广州地铁1号线车辆受电弓碳滑板运用现状分析

罗 益 卢 勇 申天亮 程代钧

(广州地铁集团有限公司,510380,广州∥第一作者，助理工程师)



广州地铁1号线车辆受电弓碳滑板运用现状分析

罗 益 卢 勇 申天亮 程代钧

(广州地铁集团有限公司,510380,广州∥第一作者，助理工程师)

介绍了广州地铁1号线两种受电弓上碳滑板的运用状况及其差异性,进行了接触网的检查和一系列弓网关系试验,并通过对比测试调查A2、A3型车碳滑板出现裂纹的原因;对比了两种受电弓弓头结构和悬挂的差异,分析了弓头差异对A2、A3型车碳滑板频繁出现裂纹的影响,分析结论可为后续的弓网匹配选型做参考。

地铁车辆; 受电弓; 弓网关系; 碳滑板

Author′s address Guangzhou Metro Corporation, 510380, Guangzhou,China

广州地铁1号线目前有3种A型车：A1型车为1997年开始使用的进口Adtranz(安达)车辆,使用Siemens(西门子)受电弓;A2、A3型车为Bombardier(庞巴迪)与长春轨道客车股份有限公司合作生产,分别在2004和2006年开始投入使用,均使用德国Stemmann受电弓。两种受电弓都配装4条碳滑板的弹簧弓,目前配备进口浸金属碳滑板。碳滑板磨耗主要取决于弓网的匹配性能。目前，广州地铁1号线的两种受电弓在同样工况下运用时,其碳滑板的消耗却存在很大差异。由于受电弓作为车辆取流的关键部件会影响到运营安全,故对广州地铁1号线的弓网匹配性进行了调查分析。

1 两种A型车碳滑板运用状况的差异

经统计，2012年2月至2014年11月间安装在两种受电弓上的碳滑板磨耗率如图1所示。

由图1可见,两种A型车碳滑板磨耗率相差很大。A2、A3型车碳滑板磨耗率一直较高,平均为0.61 mm/月,而A1型车碳滑板磨耗率约为0.26 mm/月。2013年A1型车碳滑板磨耗率较大是因为当时正线打火花现象较多,从而引发电磨耗增大而导致整体磨耗率增大。而A2、A3型车碳滑板的裂纹现象比较严重,其碳滑板的频繁更换影响了磨耗率的统计。

广州地铁1号线自2010年开始,将原来的双线柔性接触网改为单线的刚性接触网(以下简为“接触网柔改刚”)。此后，A2、A3型车碳滑板频繁出现碳层裂纹和铝托架裂纹。对单位面积的碳滑板而言,采用刚性接触网后会增加一倍的电流负载量,从而对滑板的安全应用造成一定的影响；同时，由于刚性接触网为无张力设计、硬度较大,故碳滑板在滑动过程中容易受到冲击，从而产生裂纹。

2 广州地铁1号线弓网匹配性调查

广州地铁1号线正线接触网柔改刚工程是分段完成的。改造时正线接触网存在大量的刚、柔接触网转换部分，而碳滑板裂纹是在接触网柔改刚之后出现的,且未来很长一段时间内广州地铁1号线接触网都为刚柔相间状态。由于列车在通过刚、柔接触网转换部位时很可能使受电弓受到冲击,故初步怀疑A2、A3车受电弓与目前接触网匹配不良。为查明原因,检修部门一方面联合供电部门对各区间接触线进行检查,另一方面利用现有设备自主研制工装和对试验设备进行改造,开展弓网关系测试。

2.1 接触线外观检查

在联合检查中发现了一系列问题:①某区间锚段关节处发现两根接触网线都存在较新的拉弧点；②存在较多柔性接触网线磨耗不均现象,部分位置出现单线接触,列车运行时可能造成离线打火现象；③刚性接触网锚段关节存在斑点,疑似拉弧所致。而且，碳滑板上存在烧蚀“麻点”和拉弧烧伤现象。这些问题都说明目前受电弓与接触网的匹配性不好。

2.2 弓网关系试验

国内已经有大量通过在弓头上安装加速度传感器来实现接触线硬点检测的成功案例。文献[1] 很早就提出了利用加速度传感器来检测硬点;文献[2-3]采用加速度传感器原理检测硬点,文献中介绍的接触导线硬点动态检测系统曾安装在成都铁路局内江机务段韶山 1 型电力机车 SS1475 上,其在内江至重庆区间部分的检测,证明整个测量系统现场运用准确性高[2-3];文献[4]设计了利用加速度传感器对硬点进行检测的方案,并在铁道科学研究院环形铁道试验基地的线路上进行了实际应用检验,验证了其方案的可行性[4]。

