層，周而復(fù)始。

4.6 電氣磨耗論證分析

電氣磨耗是弓網(wǎng)異常磨耗的核心因素，是導(dǎo)致冬季、非冬季磨耗率不一致的原因，也是造成磨耗問(wèn)題轉(zhuǎn)移和衍生的重要因素。電氣磨耗是取流和溫升造成的。

在冬季或溫度急劇變化時(shí)，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)斷裂帶道床會(huì)出現(xiàn)10 mm以上的上浮或下沉。同時(shí)隧道環(huán)境變差，匯流排臟污，此區(qū)段的燃弧變多，電氣磨耗增大。在夏季，線路條件較好，通風(fēng)與濕度會(huì)起到散熱作用，燃弧變少。這就導(dǎo)致冬夏季電氣磨耗方面存在差異，這與受電弓表面、紅外視頻、接觸線表面的表象一致。

4.7 機(jī)械磨耗論證分析

機(jī)械磨耗與電氣磨耗密不可分，層層交織。冬季區(qū)間的電氣磨耗及熱效應(yīng)影響到車站站線，而冬季整個(gè)區(qū)間的機(jī)械磨耗也要大于非冬季。

當(dāng)濕度在10%與40%時(shí)，弓網(wǎng)結(jié)合部接觸面和接觸網(wǎng)斑點(diǎn)是不一樣的，冬季濕度較低，黏著磨損導(dǎo)致機(jī)械磨耗增大。另外，冬季車站機(jī)械磨耗成倍增加，區(qū)間電氣磨耗影響碳滑板，進(jìn)站碳滑板表面硬化機(jī)械磨耗又影響車站，這與車站接觸線磨耗均勻、磨耗面呈爬犁面、分層拉絲跳閘的現(xiàn)象一致。

5 防控建議

弓網(wǎng)異常磨耗是一個(gè)多因素、多區(qū)段、多時(shí)段、多振動(dòng)系統(tǒng)的綜合性問(wèn)題，需從磨耗時(shí)間及空間、控制接觸溫升、弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)耦合等方面制定解決措施，再?gòu)慕佑|網(wǎng)、受電弓、鋼軌的角度出發(fā)，改善電氣磨損及機(jī)械磨耗。

5.1 嚴(yán)格執(zhí)行施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，提升接觸網(wǎng)綜合性能

一是按照驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接觸網(wǎng)拉出值、導(dǎo)高、坡度進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，對(duì)錨段關(guān)節(jié)、線岔、分段絕緣器參數(shù)進(jìn)行精調(diào)，確保線索平順、過(guò)渡良好。二是對(duì)接觸線進(jìn)行全面觀測(cè)，重點(diǎn)對(duì)曲線處的偏斜、接觸線脫槽、導(dǎo)電膏過(guò)多的情況進(jìn)行全面處理，消除隱患。三是在熱滑時(shí)對(duì)接觸網(wǎng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，重點(diǎn)對(duì)拉出值分布、坡度、硬點(diǎn)、燃弧情況、跨距和錨段設(shè)置情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、綜合評(píng)價(jià)，確保接觸網(wǎng)運(yùn)行條件優(yōu)良。

5.2 持續(xù)落實(shí)設(shè)備精檢細(xì)修，改善弓網(wǎng)耦合關(guān)系

一是實(shí)行樣本空間精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，對(duì)斷裂帶、曲線、上坡處的區(qū)間線索及相鄰的車站線索進(jìn)行排查，選取重點(diǎn)位置每月進(jìn)行磨耗寬度測(cè)量，開展對(duì)比分析，研究磨損規(guī)律，預(yù)測(cè)使用壽命。二是持續(xù)調(diào)整接觸網(wǎng)的坡度和平順度，嚴(yán)控錨段關(guān)節(jié)、線岔處的高差，控制接頭處的低頭，實(shí)施接觸網(wǎng)偏磨調(diào)整、匯流排卡滯調(diào)整、接觸線油脂清理、拉出值優(yōu)化調(diào)整工作，不斷提升弓網(wǎng)的動(dòng)態(tài)耦合性。三是通過(guò)檢測(cè)手段，定期對(duì)接觸網(wǎng)的燃弧、平順度、硬點(diǎn)及鋼軌的平順度進(jìn)行檢測(cè)，動(dòng)態(tài)地對(duì)接觸網(wǎng)、鋼軌進(jìn)行評(píng)價(jià)，嚴(yán)格控制缺陷杜絕隱患。

