地铁刚性接触悬挂弓网磨耗问题研究

2012-08-10王剑

都市快轨交通 2012年4期

王剑

(福州市城市地铁有限责任公司福州 350000)

刚性接触悬挂自在广州地铁2号线第1次应用后，因其具有结构紧凑、无断线隐患、费用较低、安装维护方便等特点，现已成为我国地铁地下线路的接触网首选类型。从已运营的刚性接触悬挂系统来看，较多地存着接触线磨耗不均匀、受电弓不规则磨耗、局部接触线磨耗率大等问题。这些磨耗问题，不仅会使弓网关系变差，影响着受流质量，而且还会缩短接触线和受电弓的使用寿命，增加运营维修成本。

1 弓网磨耗的原因分析

1.1 拉出值分布密度呈非正态分布使受电弓不规则磨耗

从弓网关系良好运行的角度而言，受电弓滑板工作面被磨耗后的理想形状应为光滑的曲线形状［1］，如图1所示。为达到图1所示的受电弓滑板磨耗形状，要求接触线拉出值的分布密度服从正态分布，如图2所示。

图1 受电弓滑板磨耗理想状况

图2 拉出值分布密度的正态形分布

因设计、施工等原因，刚性悬挂接触线拉出值的实际分布密度不服从正态分布，而是呈现波纹状，图3为网轨检测车测量的接触线拉出值分布情况［2］。受电弓滑板不同位置与接触线相互接触的概率相差较大，对应于波峰的受电弓滑板位置，与接触线相互接触的次数较多，其磨耗也就较大;而对应于波谷的受电弓滑板位置，与接触线相互接触的次数较少，其磨耗也就较小。这样，随着运行时间的增长，受电弓滑板就会出现凹凸不平的不规则磨耗情况。

图3 网轨检测车测量的接触线拉出值分布

1.2 接触网布置方式造成受电弓滑板工作端部磨耗较大

刚性接触网一个锚段范围内按正弦波形布置，考虑接触线工作面磨耗情况，接触线与受电弓相互接触的关系如图4所示。

因接触线工作面宽度远小于锚段长度，故接触线距受电弓中心的距离为［3］:

图4 接触线与受电弓相互接触的示意

式中:a——接触线距受电弓中心的距离，mm;

A——接触线的设计最大拉出值，mm;

L——锚段长度，mm;

B——接触线工作面宽度的一半，mm。

因正弦波形具有对称性，故只取1/4波形进行分析。

根据图4和式(1)可得出，与受电弓滑板中心相距为a的滑板位置，其与接触线相互接触的长度为当0≤a＜(A－B)时，有

例如，某直线区段，锚段长度L=240000 mm，接触线的设计最大拉出值A=200 mm，接触线经磨耗后工作面宽度为8 mm(即B=4 mm)，则在1/4锚段长度范围内:

1)受电弓滑板中心位置(即a=0)，其与接触线相互接触的长度为

2)与中心相距200 mm的受电弓滑板位置(即a=200 mm)，其与接触线相互接触的长度为

亦即，与中心相距200 mm的受电弓滑板位置与接触线相互接触的长度，约为滑板中心位置与接触线相互接触长度的5倍。

因此，受电弓滑板工作端部(其与中心的距离约为接触线设计最大拉出值)因与接触线相互接触的长度较长，磨耗也就较大，经长时间运行后，甚至会形成相对较深的凹槽。

1.3 悬吊结构刚度大造成个别部位弓网磨耗加大

受电弓运行时，因其高度发生变化会产生惯性力Pa;受电弓发生高度变化时，其自身结构还会产生相应的摩擦力Pm;另外，空气动力Pk也将作用在运行中的受电弓上［4］。

式中:P——弓网间接触压力，N;

P0——受电弓静态压力，N;

Pm——受电弓铰接处的摩擦阻力，N;

Pa——受电弓惯性力，N，由受电弓归算质量及垂直加速度决定;

Pk——作用在受电弓上的空气动力，N。

在列车运行时，弓网间的接触压力是变化的，且随着运行速度的提高，接触压力的最大值和变化幅度也随之增大。运行速度为80 km/h时接触线和受电弓滑板机械磨耗的检测数据见表1、图5～图6［5］。随着接触压力的增大，接触线和受电弓滑板的机械磨耗加大，且接触线磨耗比的增加率要比受电弓滑板磨耗比的增加率大。

