南京地鐵4 號線弓網(wǎng)異常磨耗研究與解決

諸忠華

（南京地鐵運營有限責任公司，江蘇南京 211135）

0 引言

南京地鐵4 號線開通運營10 個月后，發(fā)生弓網(wǎng)磨耗異常故障，在碳滑板左右側距中心線230～250 mm 位置出現(xiàn)磨損嚴重的坑槽，坑槽處磨損面粗糙并伴有銅粉附著。故障初期，接觸網(wǎng)專業(yè)開展多輪全線排查、冷滑及網(wǎng)檢，未發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)有結構參數(shù)變化、硬點和異物懸掛等異常現(xiàn)象，接觸網(wǎng)狀態(tài)正常。由于碳滑板坑槽對接觸線的磨損，使接觸線對應位置處出現(xiàn)側磨和裹線等現(xiàn)象，并逐步加重，使弓網(wǎng)磨損進一步加劇，碳滑板壽命降低到6～7 d。對弓網(wǎng)磨耗影響因素的分析，提出將剛性接觸網(wǎng)正弦波調整為之字形的解決方案，并成功實施和解決了4 號線的弓網(wǎng)異常磨耗故障。

1 弓網(wǎng)磨耗的研究

1.1 影響因素

①接觸壓力。壓力會影響摩擦系數(shù)，壓力大則摩擦系數(shù)大，機械磨損就大；壓力小則弓的跟隨性差，容易產(chǎn)生電弧，電氣磨損就大。磨損率隨接觸壓力呈U 形變化；②運行速度。速度會影響摩擦系數(shù)，也會使弓和網(wǎng)的相對平順性變差，容易產(chǎn)生電弧；③牽引電流。電流通過接觸電阻產(chǎn)生熱量，電流大容易產(chǎn)生高溫，同時電弧能量也較大；③弓網(wǎng)材料：材料會影響弓網(wǎng)的摩擦系數(shù)、耐磨性、耐熱性、散熱性、親和性等。

1.2 溫度的影響

根據(jù)西南交通大學摩擦學研究院關于溫度對碳滑板材料磨損影響的實驗：低溫時，摩擦表面有大量的犁溝和磨粒，主要以磨粒磨損為主，對應的磨損量較小；高溫時（200 ℃以上），摩擦表面有氧化、熔融的特征，主要以粘著磨損為主，對應的磨損量較大。

1.3 綜合思考

分析壓力、速度、電流等因素的作用過程，它們對磨耗的影響主要都是通過產(chǎn)生熱量，造成溫度升高而影響碳滑板的物理化學性能，降低耐磨性。弓網(wǎng)之間的溫度主要由摩擦熱、焦耳熱和電弧熱疊加產(chǎn)生，它們和影響因素及磨損形式的相互關系如圖1 所示。

圖1 影響因素及磨損形式的相互關系

2 4 號線異常磨耗原因分析

2.1 分析角度與思路

根據(jù)行業(yè)內的研究，壓力、速度、電流、材料等因素是弓網(wǎng)磨耗的根本因素，而溫度則是直接因素，磨耗和溫度呈正相關關系。從解決問題的可行性、快速性和簡單性角度分析思考弓網(wǎng)異常磨耗原因，拋開根本因素及影響的復雜性，認為可以從直接因素溫度和碳滑板對溫度的耐受性去考慮，從降低碳滑板溫度或提高溫度耐受性的角度去解決問題。

根本因素對溫度的影響是復雜的，但可以換一個角度去思考。溫度的變化是需要時間的，溫度和時間必然是關聯(lián)的。列車運行中，弓網(wǎng)是點接觸，對應碳滑板上某個位置與接觸線接觸時升溫，分離時冷卻，升溫時間th和冷卻時間tc必然影響著接觸點的溫度。

2.2 溫度的相關因素

根據(jù)上述思路，從弓網(wǎng)接觸時間去考慮，溫度變化和接觸網(wǎng)的拉出值波形及線路長度有一定的關系。碳滑板的材質對溫度也有一定影響。

2.3 接觸網(wǎng)拉出值波形的分析

目前接觸網(wǎng)拉出值的波形布置有兩種：正弦波和之字形。柔性接觸網(wǎng)一般為之字形布置，剛性接觸網(wǎng)有正弦波和之字形兩種。它們的區(qū)別主要在于波峰（一般為250 mm）向線路中心線的彎曲半徑，正弦波彎曲半徑大，而之字形彎曲半徑小。

無論什么波形，波峰處弧線的拉出值變化幅度都較小。正弦波在波峰處由于彎曲半徑大，與碳滑板對應位置的連續(xù)接觸時間相對長一點；而之字形由于彎曲半徑小，波峰處弧線與碳滑板對應位置的連續(xù)接觸時間相對短一點。

碳滑板的異常磨耗坑槽出現(xiàn)在左右230～250 mm 位置，和接觸網(wǎng)波峰弧線的拉出值相對應，說明異常磨耗和接觸網(wǎng)拉出值波形有一定的關聯(lián)。但也有很多地鐵線路為正弦波布置，卻未發(fā)生弓網(wǎng)異常磨耗，而且4 號線弓網(wǎng)異常磨耗也不是剛開通運營時就有的，說明接觸網(wǎng)拉出值波形不是異常磨耗的必然因素，只是相關因素。