实际上,直接利用一跨内受电弓弓头垂直加速度最大值来诊断弓网存在硬点常发生误判。针对这一现象,文献[5]在分析受电弓弓头垂直冲击加速度波形特征的基础上,提出诊断接触网内硬点的三参数评判准则。该准则利用一跨内受电弓弓头垂直冲击加速度的最大值、峰值因子和标准偏差三项指标来综合诊断硬点,比传统的单参数准则能更有效地诊断接触网内的硬点。文献[5]还对京哈线沈阳铁路局管内实测的弓头垂直冲击加速度信号进行分析,诊断京哈线沈阳铁路局管内接触网内是否存在硬点,并比较计算结果和相应参数的门槛值,得到了较准确的结果。

本研究选取了出现碳滑板裂纹较频繁的线路进行一系列试验。在弓头上对称安装2个美国Dytran三轴加速度传感器3023A2(500g(g为重力加速度),10 mV/g),轴箱上安装1个测量范围为±50g的三向振动加速度传感器,同时从司机室速度表处采集速度信号,采用屏蔽线和接地来抗干扰,将所有信号线接入奥地利Dewetron(德维创)公司的DEWE-5 000测试主机进行数据采集。该测试主机集成计算机、信号调理、A/D(模拟/数字)转换、显示器、软件于一体,可实时同步采集分析多种不同信号。

参照文献[5]提出的接触网硬点评判准则,对试验采集的数据进行离线处理分析。若一跨内弓头的最大垂直冲击加速度amax同时满足下述3个条件,则判断在该跨接触网内存在硬点:①当列车速度低于200 km/h时,每段中数据的amax≥ 500 m/s2;当列车速度高于200 km/h时,amax≥ 600 m/s2。②峰值因子C≥ 6.0。③全程最大加速度值P出现后连续0.061 s内的最大加速度标准偏差Pstd≥ 210 m/s2。

试验监控界面如图2所示。设备可监控记录两个加速度传感器在X、Y、Z三个方向的加速度值，并记录列车的实时速度。对列车速度进行实时积分即可求出列车走行距离，从而确定在区间内冲击点所在具体位置。

对试验数据进行低通滤波后，计算amax、C、Pstd及P。加速度的采样频率为1 000 Hz，则可计算P后面连续0.061 s内的Pstd，从而评估是否存在硬点。以数据中几个超过50g的点为例进行数据分析(见图3)。其中,此段数据中amax为100.32g,C为44.23,加速度平均值为4.26g。

将时间显示分辨率放大到ms截取P后面61 ms的数据进行分析。图3 a)中amax为100.32g,此时Pstd为27.28g,c为44.23,即可判断为硬点。图3 b)中amax为66.82g,但Pstd为10.64g<210 m/s2,即该点不视为硬点；而按照以往以最大振动加速度amax为门槛值的标准,则该点也认为硬点。从冲击的能量角度上来说,硬点对弓头产生的冲击必然具有一定能量,弓头对冲击的响应会有一个从强到弱的衰减过程而不会立即消失。图3 b)中振动加速度信号只是一个尖峰而没有衰减的过程,很有可能受到了某种干扰导致。可见，新的硬点评判标准采用三个条件综合判断更加准确,能有效减少干扰导致的误判。

广州地铁1号线A2、A3型车与A1型车运行环境相同,A1型车碳滑板不出现裂纹,但是A2、A3型车碳滑板频繁出现裂纹;同时A2型车在广州地铁8号线也很少出现碳滑板裂纹。为调查原因,开展了一系列对比测试。测试结果表明,广州地铁1号线A2、A3型车受电弓碳滑板承受的冲击数为A1型车的2.25～2.75倍,且最大冲击加速度幅值是A1型车的1.5～2.45倍。广州地铁8号线A2型车碳滑板所受冲击也远小于广州地铁1号线A2、A3型车。

图2 试验时的实时监控界面

图3 试验数据离线分析

3 两种弓头对比及其对碳滑板运用的影响

3.1 两种受电弓弓头结构和悬挂差异对比

(1) A2、A3型车弓头是4根碳滑板联动的结构,而A1型车弓头为2根碳滑条联动结构。四联动结构不能保证在碳滑板磨耗不均时4根碳滑板都能与碳滑条同时接触。当4根碳滑板没有同时接触时,与接触网接触的碳滑板电流值会上升，导致温度升高幅度大,从而加剧磨耗;不与接触网接触的碳滑条容易拉弧烧伤,从而在碳滑板和接触网表面形成很多凹凸磨耗点,进而恶化弓网接触。

