接觸軌線路靴軌關(guān)系的研究及改善分析

肖友慶

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東廣州510030）

1 靴軌簡介

接觸軌是在線路旁側(cè)鋪設(shè)，專為地鐵列車供電的特殊輸電形式。集電靴是用于向接觸軌動(dòng)態(tài)取流，滿足列車電力需求的供能裝置。靴軌在工作狀態(tài)下，集電靴在接觸軌下受流面動(dòng)態(tài)滑行，從而形成供電回路，給列車提供電力。

2 靴軌接觸情況及正常損耗分析

集電靴運(yùn)行軌跡可以歸結(jié)為以下三種情形：（1）在接觸軌主體下受流滑行；（2）通過端部彎頭離開接觸軌；（3）通過端部彎頭進(jìn)入接觸軌。

2.1 在接觸軌主體下受流滑行

集電靴通過拉簧系統(tǒng)控制工作高度及與靴軌壓力，使碳滑板與接觸軌鋼帶在滑行中保持緊密接觸。在滑行過程中，由于碳滑板質(zhì)地較接觸軌軟，因此碳滑板中部會(huì)出現(xiàn)明顯的劃痕。

同時(shí)，由于高速、車體震動(dòng)、集電靴安裝精度等客觀因素，集電靴和碳滑板間可能會(huì)產(chǎn)生離線現(xiàn)象。離線瞬間，靴軌間會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，放電現(xiàn)象通常伴隨著亮光出現(xiàn)，并在集電靴中部留下放電痕跡。

2.2 集電靴離開端部彎頭

端部彎頭設(shè)置在接觸軌斷口處，是用以保證集電靴平滑過渡的重要設(shè)備。集電靴離開端部彎頭可分為三個(gè)階段：

（1）完全接觸階段：完全接觸階段指集電靴即將離開端部彎頭的預(yù)彎點(diǎn)1前，與鋼帶仍完全接觸的階段，如圖1所示。在該階段，受流面積最大。

圖1 完全接觸階段

（2）部分接觸階段：隨著集電靴的前行，碳滑板逐漸離開鋼帶表面，受流面積逐步減小。隨著碳滑板離開預(yù)彎點(diǎn)1，集電靴沿著端部彎頭設(shè)計(jì)坡度而抬升，不斷恢復(fù)至自由工作高度，如圖2所示。此間，碳滑板與鋼帶間接觸面積進(jìn)一步減少。

圖2 部分接觸階段

（3）臨界接觸階段：當(dāng)集電靴恢復(fù)至自由工作高度后，準(zhǔn)備離開端部彎頭，如圖3所示。

圖3 臨界接觸階段

集電靴離開端部彎頭時(shí)相當(dāng)于列車的供電回路斷開，根據(jù)拉弧原理，在大氣中，只要電壓超過12～20 V，被開斷的電流超過0.25～1 A，在開關(guān)觸頭間隙中就可以產(chǎn)生電弧。因此在該階段靴軌間通常會(huì)有拉弧現(xiàn)象，在端部彎頭及集電靴上有清晰的放電痕跡。

綜合以上階段的分析，集電靴離開端部彎頭的過程中，集電靴逐步從端部彎頭脫離，受流接觸面積逐漸減少至消失。結(jié)合：

對上述公式進(jìn)行變形推導(dǎo)，可得出：

針對固定的集電靴，在其他參數(shù)恒定的情況下，對接觸面積對溫升的影響進(jìn)行研究，設(shè)定其他變量恒定，簡化其為常數(shù)Cs，則在t時(shí)間內(nèi)接觸面積大小與溫升關(guān)系為：

由此推導(dǎo)可以看出，在時(shí)間t內(nèi)，接觸面積大小與溫升成二次反比例關(guān)系。若接觸面積減小，溫升會(huì)呈二次函數(shù)形態(tài)提高。在此期間，靴軌間溫度很容易達(dá)到接觸軌鋼帶和碳滑板的熔點(diǎn)，造成接觸軌和集電靴的損耗。

