關于深圳地鐵5號線鋁合金弓角開裂原因分析及措施建議

摘 要 針對深圳5號線受電弓鋁合金弓角開裂問題，從弓角開裂原因、解決措施，再到弓角材料對接觸網磨耗影響等方面進行說明，得出焊接結構的鋁合金弓角不宜應用于剛性懸掛的接觸網及剛性接觸網下建議采用碳鋼弓角或強度更高的不銹鋼弓角的結論。

關鍵詞 弓角 碳滑板 接觸網 沖擊振動

一、現狀

2011年8月，上線運行6個月左右的深圳地鐵5號線車輛用TSG18E型受電弓鋁合金弓角出現開裂現象。經全面普查，交車上線運行的160個鋁合金弓角中，有20個左右出現開裂。開裂位置都是在滑板支架（材料為5A06-0）與連接板（材料為6082T6，原板厚為6㎜）的焊縫熱影響區，且裂紋沿著焊縫邊緣（熔合線）擴展；如圖1、圖2所示。

二、鋁合金弓角開裂原因

（一）焊縫質量問題

為更好的分析產品開裂原因，受電弓生產廠家南車株機對現有的已焊產品焊縫進行了破壞性試驗。宏觀金相圖片顯示：焊縫母材均有熔深，但有根部未熔合的現象，如圖3、圖4所示。

（二）材料的選擇

根據BS EN 755-2-2008《鋁和鋁合金擠出桿材及棒材管材和型材機械性能開裂連接板》表47，可知材料6082T6高強度鋁合金具有很高機械強度，如上表所示。根據以往工作試件測試經驗，鋁合金材料焊接之后，焊縫強度約為母材強度的60%～65%左右，且增加了材料的脆性，這導致其抗疲勞能力也相應的減弱。

（三）接觸網問題

深圳1號線采用柔性網供電，受電弓弓頭采用鋁合金弓角，運用超過20個月，沒有發生開裂等問題。

深圳5號線隧道內為剛性網，隧道外為柔性網，受電弓弓頭采用鋁合金弓角，上線正式運用僅3個月，已發生20個左右弓角開裂的現象。

車輛運行時，當接觸網采用柔性接觸網時，受電弓運用時產生的弓網間的沖擊振動能被接觸網柔性懸掛系統及受電弓本身的彈性元件所吸收，這樣受電弓收到的沖擊與振動相對于剛性接觸網就較小；

當接觸網采用剛性接觸網，受電弓運用時會受到來自于接觸網的高頻沖擊振動，部分沖擊加速度甚至超過50g。由于接觸網采用剛性懸掛，無法緩沖吸收沖擊振動產生的高頻破壞力，此力完全被受電弓緩沖吸收。這就要求受電弓的結構件具有非常高的強度及韌性，以緩沖吸收弓網之間的沖擊力。

三、解決措施

經上述原因分析，南車株機認為導致弓角開裂的主要原因是由于剛性懸掛接觸網下此結構的鋁合金弓角強度不夠。為更好的解決此問題，南車株機根據受電弓應用經驗建議將焊接結構弓角材料由鋁合金更改為強度較高的碳鋼。

（一）受電弓弓角設計依據及作用

根據UIC 608-2003《國際聯運用電力機車和電力動車受電弓應遵循的條件》，要求受電弓弓角包絡線應平滑，保證接觸網平滑過渡到碳滑板中心。

受電弓弓頭由碳滑板及弓角兩部分組成，碳滑板主要是用來集取接觸網電流，使用過程中接觸網主要集中在碳滑板中心€？50mm的范圍內工作；弓角的作用主要是保證機車通過道岔時，受電弓能夠平穩通過接觸網的交叉點，避免出現接觸網掛受電弓的現象。

（二）受電弓弓角采用材料的現狀

目前，國際上地鐵受電弓的廠家主要有 Siemens Melecs公司、Schunk公司及Stammenn公司。

Siemens Melecs受電弓弓角材質采用碳鋼Q235A，國內外具有廣泛的應用業績；

Schunk 公司的受電弓弓角在國內主要采用鋁合金材料；

Stammenn公司受電弓供應國內的受電弓弓角主要為鋁合金材料。

四、弓角材料對接觸網磨耗影響的分析

考慮到用戶擔心碳鋼弓角對接觸網磨損嚴重，現說明如下：

（一）廣州地鐵弓角的使用現狀

經咨詢廣州1號線及廣州2號線供電接觸網技術人員，其表示廣州1號線（碳鋼材料弓角）自1997年上線運行以來，還沒有整體更換過接觸網，在近幾年的使用中，只是在廣州東站附近更換過一個鉚段的接觸網，但更換的原因與受電弓弓角材料無關；廣州2號線（鋁合金材料弓角，與深圳地鐵一號線受電弓相同）自2003年開通以來，先后更換了十多個鉚段的接觸網，其表示與受電弓弓角材料也無關。用戶表示接觸網的更換頻次主要與接觸網的布置、接觸網的懸掛方式及受電弓與接觸網的動態跟隨性有關。

（二）理論分析

根據實驗室數據，鋼對銀銅導線的磨耗率為：0.028～0.042mm2/萬弓架次，分別以平均磨耗值0.035mm2/萬弓架次及最大磨耗值0.042mm2/萬弓架次計算接觸網使用壽命。

接觸網導線斷面允許磨耗量為33%，如果采用110型銀銅導線，即接觸導線斷面允許磨耗量為36.3mm2。

如果深圳地鐵車輛在線運行為15列，每列車的每天運行次數為10次，則某一個線岔處每天通過的受電弓架次為300。

按0.035mm2/萬弓架次計算，線岔處接觸導線的壽命為94.72年。

按0.042mm2/萬弓架次計算，線岔處接觸導線的壽命為78.93年。

經過上述計算分析可知，弓角材料對道岔處接觸網的正常使用壽命影響是微乎其微的。

五、結論

經過上述分析可知，焊接結構的鋁合金弓角不宜應用于剛性懸掛的接觸網。剛性接觸網下建議采用碳鋼弓角或強度更高的不銹鋼弓角。

參考文獻：

[1]安孝廉.編.受電器[M].北京：中國鐵道出版社，1984.

[2]BS EN 755-2-2008鋁和鋁合金擠出桿材及棒材管材和型材機械性能.

[3]UIC 608-2003 國際聯運用電力機車和電力動車受電弓應遵循的條件.

（作者單位：南車株洲電力機車有限公司）