2.4 剛性接觸網(wǎng)長度的分析

全線接觸網(wǎng)是由一個個錨段連接而成的。列車運行中，碳滑板經(jīng)過一個錨段的溫度變化是有限的，但每經(jīng)過一個錨段就會提升一點溫度ΔT，隨著運行溫度不斷升高。線路越長，錨段越數(shù)多，越容易產(chǎn)生高溫。

柔性接觸網(wǎng)一般為之字形布置，在230～250 mm 位置與碳滑板接觸時間短，且相對剛性接觸網(wǎng)有較好的彈性，與碳滑板的摩擦系數(shù)較小，因此不容易造成異常磨耗。所以對異常磨耗有影響的線路長度主要是指剛性接觸網(wǎng)長度。

2.5 碳滑板材料分析

4 號線采用的是浸金屬碳滑板（75%碳+25%銅），碳是非金屬，銅是金屬，它們的親和性不會很好，與溫度相關的物理參數(shù)（比熱容、導熱率、膨脹系數(shù)、熔點等）有較大差異。隨著列車的運行，碳滑板不斷吸收熱量，由于銅的比熱容小，相對碳而言升溫會更快更高；同時碳的導熱率較小，銅的熱量則不容易散出；高溫會導致膨脹，而銅的膨脹系數(shù)較碳大很多，銅會從碳的孔隙中析出，改變局部微觀結構；高溫還會導致銅軟化，甚至液化、氣化，會降低粘結劑的粘結力。因此高溫會引起碳滑板物理化學性能的改變，會導致其耐磨性能的下降。

由于溫度對材料耐磨性能的影響，必然會存在一個臨界溫度Tf，在溫度＜Tf時碳滑板的耐磨性能較好相對穩(wěn)定，當溫度≥Tf時，碳滑板的耐磨性能開始下降。對于碳滑板而言Tf值越高越不容易發(fā)生異常磨損。

浸金屬碳滑板的材料成分（碳、銅、粘結劑及其他添加材料）及其含量比例，以及制造工藝、結構尺寸都會影響碳滑板的Tf值、耐磨性、耐熱性、散熱性、摩擦系數(shù)及接觸電阻等特性。

2.6 異常磨耗的機理

由于剛性接觸網(wǎng)正弦波波形布置，碳滑板在230～250 mm位置與接觸線持續(xù)接觸時間較長，使該處吸收熱量較多，溫度上升；駛離該區(qū)段則溫度開始下降，由于冷卻介質是空氣，冷卻效果有限，冷卻時間又不夠長，冷卻的溫度低于上升的溫度。每經(jīng)過一個接觸網(wǎng)錨段，溫度會上升一點，運行距離越長上升的溫度越高。隨著摩擦系數(shù)和電弧頻率的變大，經(jīng)過每個錨段上升的溫度ΔT 也變大，較長的剛性接觸網(wǎng)線路使碳滑板230～250 mm 處的局部溫度TB最終超過了碳滑板耐磨性能的臨界溫度Tf值。

碳滑板Tf值低，運行時溫度容易超越，此時其中的銅會膨脹軟化，膨脹軟化的銅會從碳的孔隙中析出，造成局部摩擦系數(shù)增大，且和同樣材質的接觸線（以銅為主）有更好的親和性，從而吸附轉移到接觸線上，導致碳滑板接觸點處只留下有孔隙的碳層，耐磨性能下降。吸附轉移到接觸線上的銅冷卻后形成銅粉顆粒，在后續(xù)列車經(jīng)過時回落到碳滑板，產(chǎn)生磨粒摩擦，更加加劇碳滑板的磨損，同時也加劇了接觸線的磨損。升溫過程中，碳滑板局部間較大的溫差及膨脹率，會在內部產(chǎn)生熱應力，嚴重情況下甚至會導致邊緣處崩塊。

3 解決方案及解析

3.1 解決方案

根據(jù)上述分析，解決方案有兩種：降溫法和提升Tf法（表1）。

表1 異常磨耗解決方案

3.2 方案解析

將剛性接觸網(wǎng)拉出值波形由正弦波調整為之字形，主要是通過縮短升溫時間th并延長冷卻時間tc，使經(jīng)過每個錨段的溫升ΔT 降低，從而降低230～250 mm 位置碳滑板溫度TB的上升速度，使TB在運行期間無法升到Tf，從而保持碳滑板的耐磨性能，恢復弓網(wǎng)關系。

4 結語

雖然通過調整接觸網(wǎng)拉出值波形解決了弓網(wǎng)異常磨耗故障，但這不意味著波形是異常磨耗的根本原因，根本原因還是要從壓力、速度、電流、材料等因素去研究。壓力、速度、電流等因素通過弓網(wǎng)接口向碳滑板傳輸熱量，并決定熱量大小，材質決定碳滑板對熱量的承受能力，接觸網(wǎng)參數(shù)決定熱量在時空上的分配方式。因此調整波形只是改變了碳滑板局部對熱量的接收量和處理時間，使熱量在碳滑板各處的分配盡量均衡合理，而未改變系統(tǒng)中熱量的傳輸總量和對熱量的承受能力。