地鐵受電弓碳滑板異常磨耗研究

摘 要：為使碳滑板的磨耗及厚度處于正常范圍，需要分析弓網接觸壓力、碳滑板材質、受電弓弓頭結構和接觸網拉出值對碳滑板異常磨耗的影響。受限于弓網系統自身的動態相互作用，弓網系統的設計與維護較為復雜。當碳滑板異常磨耗發生后，地鐵運營公司需要投入人、財、物進行維保。由于濟南軌道交通2號線運營周期較短，受電弓碳滑板異常磨耗事件暫未發生，為了給受電弓碳滑板異常磨耗的預防和維保提供技術支持，使其磨耗率控制在1.3×10-4 mm/km之內，基于國內各大城市地鐵碳滑板異常磨耗事件統計數據，以重慶地鐵6號線弓網拉弧事件作為案例借鑒，圍繞碳滑板異常磨耗的影響因素展開理論研究。

關鍵詞：地鐵；受電弓；碳滑板；異常磨耗

中圖分類號：U269.6" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）14-0065-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.016

0" " 引言

隨著國內各大城市地鐵線路的迅猛發展，路網不斷擴大，受電弓碳滑板配置數量日趨增多[1]。受電弓碳滑板與接觸網為地鐵運行提供穩定的電流[2]，正常運行情況下，碳滑板表面磨耗均勻，但存在干擾因素時，碳滑板異常磨耗問題就會增多。

磨耗異常表現為碳滑板表面形成凸臺、凹槽，導致碳滑板更換周期過頻，大幅提升了碳滑板的維保費用[3]。

因此，研究受電弓碳滑板異常磨耗問題，對保障我國地鐵安全可靠運行具有重要意義。

1" " 問題的提出

1.1" " 濟南軌道交通2號線概況

濟南軌道交通2號線于2021年3月26日正式通車，全長36.4 km。該線路是山東省濟南市第一條全自動運行地鐵線路，其標志色為河脈黃，作為貫穿濟南市的東西向市域快線，完成與濟南軌道交通3號線換乘，如圖1所示。

濟南軌道交通2號線起于王府莊站，途經6個主要城區，共設置19座車站。

濟南軌道交通2號線采用6節編組B型列車，直流額定電壓DC1 500 V，最大運行速度80 km/h。列車行駛地下線路采用剛性接觸網，每臺列車安裝2臺受電弓，接觸網與受電弓的主要參數如表1所示。

1.2" " 國內地鐵碳滑板異常磨耗事件統計

受電弓是地鐵集電裝置的重要組成部分，通過絕緣子安裝在車頂，升弓時，受電弓碳滑板與接觸網滑動接觸取得電能[4]。在受電弓受流過程中，接觸網運動狀態的改變反過來又影響到受電弓的運動，因此，碳滑板不可避免地將產生滑動磨耗。實際上，由于弓網系統的功能定位，該過程不僅包括機械磨損，還有大量電能、熱能的傳遞和轉換。碳滑板磨耗狀況直接關系到地鐵的運行安全，據相關資料調查，我國各大城市碳滑板異常磨耗事件呈多發趨勢[5]。近些年，對廣州、重慶、深圳、南京、大連等城市的碳滑板異常磨耗事件進行了統計，如表2所示。

1.3" " 問題提出的目的

在以上碳滑板異常磨耗案例中，重慶地鐵6號線的接觸網與受電弓選型與濟南軌道交通2號線相同。地鐵列車為B型、4動2拖6輛編組方式，直流額定電壓DC1 500 V，并且列車行駛地下線路采用剛性接觸網，受電弓型號為QG-120/B-CQL6，列車安裝2臺受電弓，每臺受電弓碳滑板數量為2條，材料為浸金屬碳滑板。

重慶地鐵6號線在長期運營中，發現碳滑板有異常磨耗現象發生。跟蹤重慶地鐵6號線相關運營數據，列車運行速度、線路條件并未做過更改。通過在線監測裝置所采集的數據分析得出，受電弓異常磨耗主要是接觸線存在硬點，受電弓發生離線，最終導致弓網拉弧。而造成弓網拉弧的原因很多，需要針對具體事件進行分析，才可以發現引起異常磨耗的根本原因。異常磨耗影響因素主要包括接觸壓力、摩擦速度、碳滑板材料、受電弓結構和接觸點位置等，針對異常磨耗事件，要做到精細化、規范化分析。