5.3 深入開展冬季專項(xiàng)整治，控制異常磨耗風(fēng)險(xiǎn)

一是在氣溫急劇變化前更換一批新的碳滑板并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)；同時(shí)，對(duì)匯流排卡滯、匯流排油污、接觸線異常磨耗面及相鄰車站接觸線的磨耗面和有無(wú)拉絲進(jìn)行檢查，如有問(wèn)題及時(shí)解決。二是在氣溫變化時(shí)，運(yùn)用好受電弓檢測(cè)棚和檢修平臺(tái)，對(duì)碳滑板的磨耗形狀和表面浸銅進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)浸銅、表面高差超過(guò)5 mm時(shí)，應(yīng)及時(shí)打磨處理。使用弓網(wǎng)檢測(cè)車對(duì)燃弧和參數(shù)進(jìn)行測(cè)量、人工上線對(duì)斷裂帶導(dǎo)高和車站接觸線進(jìn)行觀測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)車站有小的掉渣、拉絲等現(xiàn)象，及時(shí)組織人員采用集中修理模式對(duì)全線車站進(jìn)行打磨除絲工作。三是盡可能地減少燃弧和保障冬季受電弓碳滑板的散熱工作，適時(shí)地采取通風(fēng)、隧道清洗加濕等措施降低碳滑板的工作溫度。四是適時(shí)改變運(yùn)行方式，當(dāng)出現(xiàn)跳閘情況時(shí)，可適時(shí)采取單弓交替運(yùn)行的措施，當(dāng)車站拉出值大的部位持續(xù)磨耗與拉絲時(shí)，適時(shí)進(jìn)行內(nèi)收調(diào)整。

5.4 適時(shí)優(yōu)化補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)規(guī)范，補(bǔ)強(qiáng)接觸網(wǎng)遺留隱患

一是結(jié)合運(yùn)營(yíng)時(shí)線路工況和取流情況，對(duì)普通區(qū)段、加速取流區(qū)段、車站站線，分別計(jì)算、分別布置、均勻磨耗。二是將接觸網(wǎng)最大拉出值由固定布置變更為范圍性布置，減少多個(gè)波峰、波谷長(zhǎng)時(shí)間將碳滑板磨損出溝槽。三是提升剛性接觸網(wǎng)的彈性，通過(guò)優(yōu)化剛性接觸網(wǎng)的彈性，將懸掛螺桿改為彈性螺桿、定位線夾改為彈性線夾等措施減輕接觸線上的壓力，降低機(jī)械磨耗。四是優(yōu)化控制取流曲線，限制電流減少區(qū)間電氣磨耗。五是適時(shí)開展接觸線、碳滑板材質(zhì)更換，采用機(jī)械性能、電氣性能更好的線索、滑板，車站、區(qū)間可設(shè)置不同的線索。

6 結(jié)論

造成受電弓接觸網(wǎng)磨耗的異常狀態(tài)，不單單是某一方面的原因，是弓網(wǎng)材質(zhì)、軌道平順度、接觸線布置、弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)耦合、溫度、濕度、弓網(wǎng)接觸力等綜合因素疊加導(dǎo)致的。為保證弓網(wǎng)相互關(guān)系，應(yīng)從設(shè)計(jì)初期開始在接觸網(wǎng)布置、受電弓及滑板選型方面全面評(píng)估，后期運(yùn)營(yíng)時(shí)持續(xù)細(xì)致檢查及測(cè)量，追蹤磨耗情況并根據(jù)運(yùn)營(yíng)實(shí)際進(jìn)一步優(yōu)化。