刚性接触网弓网异常磨耗预防性措施

张宽发 何 莉

（湖北工业大学电气与电子工程学院，430068，武汉∥第一作者，工程师）

刚性接触网与传统的柔性接触网相比，具有结构简单、接触线无张力、没有断线之忧、净空要求低等特点。刚性接触网自从在广州地铁2号线首次投入运营以后，深圳、上海等城市轨道交通线路也相继采用，现已成为城市轨道交通线路地下段接触网的首选类型。虽然刚性接触网有诸多的优点，但是从已开通运营的刚性接触网线路来看，大部分存在严重的弓网异常磨耗现象。弓网异常磨耗严重影响弓网间的取流质量，甚至会引发弓网事故，同时也将会大大减损接触线及受电弓滑板使用寿命，增加运营成本。本文分析了造成弓网异常磨耗的原因及危害，提出改善弓网异常磨耗的措施，对提升弓网的安全运营水平具有一定的意义。

1 弓网异常磨耗的主要表现形式

接触线异常磨耗主要体现在线路存在容易引发接触线异常磨耗的区域。由于设计、施工以及线路条件等原因，有部分区域（如刚柔过渡、汇流排中间接头、分段绝缘器、膨胀元件、锚段关节、列车上坡处等位置），由于接触悬挂高度变化较大导致受电弓离线或撞击悬挂，从而引起异常磨耗，见图1。

图1 锚段关节处接触线异常磨耗

而受电弓的异常磨耗是指磨耗不均匀地分布在受电弓滑板上，表现形式较多。在此，作者选择几种较为典型的受电弓异常磨耗类型作简要介绍。

1.1 中心偏磨型磨耗

中心偏磨型磨耗是指受电弓滑板的中心段磨耗较为严重，越往弓角边缘外端段磨耗越少，甚至两端头各有约100 mm 尾端段接触面部位基本不发生磨耗。其接触表面磨耗形状呈残月形状，中间凹两边凸，如图2所示。凹陷程度直接影响受电弓滑板的使用寿命。如东莞地铁2号线的TSG18G1型受电弓采用浸金属碳滑板，当碳层磨损至根部厚度为6～7 mm 时，即需要更换整块滑板。

图2 中心偏磨型磨耗

1.2 波浪型磨耗

波浪型磨耗是指磨耗不均匀地分布在受电弓滑板上，且具有随机性，导致滑板表面凹凸不平，有如海上波浪一样相互之间形成厚度差，如图3所示。

图3 波浪型磨耗实物图

1.3 裂纹型磨损

裂纹型磨损主要是接触悬挂的导高变化，导致弓网间的机械连接状态发生突变，高速运行的受电弓滑板直接承受机械冲击，导致受电弓滑板上由于磨损严重出现裂纹，严重时本体受力结构受到破坏，甚至导致部分滑板从滑板处脱落（见图4）。

图4 受电弓滑板在机械撞击下部分脱落

2 弓网异常磨耗的影响与危害

弓网间的异常磨耗会直接影响弓网关系的良好作用，不利于接触网系统的正常运行，增加运营维护成本。

接触线的不均匀磨耗会导致受电弓不能平滑过渡，在接触网磨耗异常的位置容易引起受电弓滑板的不均匀磨耗。如受电弓中心偏磨型是一种严重不均匀磨耗，往往是其局部凹形槽的最大深度（即滑板的最低厚度）直接决定其是否需要整体更换，这将成倍降低其滑板的合理使用寿命，加大运营工作量及成本。而对接触网系统的正常运行也是不利的，当列车行驶至线路曲线半径较大的地方时，受电弓滑板如一般锯齿刀一般刮损接触线，加剧磨耗的同时也成为影响受电弓滑板横向顺利滑行的安全隐患，特别严重时可能引起弓网故障。

3 弓网异常磨耗产生的原因

通过对弓网间的机械和电气性能进行系统分析发现，弓网异常磨耗主要有以下几个原因。

3.1 刚性接触网弹性较差

典型的刚性接触网几乎没有弹性连接件，而刚性接触网的导高不平整导致受电弓“颠簸”。由于自身无法释放这种垂直方向的振动能量，当受电弓从导高较大走向导高较小的方向时，被迫撞击抬升接触网；而从导高较小的地方走向导高较大的地方时，容易离线诱发电气烧损。

3.2 接触悬挂硬点随机性

在接触网运行过程中，接触悬挂上难免容易出现凸性硬点（凸性硬点的出现在时间以及空间上都是随机的），这也导致了受电弓滑板磨耗产生位置的随机性。硬点的出现意味着接触悬挂导高的突变，从而导致受电弓直接承受高速运动状态下接触悬挂的机械冲击或导致离线拉弧。当机械冲击过大时，受电弓滑板甚至会出现裂纹。根据以往的运营经验，容易出现硬点的区域有刚柔过渡区域、分段绝缘器滑处、汇流排中间接头处、锚段关节过渡处等。

