受電弓統型碳滑板研究

陳朝 朱家奇 吳明洲

摘 要：隨著大量新增線路和已有線路增購項目的推進，投用的受電弓品牌和型號不斷增加，碳滑板種類也不相同。調研了上海地鐵所有受電弓線路信息，并對各種影響統型的因素進行了研究分析，設計出兩款通用性較強的碳滑板。并對碳滑板進行了實驗室測試與裝車測試。同時對必要的相關羊角結構進行了修改。

關鍵詞：受電弓;碳滑板;碳材料;羊角;統型

中圖分類號：U264.34 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0090-02

0 引言

碳滑板作為列車供電系統中的重要部件，與弓網狀態密切相關，如出現故障，可能會引發弓網事故。碳滑板的管理對于弓網配合至關重要，隨著軌道交通的快速發展，碳滑板型號的增加給管理帶來難度。

本文通過對受電弓碳滑板材料、受流性能、結構、尺寸等方面進行研究，將目前上海地鐵在用的碳滑板型號進行統型，在提高管理和工作效率的同時，統型碳滑板對于弓網磨耗研究具有極大的價值。

1 地鐵線路現有受電弓調研

目前上海地鐵受電弓根據驅動形式可區分為電動弓和氣動弓，根據升弓機構可區分為彈簧弓和氣囊弓，弓頭懸掛構造可區分為彈簧盒、彈簧片、橡膠結構件等懸掛方式，共有十四種型號受電弓，使用受電弓碳滑板型號多達十二種。

2 碳滑板統型研究

2.1 碳滑板統型設計流程

（1）根據工況進行材料選型;（2）計算碳滑板的載流能力;（3）根據需求設計碳滑板結構;（4）評估碳滑板的重量及尺寸;（5）后期試驗驗證碳滑板的性能。

2.2 碳滑板材料研究

受電弓碳滑板的材料發展至今，經歷了很多的階段，所用材料不斷更新，對各類碳滑板材料的優劣進行分析并選型：

（1）純金屬材料。以純銅材料為主，相對于硬銅的接觸導線，親和力大，易引起粘著磨損。（2）粉末冶金材料。強度高，導線性能良好，耐電弧損傷性能差，即使使用添加潤滑劑，也會嚴重磨耗觸網。（3）純碳材料。具有良好的自潤滑性和減摩性能，且耐電弧性能優良。但機械強度低，耐沖擊性能差，運行時遇到硬點容易造成滑板折斷和破裂。（4）浸金屬碳材料。浸金屬材料取長補短，兼具了碳材料的高潤滑效果高穩定性與金屬材料的高導電性能和高機械強度。（5）碳銅復合材料。碳滑板前沿材料，由于會發生濕氣電化腐蝕，使得其在下雨天的應用表現不及預期，無法滿足運營需要。

綜上，針對上海的應用工況與氣候條件，目前浸金屬材料統型碳滑板是更為合理、可靠。

2.3 碳滑板碳條統型尺寸及材料選型研究

目前根據上海地鐵在用受電弓碳滑板的形式，可劃分為雙滑板和四滑板兩大類。雙滑板受電弓要求單根碳滑板載流性能高，只有60mm一種寬度。四滑板受電弓碳滑板數量多對于單根碳滑板載流性能要求較低，有42mm、50mm、60mm三種寬度見圖1。