(2) 两种弓头的悬挂方式也不一样。A2、A3型车弓头质量较轻,通过一个变刚度的弹簧片悬挂在上框架上;而A1型车弓头质量较大,在两个转轴处通过橡胶弹簧悬挂在上框架上。

3.2 弓头差异对碳滑板运用的影响

3.2.1 碳滑板裂纹概率差异

据统计，近两年A2、A3型车平均每月出现3.1起碳滑板裂纹,碳滑板最短使用寿命仅为15 d,而A1型车几乎没有出现碳滑板裂纹。为对比两种弓头的差异,将弓头当作一个独立的子系统,不考虑框架影响,弓头悬挂子系统的运动微分方程可简写为:

my′′+cy′+ky=F

式中：

y——弓头的垂向位移；

m——弓头的等效质量；

c——弓头悬挂的等效阻尼；

k——弓头悬挂的等效刚度；

F——接触线和受电弓框架对弓头的合力。

可见影响弓头受流性能的主要参数为m、c和k。目前，很多对受电弓参数的研究中都认为弓头和框架的质量较小会使弓网接触力的均方差值变小，并使弓头的跟随能力增强,再合理地调整弓头刚度和弓头阻尼能使受流性能变好[6-7]。在接触线为理想状态时,减小弓头质量一方面可减小弓头上下运动时的惯性力,从而减少接触力的变化导致的离线；另一方面,可提高弓头运动的加速度,即提高弓头的跟随能力,从而改善动态受流。但目前广州地铁1号线接触网刚柔相间,难免存在一些过渡不平顺、接触刚度突变的冲击点。弓头质量小的A2、A3型车受电弓在受到同样冲击时,产生的加速度也会比A1型车受电弓更大；且A2、A3型车弓头悬挂没有橡胶弹簧减振,在受到冲击后接触压力会持续较大振幅的振动,对受流极为不利。这也与A2、A3型车碳滑板出现拉弧点较多的现象对应。也有研究表明，当接触线平顺性好时,接触网下运行的弓头阻尼可小些；当接触线平顺度不好时,应加大弓头悬挂阻尼[8]。

弓头质量较小且无橡胶弹簧减振的A2、A3型车弓头耐冲击性能不如A1型车,在受同样冲击时会产生更大的冲击加速度,且会持续的振动;且A1型车弓头悬挂刚度大,可使升弓力更迅速地施加到弓头上；减少离线,同时橡胶的阻尼能有效地衰减受电弓的振动[9-10]。这也能从试验数据中看出,在相同的冲击点处A2、A3型车弓头的加速度更大、持续时间更长,而A1型车弓头振动衰减较快。

3.2.2 碳滑板磨耗率差异

A2、A3型车碳滑板磨耗率一直较高,平均为0.61 mm/月；而A1型车碳滑板磨耗率约为0.26 mm/月。碳滑板与接触导线是一对特殊的摩擦副,具有相对滑动速度高、有大电流通过的显著特点。弓网系统的磨耗可大致分为机械磨耗、化学磨耗和电气磨耗3种。

机械磨耗中以粘结磨耗为主。粘结指两凸部之间原子相互结合的产物,不同金属相接触生成合金,弱的凸部先被剪切破坏,强的凸部随着发展也会被破坏形成独立的粒子。这个粒子会夹在滑动面之间,再度经历破坏、脱离反复循环,最终成为“磨耗粉”排出[11]。化学磨耗又称腐蚀磨耗,即在腐蚀环境下的溶解、生锈等，在滑动中又会加速损耗。电气损耗广泛指“电气性磨耗”,即通电时的磨耗量比不通电时的大,包括基于电弧热和焦耳热而附加的机械磨耗(尤其是粘结磨耗)和电弧熔损等在内的各种磨耗[12]。

一方面由于牵引系统的差异,A2、A3型车在牵引和再生制动时流经碳滑板的电流都比A1型车大。两种碳滑板在相同速度下滑行时,产生的摩擦热差异很小。但在相同接触电阻时,电流大的碳滑板所产生的焦耳热成平方增长。这导致A2、A3型车碳滑板与接触线的接触面温度更高,容易造成接触表面的局部高温融化,而高速滑动下的剪切力也使得摩擦副材料的剥层、脱落而形成磨屑。不仅会导致磨损增加也会造成接触面恶化,而且会形成恶性循环[13-14]。另一方面,A2、A3型车的弓头更容易产生短时离线、拉弧、冲击等状况,离线时大电流产生的高温电弧更容易烧蚀碳滑板表面。

