深圳地鐵11號線受電弓碳滑板磨耗率研究

朱偉鵬

(深圳市地鐵集團有限公司 運營總部， 廣東深圳 518040)

碳滑板為安裝于列車受電弓頂部，負責與接觸網接觸滑動獲取電力，通過碳滑板把電力傳輸至列車以保障列車運行的受流設備?；瑒尤×鬟^程中會導致碳滑板磨耗，碳滑板磨耗異常將導致碳滑板更換周期過頻，增加運營成本；磨耗異常將導致滑板表面形成凸臺、凹槽；更甚導致自動降弓，增加列車安全運行風險。深圳地鐵11號線自開通運營以來，正線為剛性接觸網與碳滑板受流，全程約51 km，17個區間，包括3個純柔性接觸網區間，12個剛柔過渡區段，11個剛性接觸網區間；運營初期弓網關系惡劣，碳滑板異常磨耗，碳滑板磨耗率高達4.6 mm/萬km，經技術整改，現碳滑板磨耗率為1.2 mm/萬km；為闡述降低碳滑板磨耗，延長碳滑板使用生命周期措施，文中開展此項研究。

1 研究技術目標

主要目標：降低碳滑板磨耗率，使碳滑板磨耗率從5 mm/萬km降低或超過既有線水平(運營線路受電弓碳滑板磨耗約1.4 mm/萬km)。

圖1 目標值設定

2 技術措施

2.1 剛柔接觸網研究

11號線全線51 km，分布約1/4為柔性接觸網，3/4為剛性接觸網；縱觀國內外地鐵運行情況，柔性網狀態下普遍弓網關系較為良好，剛性網狀態下弓網沖擊、拉弧情況較為嚴重；為更好研究11號線弓網關系改善余地，研究國內部分剛性及柔性地鐵線路弓網匹配情況，見表1。

表1 國內地鐵調研情況

2.2 碳滑板大數據統計

為研究碳滑板磨耗規律，進行碳滑板大數據統計，結合受電弓特別修進行碳滑板厚度數據統計，統計點包括以滑板中心向兩側延遲間距40 mm點共17個點，見圖2。

圖2 碳滑板大數據統計

2.3 弓網動態試驗

(1) 初期試驗分析

深圳地鐵11號線運營初期，正線接觸網膨脹原件拉出值設置為0，碳滑板滑動取流過程中，經過膨脹原件處產生嚴重拉弧、撞擊，導致碳滑板在0拉出值位置磨耗劇烈，使得碳滑板中心0位置處產生嚴重凹槽，在碳滑板表面同時存在缺塊，拉弧燒融痕跡；凹槽圖片見圖3。碳滑板為消耗型備件，通過碳滑條與鋁托架連接實現取流給列車供電方式，即每根碳滑板存在一定的磨耗量及需更換的標準值；鑒于初期碳滑板異常磨耗，計算得碳滑板磨耗率為4.6 mm/萬km，碳滑板使用壽命約為1.5個月；凹槽在弓網運行過程中會造成較大沖擊，對弓網匹配關系造成嚴重影響，為緩解碳滑板異常磨耗情況，對膨脹原件位置進行調整，保證接觸網“之”字形過渡，使正線運營過程中碳滑板在±200 mm內避免直接撞擊膨脹關節，均勻過渡。

圖3 初期碳滑板磨耗情況

為跟蹤試驗調整效果，跟蹤碳滑板磨耗情況，碳滑板裝車運營60天，走行公里數約4.5萬km，列車碳滑板±200 mm范圍內仍然普遍存在撞擊缺塊，滑板表面存在明顯磨耗不均痕跡，弓網沖擊情況較為嚴重，受電弓在接觸網膨脹原件、中間接頭等處過渡不平順，雖碳滑板偏磨、異常磨耗情況有所改善，但弓網匹配關系仍處于較為惡劣的狀態，跟蹤碳滑板磨耗率降低為2.6 mm/萬km，見圖4。

圖4 跟蹤碳滑板磨耗情況圖片

(2) 弓網動態試驗

為研究改善弓網關系，組織西南交通大學牽引動力實驗室于1114車安裝設備，在碧頭—福田上下行全線進行弓網動態測試試驗，試驗主要測量數據有：弓網離線火花、受電弓滑板高度、受電弓運行監視、弓網接觸壓力、受電弓振動加速度、受電弓關鍵部位應力及電流等參數。

