基于弓網檢測數據的地鐵剛性接觸網膨脹元件燒蝕原因分析

■ 盛良??李向東

基于弓網檢測數據的地鐵剛性接觸網膨脹元件燒蝕原因分析

■ 盛良??李向東

對比舊滑板磨耗輪廓特征和膨脹元件幾何及平面布置特征發現，滑板中心±30?mm區域過磨耗產生的滑板高度差是引起膨脹元件處弓網關系惡化的直接原因。通過對新舊滑板工況燃弧、弓網接觸力和硬點數據對比分析，驗證在舊滑板工況下膨脹元件處弓網關系惡化情況，最終得出膨脹元件的拉出值零點布置是引起碳滑板中心±30?mm區域過磨耗的主要原因，也是膨脹元件燒蝕的直接原因。

弓網檢測系統；膨脹元件；拉出值；滑板；不均勻磨耗

0 引言

接觸網剛性懸掛（簡稱剛性懸掛）具有結構簡單、無張力補償、結構高度小、載流能力強、安全可靠及少維護等特點，因而被世界各國的城市軌道交通廣泛采用。然而在運營中發現，剛性懸掛弓網關系存在較多問題，為優化弓網關系，通常將傳統關節式機械分段改為膨脹元件。膨脹元件有多種形式，其中某型號雙輔助線膨脹元件夾裝在相鄰兩端的匯流排中間，膨脹元件縱向兩側各連接一根接觸線，并形成長度為205 mm的三根接觸線并行區域，有些城市地鐵剛性懸掛大量采用該型號膨脹元件，但運營中發現，全線膨脹元件普遍存在燒蝕嚴重現象，影響列車運行安全，因此亟需對膨脹元件燒蝕的原因進行深入分析，徹底解決此類問題。

1 結構特征分析

1.1 受電弓特征

滑板作為受電弓的重要部件，負責與接觸線滑動接觸并將電能可靠傳輸至車內牽引系統，保證列車持續可靠供電[1-2]，滑板狀態的變化直接影響弓網關系的改變，應重點對比分析。同時，在受電弓的整個有效工作周期內，除滑板作為耗材部件不斷更新替換外，受電弓其他部件均無需特殊調整，因此滑板是受電弓整個有效運行周期內最為顯著的變量因素之一，應重點對比分析。新滑板（見圖1）碳條表面平整，工作范圍內碳條高度相同；舊滑板（見圖2）碳條表面共存在5個不均勻磨耗區域，位置1和位置5為拉出值±200 mm位置區域，位置2和位置4為拉出值±100 mm位置區域，位置3為距滑板中心±30 mm區域，且該條線路受電弓滑板普遍存在該特征。

1.2 膨脹元件特征

該型號膨脹元件除具有圖3所示特征外，根據產品安裝手冊要求，其安裝位置拉出值須為0，且為便于匯流排拉出值的平滑過渡，其兩端約各15 m的匯流排拉出值也接近零點布置。

圖1 新滑板外觀

圖2 舊滑板外觀

圖3 某型號膨脹元件安裝示意圖

2 試驗數據分析

根據相關標準，采用弓網接觸力與燃弧2個參數描述弓網受流質量，采用硬點參數描述接觸網不平順性。提取全線膨脹元件位置燃弧、弓網接觸力和硬點數據，分析新舊滑板不同工況下弓網動態關系的差異。

2.1 燃弧分析

全線共26處膨脹元件的燃弧檢測數據統計見圖4、圖5。可見，全線舊滑板工況總燃弧時間明顯高于新滑板，分別為11 672 ms和5 720 ms。因此，舊滑板工況下膨脹元件位置弓網關系較新滑板惡劣。燃弧時溫度高達上千攝氏度，是造成膨脹元件燒蝕的直接原因。

2.2 弓網接觸力分析

受電弓滑板-接觸導線是一對較為特殊的摩擦副[3]，二者的動態接觸力直接影響弓網受流質量。當弓網接觸力減小到一定值時，即使弓網接觸力不為0且未出現弓網脫離，該摩擦副的接觸電阻會迅速增大，當電客車取流時，每套摩擦副在幾百安培電流通過時，引起弓網燃弧，且隨著電流的增大而不斷加劇。

全線共26處膨脹元件的最大和最小弓網接觸力檢測數據統計見圖6、圖7。可見，新、舊滑板工況下膨脹元件處最大和最小弓網接觸力出現明顯分界。其中舊滑板弓網最大接觸力主要分布在200～ 400 N，新滑板弓網接觸力主要分布在100～180 N；弓網最小接觸力舊滑板明顯小于新滑板，尤其是受電弓靜態抬升力為90 N和100 N的工況下最為突出。

根據標準，最大弓網接觸力≤300 N，最小弓網接觸力＞0 N。新滑板工況下弓網接觸力均滿足標準要求，舊滑板工況下最大和最小弓網接觸力均有超標現象。因此，舊滑板工況下膨脹元件處弓網關系較新滑板明顯惡劣。

圖4 正線右線膨脹元件位置燃弧分布

圖5 正線左線膨脹元件位置燃弧分布

圖6 正線全線膨脹元件處弓網最大接觸力

圖7 正線全線膨脹元件處弓網最小接觸力

2.3 硬點分析

全線共26處膨脹元件的硬點檢測數據統計見圖8。可見，新滑板工況下膨脹元件處硬點主要集中穩定在（5～20）g，舊滑板工況下硬點相對零散分布在（20～60）g。舊滑板工況下受電弓通過膨脹元件時硬點值明顯高于新滑板工況。