3.3 线路存在固定的磨耗“重灾”区域

在接触网线路中的部分固定位置，接触线与滑板磨损偏大。然而这些位置由于设计原因以及未统筹规划或整改难度大等原因，一直未进行优化，变成了线路中的磨耗“重灾”区域。如电客车出入站位置，由于拉出值固定，且同一供电臂多辆电客车出站起动时取流较大。而列车减速进站时，其车内电机采用再生制动的形式，电流由机车反送至接触网，导致接触网电流增大。在出入站位置，接触线和受电弓容易受到电弧烧损及温升熔焊方面的磨耗，此类定位点对应的弓网磨耗要比其他定位点要严重得多。

3.4 接触线拉出值布置存在缺陷

和传统的柔性接触网一样，刚性接触网也须按“之”字形布置安装，其拉出值的大小应该是逐渐过渡的，接触线不应呈现棱角状。就刚性接触网的运用而言，其接触线布置形式更类似一正弦曲线，拉出值上分布如正弦波。

正弦波布置形式的目的是保证受电弓在工作范围内滑板磨耗均匀，理想情况下确实能够达到抑制不均匀磨耗的效果。但实际情况是，由于列车速度、弓网关系以及接触线的平面布置形式的不同；受电弓滑板各点与接触线接触的时间、次数以及频率是不相同的，而且在正弦波的布置方式下，受电弓滑板中心（即拉出值为0处）段与滑板两端相比，其接触时间及次数成倍的增长，越靠近滑板中心，磨耗的时间以及频率也越高。这也是中心偏磨型磨耗的形成机理之一。

3.5 弓网接触力不平衡

在传统设计施工的接触网系统中，接触线越远离受电弓滑板中心，其动态弓网接触力越小；反之接触线越接近受电弓滑板的中心，其弓网接触压力越大。这势必增大受电弓滑板中心段的机械磨耗。且在列车行驶过程中，弓网接触力随着列车运行速度的增大而增大，高速区段下受电弓会出现晃动。这也是中心偏磨型磨耗和波浪型磨耗的形成机理之一。

3.6 维护整改难度大

在地铁行业中，接触网系统的检修以及车辆受电弓的检修一般采用周期检修。接触网及车辆的检修项目多，工作量大，以人工目测和手动测量检查全线接触网或电客车受电弓随机出现的硬点及磨耗是不现实的；且即便发现受电弓磨耗异常，也无法确定是哪个区段的弓网关系恶劣造成的。而对于磨耗严重的接触线以及受电弓滑板，只能采取全锚段更换接触线以及更换受电弓滑板的方式解决。常规的检修方式存在工程量大、涉及人员多、任务紧张以及备件厂家的生产周期等问题。若未能及时更换受损的接触线及受电弓，磨耗异常的受电弓就会刮损全线的接触线，而全线接触线磨耗加重又反作用于其他受电弓滑板，道成恶性循环。

4 弓网异常磨耗的预防及优化措施

由于磨耗是无法避免的，因此对待弓网磨耗的方针就是预防及控制异常磨耗。为此，作者在弓网选型、弓网运行条件、弓网维保措施方面提出了如下一些建议。

4.1 优化弓网选型

受电弓与接触网，两者是直接的机械与电气连接关系，相互之间的磨耗是直接相关的。而弓网之间的磨耗以及接触点的允许电流，很大程度上依赖于滑板和接触线的型号组合。不同型号的弓网在材料、结构等方面的组合影响了弓网的电接触特性、机械摩擦性以及受电弓的跟随性。

碳滑板已被证明特别适用于匹配铜和铜合金接触线。碳滑板的自润滑性能及耐电弧性能较好，但导电性能较差，需要提防电气列车停车时的静态接触温升引起滑板局部温度超过允许限度的危险；此外，纯碳滑板的硬度还需要进一步提高。

地铁的接触线主要是铜或银铜合金材料，如东莞地铁2号线采用的是银铜接触线。由于地铁列车采用直流供电，电压较低，通过弓网接触点的电流较大，这就造成高电阻率的纯碳滑板无法适用于地铁列车的受电弓。

在碳滑板的基础上，将铅、锡、铜等金属按照一定比例熔化成熔融态合金，经过加压等工艺融进碳滑板空气间隙形成浸金属碳滑板，其既具有粉末冶金滑板机械强度高、电阻率小的特点，又具有纯碳滑板对接线磨耗小、在接触线摩擦表面易形成润滑膜和燃弧性能强的优良性能，且具有弓头归算质量小、弓网跟随性强的特点。在地铁取流中，浸金属碳滑板与银铜合金导线的组合是一个比较合理的选择。

4.2 优化弓网运行条件

改善弓网的运行条件，需要设计人员、设备供货商、施工人员、运营维护人员共同参与。在此介绍改善弓网运行条件的几个措施。

4.2.1 改善刚性接触网的弹性

刚性接触网特点是结构紧凑，整个系统缺乏弹性。当接触网出现硬点时，高速运行的受电弓容易撞击接触网或拉弧烧损滑板。为了改善刚性接触网缺乏弹性的问题，有不少地铁公司引进弹性定位线夹。