弓網動態試驗分別于受電弓前后碳滑板支架安裝拉壓式力傳感器、開口方向安裝火花探測器、受電弓運行監視相機和滑板高度動態檢測相機及于前后滑板下方各安裝振動加速度傳感器(包括垂向、縱向和橫向)。正線弓網加速度測量結果如圖5、圖6所示。

試驗結論如下：

(a) 剛性網相較柔性網弓網沖擊更為劇烈(剛性區段沖擊加速度均有超過50g的情況，其中僅上行線就達43處，柔性區段加速度振幅維持在25g以內)；

(b) 機場—碧海灣剛柔過渡段振動沖擊相對劇烈，紅樹灣—車公廟剛性接觸網區間線路硬點沖擊較大，存在較大隱患。

深圳地鐵11號線，對于剛性接觸網區段，燃弧及撞擊大多出現于膨脹關節處，較大垂向撞擊將導致碳滑板表面缺塊，撞痕，表面磨耗不均勻，出現凹槽、縫隙，碳滑板再與接觸網滑動取流時由于縫隙產生拉弧火花現象，對碳滑板及接觸網的使用壽命造成嚴重影響同時不利于碳滑板均勻磨耗。

圖5 碳滑板垂向加速度值區間分布

圖6 碳滑板垂向加速度>50g個數統計

(3) 膨脹元件整改

深圳地鐵11號線主要為剛性接觸網區間，全線17個區間，包含純剛性接觸網區間11個，異常膨脹關節的存在對弓網關系及碳滑板的磨耗存在不良影響，為解決該影響，進行膨脹原件整改。全線膨脹原件247個，于2017年3月時完成膨脹原件整改40處。

原膨脹原件為三線受流方式，兩端夾持中間匯流排方式，由三線受流至二線受流再到三線受流方式，膨脹原件自重約60 kg，兩端有向上弧度以保證均勻過渡，該類型膨脹原件由于自重較大，使用過程中會產生1～2 mm弧度下沉，且兩端與受電弓接觸點較多，受電弓經過時，容易造成膨脹及拉弧，嚴重影響弓網關系；新型膨脹原件為二線受流方式，質量較輕，質量約為50 kg，整體結構較為緊湊，兩端保持向上的弧度形狀且接觸線為經過打磨狀態，保證受電弓經過膨脹原件時均勻過渡。膨脹原件整改如圖7所示；至2017年3月整改完成膨脹40處，測量碳滑板磨耗率為1.66 mm/萬km，見表2。

表2 2016年7月～9月碳滑板磨耗率統計表

圖7 整改前、后膨脹原件圖

圖8 碳滑板磨耗率折線圖

2.4 新弓頭裝車

(1) 11號線列車受電弓類型

表3 抽檢碳滑板磨耗率

(2) 新型Stemmann弓頭

碳滑板對比：

Stemmann新弓頭自配Pantrac碳滑板，Pantrac碳滑板電阻率為4 uΩm，抗彎強度為95 N/mm2材料為銅錫碳組合材料，摩根碳滑板為深圳地鐵11號線九方受電弓使用碳滑板，電阻率為4 uΩm，抗彎強度為75 MPa，材料為碳銅片組合材料；Stemmann新型弓頭(帶Pantrac滑板)于2017年3月裝于1105車，2017年5月將2車、7車更換為摩根碳滑板，同一列車上不同碳滑板磨耗率，具體磨耗率對比如表4所示。

圖9 Stemmann新型弓頭

車號滑板類型走行里程/km磨耗率/(mm·(萬km)-1)4車Pantrac61 5231.812車、7車摩根37 0841.12

為進一步驗證摩根碳滑板于新型Stemmann受電弓的應用情況，2017年6月于1104車試裝新型Stemmann弓頭，并裝配摩根碳滑板；2017年8月于1103車試裝新型Stemmann新弓頭，新型弓頭碳滑板磨耗情況如表5所示。

表5 Stemmann新型弓頭摩根碳滑板磨耗率

根據以上數據得出，新型Stemmann受電弓弓頭運行情況良好，使用Pantrac碳滑板則磨耗率為1.81 mm/萬km，碳滑板更換周期約為4.2個月，使用摩根碳滑板則平均磨耗率為1.19 mm/萬km，碳滑板更換周期約為6.4個月。