2.3 集電靴進(jìn)入端部彎頭

集電靴接觸到端部彎頭的瞬間，集電靴端部會(huì)與端部彎頭鋼帶間產(chǎn)生撞擊，該撞擊力與集電靴速度有關(guān)，速度越快，撞擊力越大，給集電靴造成的撞擊損耗也就越大。

3 集電靴的損耗分析

3.1 機(jī)械損耗

為提高集電靴在過渡端部彎頭時(shí)的受流性能，碳滑板兩端通常會(huì)切成斜面，呈導(dǎo)角設(shè)計(jì)。一般而言，在導(dǎo)角邊緣處有明顯的三角摩擦痕跡和缺口痕跡。

這是由于接觸軌軌面標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)高為（200±5）mm，平行于鋼軌面，集電靴磨損在中間位置，若要磨損集電靴靠線路外側(cè)部分，需集電靴抬升了一定高度后靴面傾斜以一定角度與接觸軌軌面接觸才可能實(shí)現(xiàn)（集電靴抬高在200～276 mm之間）。因此，只有進(jìn)出端部彎頭處，集電靴才會(huì)產(chǎn)生偏磨。

3.2 電氣損耗

結(jié)合上文分析，集電靴在高速下離開端部彎頭時(shí)會(huì)產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，電弧在集電靴上留下明顯的熔傷點(diǎn)。

4 靴軌關(guān)系的改良措施

靴軌關(guān)系是列車供電系統(tǒng)中重要的組成部分，靴軌關(guān)系的好壞直接影響著接觸網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定和列車的供電性能。因此，靴軌關(guān)系的改良可考慮實(shí)施以下措施：

4.1 無電區(qū)的設(shè)計(jì)

列車在無電區(qū)進(jìn)出時(shí)電氣磨耗會(huì)加劇，因此在設(shè)計(jì)上可充分考慮這個(gè)問題，實(shí)現(xiàn)全線無無電區(qū)，無單靴負(fù)載區(qū)，最大程度上保證良好的靴軌關(guān)系。

4.2 靜態(tài)接觸力的選擇

靴軌間由摩擦引起的磨耗，與靴軌間的正壓力有關(guān)。正壓力越大，磨耗越高；正壓力過小，受流器容易產(chǎn)生沖擊震動(dòng)，產(chǎn)生拉弧，影響受流器結(jié)構(gòu)壽命。因此，適當(dāng)提高靜態(tài)接觸力可較好地保證列車在高時(shí)速下的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)取流。

4.3 提高接觸軌安裝精度

接觸軌的安裝精度也與靴軌關(guān)系密切相關(guān)，速度越高，接觸軌線路越需要匹配更高的施工安裝精度。

4.4 加強(qiáng)設(shè)備日常保養(yǎng)

針對集電靴運(yùn)行情況建立相應(yīng)臺(tái)賬，定期開展針對非正常痕跡的跟蹤復(fù)核。加強(qiáng)集電靴拉簧系統(tǒng)的檢查，保證靴軌間的接觸力、升靴高度滿足設(shè)計(jì)需求。加強(qiáng)集電靴絕緣性能的檢查，定期測量集電靴絕緣蓋板的絕緣電阻，確保主回路電壓與轉(zhuǎn)向架間的絕緣性能良好。

5 結(jié)語

集電靴在接觸軌日常運(yùn)行過程中客觀存在著摩擦、碰撞、拉弧現(xiàn)象，該類現(xiàn)象只能通過技術(shù)手段有效減少，而無法完全消除。運(yùn)營檢修時(shí)還需清晰準(zhǔn)確判斷摩擦、拉弧痕跡的分布，從而有效地對接觸軌設(shè)備、集電靴設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)維護(hù)。

[1]于松偉.我國地鐵接觸軌技術(shù)發(fā)展綜述與研發(fā)建議[J].都市快軌交通，2004，17（2）：6-11.

[2]朱俐琴.城市軌道交通系統(tǒng)供電制式與受流方式分析[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2003（3）：29-31.

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