為了吸取經驗教訓，避免濟南軌道交通2號線地鐵發生類似的異常磨耗事件，本文將以接觸網和受電弓為研究對象，從二者摩擦磨耗理論和異常磨耗的影響因素著手進行研究。

2" " 受電弓碳滑板磨耗的機理

2.1" " 弓網系統組成

地鐵弓網系統由接觸網和受電弓組成。接觸網是固定設備，沿地鐵線路上空架設，由接觸線、支持定位裝置、匯流排、伸縮部件、中心錨結、絕緣部件和架空地線組成。受電弓是移動設備，安裝在地鐵頂部，由弓頭、碳滑板、上臂、下臂、底架、絕緣子、升弓彈簧和控制箱組成[6]。其中，碳滑板是受電弓的重要部件，安裝在地鐵的弓頭上，通過與接觸網形成摩擦副完成滑動導電，是集電傳導元件。碳滑板從接觸網導線上獲得電流，為地鐵提供動力電，它采用一種摩擦材料，強度高，不易損壞，摩擦系數小，本身磨耗小，滑動效果好。

2.2" " 摩擦磨耗理論

碳滑板與接觸線直接接觸，要求具有較高的耐熱和耐磨性能。目前，我國常用的碳滑板材料有純碳、浸金屬碳等。與靜態電接觸相比，地鐵在運行過程中，碳滑板從接觸網取流或回流時，還存在滑動電接觸，使摩擦副間易產生離線電弧，加劇碳滑板的磨耗。碳滑板材料從滑板表面移走稱為碳滑板磨耗，弓網系統摩擦副磨耗率指標通常包括單位能量磨耗率WE、單位服役壽命磨耗率WT和單位滑動距離磨耗率WS，計算公式如下：

W_E=W/μFV （1）

W_T=W/T （2）

W_S=W/S （3）

式中：W為磨耗量；μ為摩擦系數；F為接觸壓力；V為滑動速度；T為服役壽命；S為滑動距離。

3" " 受電弓碳滑板異常磨耗研究

受電弓碳滑板通常采用兩根滑板條連接，在地鐵運行過程中，受電弓碳滑板沿接觸網導線滑動，兩者之間在電氣與機械方面相互制約、相互依賴。受電弓碳滑板異常磨耗受多種因素影響，如弓網接觸壓力、碳滑板硬度和材質、受電弓弓頭結構和接觸網拉出值等。

3.1" " 弓網接觸壓力

在地鐵車輛運行過程中，為了保證弓網穩定受流，弓網接觸壓力應符合技術要求。通常情況下，接觸壓力保持在（120±10）N。受電弓碳滑板異常磨耗會受到接觸壓力的影響。當接觸壓力過大時，接觸網導線將局部彎曲，必然導致受電弓碳滑板的磨耗加劇，嚴重時會磨穿滑板條，造成弓網事故。當接觸壓力過小時，受電弓碳滑板無法與接觸網導線完好接觸，碳滑板與接觸網導線之間電阻增大，會產生大的能耗和電熱，造成異常電磨耗。嚴重時，會出現碳滑板與接觸網導線離線，甚至產生拉弧打火，形成受電弓碳滑板條斷裂、脫落事故。

由此可見，為了降低受電弓碳滑板異常磨耗，應盡可能保持受電弓碳滑板與接觸網導線之間的接觸壓力穩定不變。隨著地鐵運行里程的增加，碳滑板磨耗不可避免，因此，要做好受電弓的弓頭高度、仰角間隙和關鍵部件外觀損傷的檢查工作。另外，要及時改善弓網的接觸條件，對碳滑板碳條棱邊進行適度打磨，緩解碳滑板異常磨耗，保證地鐵安全運營。

3.2" " 碳滑板材質

碳滑板材質也是造成受電弓碳滑板異常磨耗的一個原因，不同受電弓碳滑板材質的磨耗情況也不同，受電弓碳滑板的硬度直接決定了其磨耗速率。由于地鐵運行過程中，碳滑板與接觸網導線之間會存在撞擊現象，硬度不夠碳滑板會出現掉塊、裂紋等缺陷，影響碳滑板正常的接觸受流。

通過采用優質材料，可以降低碳滑板的異常磨耗，碳滑板洛氏硬度要小于120HRC。實踐證明，浸金屬碳滑板比碳粉滑板的平均磨耗率低，更換周期要長。例如：摩根碳滑板是一種碳銅片組合材料，抗彎強度為75 MPa，電阻率為4 μΩ·m。