表1 接触线和受电弓滑板的机械磨耗比

图5 接触线机械磨耗比与接触压力的关系

图6 受电弓滑板的机械磨耗比与接触压力的关系

当车辆运行至锚段关节、线岔、分段绝缘器等处时，受电弓将由单支悬挂接触到双支悬挂，或接触到单个集中荷载。由于悬吊结构刚度很大、弹性近乎为零，受电弓所受的接触压力和冲击力没法得到缓解，从而可能出现弓网间接触压力的峰值，使得这些部位接触线的机械磨耗偏大。

1.4 电接触不良引起弓网电气磨耗

受电弓是通过与接触线相互滑动接触取得电能的。从微观来看，弓线间的接触区域呈现出凹凸不平面(见图7)，电流传输是通过接触界面的导电斑点由接触线流向受电弓滑板(见图8)。

图7 弓线接触面微观示意

图8 弓线间导电斑点示意

弓线间电接触的重要表征参数——接触电阻为［6］

根据电位-温度理论，弓线间接触点的温升为

式中:R——弓线间的接触电阻;

ρ1、ρ2——分别为接触线和受电弓滑板材料的电阻率;

H——受电弓滑板和接触线两者中较软材料的接触硬度;

P——弓线间接触压力;

n——弓线间接触界面的导电斑点数目;

θ——弓线间接触点温升;

U——接触压降;

λρ——滑板与接触线材料的热导率与电阻率乘积的平均值;

I——通过接触点的电流。

由式(6)可知，弓线间接触电阻取决于受电弓和接触线的材料性能、导电斑点数目、接触压力。

已投运的地铁线路，弓线间电接触不良会导致接触电阻增大，电流流过时产生的焦耳热使接触点局部区域的温度升高，对受电弓滑板和接触线产生较大的电气磨耗，严重时会烧损滑板和接触线。

1)接触线因制造、施工、运行等原因会产生不同程度的不平顺性;受电弓滑板因拉出值呈波纹状分布会产生不规则磨耗;刚性悬挂刚度大而弹性很小，在减振、变坡等区段，受电弓滑板因振动、晃动而引起跟随接触线的性能变差。这些情况会导致弓线间的实际导电斑点数目大为减少，或接触压力变小，使接触电阻增大，弓线间接触点的温升较大，当车辆取流大时，甚至会形成电火花。

2)随着运行时间的增长，在弓网间复杂的振动下，因施工、材质等原因，汇流排中间接头可能会发生螺纹滑牙，汇流排定位线夹可能会与绝缘子发生松脱等［7］。在这些部位会形成刚性接触网的硬点，受电弓通过时，不但会产生较大的机械磨耗，而且受电弓滑板因受硬点冲击还可能发生离线，使弓线间接触点的温升急剧上升，形成电火花，甚至出现拉弧。

1.5 电压差引起弓网电气磨耗

刚性接触网在正常运行时，其越区隔离开关分闸，由相邻的牵引变电所双边供电。牵引变电所馈线向接触网供电的示意见图9。

图9 牵引变电所馈线供电示意

根据图9所示，绝缘锚段关节两端上网点处的电压分别为:

式中:U1、U2——分别为绝缘锚段关节两端上网点处的电压;

U——牵引变电所正极母线电压;

I1、I2——分别为牵引变电所馈线电流;

R1、R2——分别为牵引变电所至接触网上网点的馈线电阻;

在实际运行中，R1、R2、I1、I2不尽相同，尤其是 I1、I2有时相差较大，则在绝缘锚段关节处会形成一个电压差 ΔU，其值为:ΔU =。当受电弓滑板在短接两个供电臂的瞬间，在短接处会产生电火花或电弧，对接触线和受电弓滑板造成电气磨耗。

同理，在分段绝缘器处也会形成一个电压差，在取流转换的瞬间，受电弓滑板和分段绝缘器因电火花或电弧而产生电气磨耗。

2 弓网磨耗的改善措施及建议

2.1 综合考虑刚性接触网的布置

在进行刚性接触网设计时，要对整条线的接触网布置进行综合考虑。应重点注意:1)在低速区段，接触线拉出值适当减小，锚段长度适当增大;在高速区段，则接触线拉出值适当增大，锚段长度适当减小。2)全线接触线拉出值的分布密度应呈正态形分布。3)刚性接触网的悬挂跨距宜为6～8 m，不应大于10 m。4)在变坡区段，根据车辆的运行速度，接触线的坡度宜为2‰～5‰。5)合理确定汇流排悬臂的长度，减小汇流排的变形。