碳滑板的統型設計，根據碳滑板材料的受流性能與滑板寬度綜合計算碳滑板的載流能力，計算公式：

碳滑板的載流能力=材料的電流密度╳碳滑板的寬度。

以高強度浸金屬和高導流浸金屬的兩種目前成熟的浸金屬材料作為統型材料進行受流能力計算參數見表1。

2.3.1 碳滑板材料、尺寸綜合統型研究

因雙碳滑板和四碳滑受電弓使用的碳滑板數量不同，需根據兩種材料性能分別計算載流能力。雙滑板、四滑板受電弓載流計算參數見表2、表3。

根據計算結果，60mm寬度的高導流浸金屬材料碳條可;所有寬度碳滑板都能滿足四滑板受電弓載流性能要求。

2.3.2 碳滑板統型重量、尺寸綜合研究

雙滑板受電弓碳滑板統型寬度保持60mm寬度不變，統型選用高導流浸金屬材料，與原碳滑板重量重量相近。

四滑板受電弓統型為保持原使用42mm、50mm、60mm寬度碳滑板的三種受電弓弓頭在統型后力學性能相近，使用50mm作為統型寬度，該尺寸的碳滑板重量及載流性能居中，選用高強度浸金屬其抗折性能更好、密度較低，單位體積重量更輕，保證原受電弓的弓頭懸掛性能，統型后的單根碳滑板受流參數見表4。

2.4 碳滑板結構統型研究

2.4.1 導電螺栓安裝結構、尺寸統型

導電螺栓規格統一采用M8螺栓，為避免導電螺栓安裝位置與不同型號受電弓上框架干涉，采用碳滑板安裝螺栓固定分流導線，并使用銅鋁墊片增加設計可靠性見圖2。

2.4.2 安裝螺栓安裝結構統型

為避免與不同型號受電弓上框架構造干涉，安裝螺栓采用一螺釘螺母、一螺栓的方式。螺釘位置可設置橡膠緩沖件，滿足緩沖、固定等基本功能見圖3。

2.4.3 碳滑板底座、羊角結構統型

受電弓碳滑板一般安裝于羊角安裝座，為達到便于更換、無法錯裝其他品牌碳滑板等要求。各型號受電弓碳滑板及其安裝的結構略有區別。因此統型碳滑板的同時羊角安裝結構也需一并統一。

按照《TB-T 3271-2011軌道交通受流系統受電弓與接觸網相互作用準則》對羊角長度和角度進行設計，同時通過對羊角重量的微調減小碳滑板統型前后弓頭重量變化，調整羊角安裝座形狀使之與羊角緊密貼合。

2.5 有效長度統型研究

上海地鐵接觸網的拉出值是±200mm，在用碳滑板的有效長度在645～680mm之間。按照《TB-T 3271-2011軌道交通受流系統受電弓與接觸網相互作用準則》設計受電弓弓頭，統型使用標準碳滑板的長度為1050mm，有效長度為650mm。

2.6 碳滑板重量驗證

受電弓的跟隨性與離線率主要受弓頭重量的影響，重量越重，則跟隨性越差，離線率越高。碳滑板統型以保持原受電弓弓頭力學性能為目標，不超出原弓頭設計重量為底線，通過統型后羊角與碳滑板重量進行配比與原受電弓保持一致。四碳滑板受電弓碳滑板與雙碳滑板受電弓碳滑板重量均值與統型碳滑板樣品重量進行比較見表5。

由于統型前后碳滑板材質物理及化學性質相近，最終統型前后碳滑板重量無明顯變化。

2.7 碳滑板統型參數

根據統型結果對雙滑板、四滑板受電弓的統型碳滑板尺寸按照相關技術標準進行統一，統型參數見表6。

2.8 統型碳滑板的實驗室測試

根據實驗室測試，各項指標符合標準要求。測試結果見表7。

3 結語

通過對上海地鐵碳滑板進行匯總與研究，得出兩款統型碳滑板原型，不僅僅為研究現有受電弓改造做出了指導，同時也為今后新車型受電弓碳滑板的選型給出了方向。

參考文獻

[1] 摩根新材料（上海）有限公司.上海地鐵高強度浸金屬統型碳滑板測試報告[R].上海：摩根新材料（上海）有限公司，2018.

[2] 摩根新材料（上海）有限公司.上海地鐵高導流浸金屬統型碳滑板測試報告[R].上海：摩根新材料（上海）有限公司，2018.