3.3" " 受電弓弓頭結構

受電弓弓頭結構如果出現問題，會導致只有一側碳滑板與接觸網導線接觸，該碳滑板面會由于大電流而溫度升高。在地鐵運行過程中，碳滑板接觸面會產生極大的電偏磨，嚴重者將造成碳滑板條斷裂。滑板條斷裂后，地鐵運行沖擊力變為部分滑板條承擔，最終導致受電弓碳滑板條脫落。一般情況下，環線受電弓動態跟隨性較差，易導致碳滑板偏磨問題發生。

在受流過程中，接觸網和受電弓是一個有機整體。接觸網應具有穩定可靠的結構、彈性均勻的懸掛。受電弓弓頭應轉動靈活、動作敏捷，使其具有良好的動態跟隨性。另外，受電弓在正常工作過程中，弓頭應盡量作豎直上下運動，弓軸方向上的軌跡偏差范圍控制在30 mm之內，平衡桿應盡量平動。

3.4" " 接觸網拉出值

受電弓碳滑板與接觸網導線直接滑動摩擦，受電弓升起后，兩者之間會產生相應壓強。為了保證受電弓碳滑板磨耗均勻，接觸網導線要按照技術要求的位置固定，保證接觸網導線與受電弓碳滑板中心有一定偏移量，即為接觸網拉出值。拉出值作為接觸網運行的重要參數，直接決定碳滑板的磨耗壽命，拉出值分布不合理就會加速碳滑板磨耗。

在我國已建成線路上，接觸網拉出值一般采用正弦波和“八”字布置方式。采用正弦波布置方式時，拉出值由下式計算得到：

?=asin（πx/λ） （4）

式中：?為拉出值；a為最大拉出值；x為距起始點的距離；λ為正弦波的半波長度。

采用正弦波方式會引起一個錨段內正弦波數過多，從而導致懸掛裝置橫向抗彎要求提高。“八”字布置好像一個“八”字，曲線區段及直線區段均按照直線區段考慮，并且一個錨段之內只有一個“八”字，懸掛裝置均勻分布在受電弓碳滑板中心兩側，最大拉出值位置設置中錨。“八”字拉出值布置能夠保證兩個半弓磨耗一致，布置示意圖如圖2所示。

4" " 結論

受電弓頂端碳滑板與接觸網的滑動接觸，保障了地鐵的有效牽引。在受流過程中，兩者之間不可避免會發生相互磨耗行為。若發生異常磨耗，磨耗量遠超正常磨耗范圍時，將嚴重影響地鐵日常維保費用和安全運行。

本文以濟南軌道交通2號線地鐵為指導對象，提出受電弓碳滑板異常磨損的預防和維保方案，得出以下結論：

1）弓網接觸壓力過大或過小都會造成異常磨耗問題的發生，在后期檢修維護時，接觸壓力要調整在（120±10）N；

2）不同受電弓碳滑板材質的磨耗情況存在差異，應選擇硬度高、耐磨性能好的浸金屬碳滑板；

3）碳滑板偏磨主要發生在環線，接觸網應選擇穩定可靠的結構、彈性均勻的懸掛，受電弓弓頭應具有良好的動態跟隨性；

4）接觸網拉出值可采用“八”字布置方式，確保拉出值布置合理。

[參考文獻]

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[2] 黃樹智，肖敬義，賀祖團.城市軌道交通運營后期弓網異常磨耗整改及預防措施[J].現代城市軌道交通，2022（5）：68-72.

[3] 李軍，盧海龍，韋龍劍.南寧地鐵2號線弓網異常磨耗原因分析及整改[J].裝備制造技術，2022（5）：148-152.

[4] 宋相宇，李耕，高志良，等.鄭州地鐵3號線弓網異常磨耗情況分析[J].河南科技，2021，40（36）：77-79.

[5] 劉宇，徐平.烏魯木齊地鐵1號線弓網異常磨耗研究及解決措施[J].設備管理與維修，2021（20）：32-33.

[6] 黃超.受電弓碳滑板的高頻摩擦磨損機理及弓網動態特性研究[D].上海：上海工程技術大學，2020.

收稿日期：2023-03-27

作者簡介：王磊（1981—），男，陜西綏德人，工程師，研究方向：軌道交通供電專業施工及管理。

董岳（1985—），男，山東濟南人，工程師，研究方向：軌道交通通信、信號、供電專業施工及管理。