2.5 碳滑板打磨

(1) 打磨背景

地鐵列車沿軌道行駛，受電弓碳滑板無法橫向移動，接觸網設置一定的拉出值，使列車沿著軌道行駛時碳滑板在橫向方向上均勻滑動取流，使碳滑板避免磨耗同一位置，造成滑板凹槽；深圳地鐵11號剛性接觸網設置拉出值為±200 mm，且碳滑板寬度分別為1 050 mm 及800 mm，造成碳滑板200 mm至240 mm處形成凸臺如圖10所示，且由于拉出值范圍較小，磨耗不均，易在磨耗區域形成波浪形狀曲線表面，不利于碳滑板均勻磨耗。

圖10 碳滑板凸臺

(2) 打磨措施

為保證列車過道岔時受電弓碳滑板均勻過渡至另一軌道，同時保證碳滑板均勻磨耗，防止凸臺區域及碳滑板凹槽在滑動取流過程中深化影響、造成凸臺越凸，凹槽越凹現象，制定碳滑板打磨工藝。

通過對上述問題的研究，小組成員制定了一個對碳滑板凹槽進行打磨的方法。

① 50 mm內凹槽曲率半徑大于158 mm，凹槽深度小于2mm,無需打磨；

② 50 mm內凹槽曲率半徑介于106 mm與158 mm 之間, 凹槽深度介于2～3 mm，需打磨；

③ 50 mm內凹槽曲率半徑小于106 mm，凹槽深度大于3 mm的對碳滑板進行更換；

表6 打磨前后碳滑板磨耗數據對比

圖11 碳滑板磨耗

④ 凸臺范圍50 mm內高低差超過3 mm則更換碳滑板，介于2～3 mm之間則打磨至2 mm以內。

(3) 打磨工藝

① 打磨工具為銼刀打磨，若檢查過程中發現多處需打磨，則可使用角磨機打磨；

② 打磨碳滑板凸臺前，使用抹布把避雷器、絕緣子包裹嚴實，防止打磨過程中碳粉依附避雷器與絕緣子表面；

③ 如需多處打磨，使用打磨機需將線纜盤放置打磨的平臺位置，線纜盤插頭接通平臺電源，分別把打磨機與風扇插頭連接線纜盤；

④ 作業前接通風扇，風扇吹風方向對準打磨碳滑板的位置，開始作業前需站在上風口，其次，安上沙輪片，接通打磨機，測試打磨機性能是否良好；

⑤ 用打磨機對碳滑板50 mm凹槽深度超出標準的位置進行打磨，開始打磨時，沙輪片與碳滑板凸起接觸面位置盡量保證相切，防止碳滑板打磨處出現深度缺塊，隨后修平碳滑板打磨位置。同時保證打磨機轉速快、打磨均勻，保證打磨碳滑板處曲線光滑；

⑥ 打磨碳滑板過程中平穩移動打磨機，防止打磨后碳滑板出現階梯狀曲線；

⑦ 使用銼刀對打磨位置再次進行細磨，保證碳滑板表面的光滑程度。打磨完成后使用游標卡尺對兩條滑板的同一位置的高度進行檢查確認，保證滑板與接觸網同時接觸；

⑧ 打磨完用游標卡尺測量凹槽或凸臺處，確認符合標準。

(4)打磨后碳滑板磨耗率比較

分別抽取已打磨列車進行碳滑板磨耗率比較，2017年8月對1101車碳滑板進行打磨，2017年8月對1105車碳滑板進行打磨，2017年7月對1112車進行打磨，碳滑板打磨后碳滑板磨耗率存在微小變化，整體呈現降低趨勢。

3 經濟效益

降低碳滑板磨耗率研究主要經濟效益表現為以下3部分：

(1) 滑板的磨耗由初始4.6 mm/萬km降至1.18 mm/萬km，每年可節約成本416萬元；

(2) 以更換碳滑板工時計算，現磨耗率情況下節省594人工時；

(3) 為新線籌備、備件選型提供選型依據。

4 結束語

針對深圳地鐵11號線剛性接觸網情況下的碳滑板磨耗率研究，經過對接觸網拉出值調整、膨脹原件整改、新型弓頭應用、碳滑板打磨等階段，碳滑板磨耗率由初始4.6 mm/萬km降低至1.18 mm/萬km，現碳滑板磨耗率已優于既有線剛性接觸網狀態下碳滑板磨耗情況。后續將持續研究不同壓力區間情況下拉弧情況、接觸壓力對碳滑板磨耗率的影響，以期達到弓網關系的良好匹配，降低滑板磨耗。