刚性悬挂弹性定位线夹主要适用于120 km／h地铁线路的架空刚性悬挂垂直悬吊安装铝合金汇流排。该汇流排及接触线的重力由线夹内弹簧来承担，其弹簧压缩长度与接触网系统的跨距、汇流排自重及弓网接触力有关，保证了汇流排有上升以及下降的空间，在加强弓网跟随性的同时也能缓冲弓网冲击力的能量。其主要作用是在列车高速行驶时，使得刚性接触网系统既有“刚性”，又有一定的“弹性”。在运营使用过程中，证明了其具有改善减少列车在高速区段时的拉弧和弓网设备磨损的功能。

4.2.2 优化悬挂导高缺陷

硬点是接触悬挂的导高突变的地方，容易造成机械磨耗和电气烧损。在检修过程中，应该及时调整不符合标准导高突变点。然而，在检修到位的情况下，刚性接触网依然存在部分位置导高突变的缺陷。例如位于跨中处的汇流排中间接头下垂，如图5所示。

图5 跨中汇流排中间接头处导高下降示意图

在实际使用过程中，在自身重力下，同一根汇流排本体中间处会出现下垂，而两根汇流排之间（中间连接板）的连接若螺栓松动时，下垂现象非常明显，造成恶劣的弓网关系。若中间连接板刚好安装在相邻定位点中间，则中间连接板接触线的导高将低于两定位点处接触线高度约12～15 mm，容易引起磨耗异常。

汇流排中间接头处接触线下垂优化措施主要有：①引入更为先进的产品，如改用在内腔受力结构上以及防松技术上进行优化并已投入使用的第三代汇流排及其相关附件。②在缺陷的地方加装定位点，以保持接触线的高度。③调整中间接头与跨中位置的关系。④记录缺陷点，加强导高调整的工作。

4.2.3 优化悬挂拉出值缺陷

不均匀磨耗产生原因之一是线路中存在固定的磨耗特殊区域，如列车出站起动位置对应的受电弓滑板处磨损较为严重。对于这类无法避免的磨耗特殊区域，采取的方针是“统筹优化”。

“统筹”需要统计全线定位点拉出值，尤其是对容易出现接触网硬点及线路固定的磨耗“重灾”区域的定位点拉出值进行重点标记；其次是运营后统计受电弓滑板的偏磨位置，对两者进行比较分析。从理论角度而言，受电弓滑板的偏磨位置应该是磨耗频率最频繁（即全线拉出值出现概率最高）以及容易引发严重磨耗的特殊区段（如列车出入站位置）拉出值对应的滑板位置。

“优化”的目标是尽量使受电弓磨耗均匀地分散在受电弓滑板上。如：在线路运营前根据统计的定位点拉出值进行调整，尽量使各拉出值出现的概率相等；全线特殊磨耗区域定位点的拉出值（如线路固定的特殊磨耗区）有规划地布置成正弦波状，每个站的出入站定位点的拉出值在数值上呈正弦波形状变化；线路投入运营后，将受电弓偏磨位置与线路定位点的位置作比较分析，定期调整滑板偏磨位置对应的拉出值。

4.3 优化弓网维护措施

（1）检修高效化。随着磨耗异常对运营的影响越来越严重以及检测技术的进步，越来越多的地铁公司开始引进高科技产品用于接触网以及受电弓检测维保工作中，如接触网动态检测车。与采用大量的人力通过激光测量仪器对接触网进行静态几何参数（导高、拉出值）相比，车载检测能够对多方面的物理参数进行检测并实时记录分析，在检测接触网磨耗方面其效率及质量远高于人力检测。

（2）建立磨耗研究及优化控制机制。受电弓滑板不均匀磨耗的控制措施，应该立足于线路运营前的预防工作和运营后的调整优化工作。线路运营前，设计院应不断优化设计方案，满足施工和运营的要求。施工单位应严格按图纸施工，满足施工规范的要求。监理及运营人员严格按施工标准进行验收，针对不符合要求的项目进行整改，以满足安全运营的要求。而运营后的优化调整工作，主要从磨耗跟踪、参数调整、检修制度、交流合作、物资申报等多方面进行，积极调动运营人员的主观能动性及积极性，形成磨耗的研究及优化控制机制。

5 结语

弓网异常磨耗的预防与控制，涉及理论设计、施工标准、维修模式、物资采购、线路条件等多方面的因素，也是设计院、供货商、施工方、运营维修人员需要合作研究的课题。现阶段而言，弓网磨耗的控制措施还有赖于各方面人员通过交流、总结、创新等渠道去加以完善，达到均匀减缓磨耗、避免异常磨耗的目标，保证安全运营的同时节约运营成本。

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