根據相關標準，硬點檢測標準為小于49 g。新滑板工況下，受電弓通過膨脹元件時硬點值滿足標準要求；舊滑板工況下，受電弓通過膨脹元件時硬點值嚴重超標。因此，舊滑板工況下膨脹元件處弓網關系較新滑板明顯惡劣。

根據檢測數據和受電弓通過膨脹元件時的弓網接觸過程分析可知，新滑板在工作范圍內碳條高度相同，當滑板通過膨脹元件時，因滑板與三支接觸線高度一致而平滑過渡，弓網接觸力穩定，無硬點和燃弧產生。

舊滑板碳條中心存在局部磨耗，經現場實測磨耗區域絕大多數分布在距滑板中心±30 mm范圍內，當受電弓滑板由匯流排滑行進入膨脹元件前，匯流排接觸線逐漸過渡到滑板中心，此時距滑板中心±30 mm區域內滑板高度已高于膨脹元件外側接觸線高度，當受電弓到達膨脹元件端部時便造成±30 mm區域內滑板與膨脹元件外側兩接觸線撞擊，形成硬點，引起弓網接觸力波動，進而引起燃弧，造成膨脹元件燒蝕。因此，滑板中心處不均勻磨耗是膨脹元件燒蝕的直接原因。

圖8 膨脹元件處硬點檢測數據

3 滑板中心處不均勻磨耗原因分析

3.1 滑板機械磨耗與接觸線平面布置關系

根據平面布置圖（見圖9、圖10），沿線將匯流排與接觸線往復布置在距線路中心±200 mm區域內，使得車輛通過時接觸線在受電弓滑板工作區域做往復滑動摩擦接觸，當接觸線在某一小區域分布點較多時便造成接觸線在滑板該區域摩擦接觸的距離更長。根據國內外剛性接觸網系統的研究及運行經驗，受電弓滑板磨耗主要由機械磨耗和電氣磨耗兩部分組成，其中機械磨耗即為受電弓滑板與接觸線直接的機械滑動摩擦。圖10中位置1—位置5的接觸線拉出值分布呈非正態分布，分布頻次較高處對應滑板相應位置磨耗也較嚴重，可見拉出值分布密度呈非正態分布使受電弓發生不規則磨耗[4]。

3.2 接觸網平面布置特征

根據實際檢測數據分析，此條線路主要采用3種平面布置方案：單周期正弦一次過零布置、單周期正弦三次過零布置和單周期八字形布置（見圖11—圖13）。

圖9 正線剛性懸掛平面布置圖

圖10 試驗用受電弓舊滑板磨耗

圖11 單周期正弦一次過零布置拉出值分布統計

圖12 單周期正弦三次過零布置拉出值分布統計

圖13 單周期八字形布置拉出值分布統計

舊滑板磨耗是3種平面布置與膨脹元件布置綜合作用的結果。進一步分析發現，3種平面布置有各自的拉出值分布特點，分別選取圖12中3個典型單周期錨段平面布置圖做拉出值分布統計（見圖14、圖15）。其中距滑板中心±30 mm區域（圖2中位置3）為膨脹元件平面布置特征引起，距滑板中心±100 mm區域（圖2中位置2和位置4）是由不足單周期正弦一次過零布置引起，距滑板±200 mm區域（圖2中位置1和位置5）是由單周期正弦一次過零和單周期正弦三次過零布置疊加共同作用引起，因此該區域不均勻磨耗程度最嚴重，并且其中3種平面布置方案在距滑板中心-100～100 mm范圍內拉出值分布均勻，滑板中心無分布過比例情況。因此，3種平面布置方案并非引起滑板中心±30 mm范圍過磨耗的原因。

圖14 含膨脹元件拉出值波形

3.3 膨脹元件平面布置特征

根據該線接觸網設計圖紙，一期全線共安裝26套膨脹元件，每處膨脹元件除設備自身安裝在拉出值為0的位置外，為便于匯流排拉出值的平滑過渡，其兩端各約15 m的匯流排拉出值也接近零點布置。

由圖14所示錨段拉出值進行拉出值分布統計（結果見圖15），顯然膨脹元件的拉出值平面零點布置是引起滑板距中心±30 mm區域過磨耗的根本原因。

圖15 含膨脹元件平面布置拉出值分布統計

4 結論

（1）接觸線采用混合3種平面布置的方案并非引起距滑板中心±30 mm范圍滑板過磨耗的主要原因，是滑板不均勻磨耗的主要原因。

（2）該線膨脹元件拉出值為0的布置方案導致受電弓滑板中心出現過磨耗問題，滑板中心過磨耗區域又進一步導致膨脹元件處弓網關系惡化，是引起膨脹元件燒蝕嚴重的直接原因。建議相關設計單位對膨脹元件的安裝位置進行優化設計。

[1] 劉長利，劉永紅．構建電氣化鐵路接觸網防災安全技術體系[J]．中國鐵路，2013(3)：12-16．

[2] 張韜．接觸網外部環境安全風險及防控措施[J]．中國鐵路，2014(11)：20-23．

[3] 李娜，張弘，于正平．受電弓滑板-接觸導線摩擦磨損機理與特性分析[J]．中國鐵道科學，1996(4)：63-68．

[4] 王劍．地鐵剛性接觸懸掛弓網磨耗問題研究[J]．都市快軌交通，2012，25(4)：59-62．

盛良：中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，助理?研究員，北京，100081

李向東：北京鐵科英邁技術有限公司，工程師，北京，?100081

責任編輯高紅義

U226.8

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1672-061X（2016）06-0101-05