4 结语

在弓网受流过程中受电弓与接触网是一个有机整体。为保证受流过程平稳可靠,接触网应具有理想的、弹性均匀的悬挂、导线高度和合理的布局,同时,受电弓应具有稳定的抬升力、良好的弓网跟随性。受电弓和接触网作为一个耦合系统,系统中各个参数相互关联且对系统的稳定性影响很大,受电弓和接触悬挂的参数相互制约。

以广州地铁1号线目前的弓网关系为例分析可知,A2、A3型车弓头质量和上框架质量比A1型车更轻,弓网跟随性理应更好,但由于接触网柔改刚过程中的特殊性,在实际运用过程中却与此相反。为追求良好的弓网关系,受电弓和接触网的特性必须相匹配。不能只靠接触网和受电弓的参数来单方面评价弓网关系。对于受电弓的弓头质量、弓头悬挂阻尼、弓头刚度、框架质量等几个主要参数来说,必须结合接触网的状态及列车的运行速度,以达到两者相匹配的最优化设计。

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沪崇启铁路规划：建成后将打通南北沿海通道

5月9日，国家铁路局组织上海、江苏等有关部门代表及专家在启东召开《沪崇启铁路通道规划研究咨询报告》研讨会。规划中的沪崇启铁路北起江苏启东，经上海崇明，南接上海枢纽网络，目前有东线、西线两种方案。铁路专家表示，沪崇启铁路是北沿江铁路的重要节点，也是南北沿海通道的关键节点，建成后将能打通南北沿海通道，将南通、启东等城市纳入上海通勤圈。

据介绍，研讨会上，在听取了《沪崇启铁路通道规划研究咨询报告》汇报和相关部门代表意见后，专家们进行了认真讨论形成了咨询意见，基本赞同《沪崇启铁路通道规划研究咨询报告》提出的规划定位，认为沪崇启铁路过江通道作为规划的北沿江铁路的重要节点，是沿海铁路的重要组成部分，兼顾了启东至上海的快速通道，是落实国家“长江经济带”战略及“长三角一体化”、“江苏沿海开发”战略铁路重大基础设施工程，及早进行规划研究很有必要。专家建议继续深入开展研究工作，结合上海市总体规划等要求，进一步完善方案。根据沪崇启铁路方案，该线位于江苏省东部、上海市北部及崇明地区；北起江苏省启东市，经上海市崇明县至上海市，线路全长63 km，其中江苏省境内线路长23 km，上海市境内线路长40 km。规划示意图显示，沪崇启铁路目前有东线和西线两种方案。其中，西线方案为：启东西—崇明—上海徐行；东线方案为：启东西—崇明—崇明东—上海曹路。

对于沪崇启铁路规划，铁路专家、同济大学教授孙章认为，这一规划思路是对的，“这个铁路通道很关键，建成后将是画龙点睛之笔。”孙章表示，经过多年的发展，上海的铁路线路辐射向西有沪宁，向南有沪杭，而且随着甬台温、福厦铁路的开通，长江以南的沿海通道打通，上海向南的辐射已可直达深圳，但因受阻于长江“天堑”，上海铁路一直无法向北辐射，“也就是说上海的铁路辐射目前只有90°，没能实现180°。”孙章认为，南北沿海通道连通的关键节点就是沪崇启铁路通道，“沪崇启通道一旦建成，南北沿海跨江通道就在上海连通了，上海也就有了向北的辐射通道。”除了打通南北沿海通道，沪崇启铁路还将打通南北沿江铁路通道。孙章表示，宁启铁路目前已经开行动车，“一旦沪崇启铁路通道建成，沿江北边的通道也通了。”有消息称，北沿江铁路自上海引出，跨越崇明岛至南通启东，经南通、泰州、扬州至南京，线路全长约385 km，等级为客运专线，设计速度目标值350 km/h。对于目前的东、西线两种方案，孙章认为，崇明要建设生态岛，选择的主要依据还是要从如何少影响生态岛建设角度考虑，“此外，在速度上，也要与规划中的轨道交通崇明线有所分工。”

(摘自2016年5月11日《青年报》、上海环境热线)

Application of Pantograph Carbon Slipper on Guangzhou Metro Line 1 Vehicles

LUO Yi, LU Yong, SHEN Tianliang, CHENG Daijun

The situation and use of two different pantograph carbon skateboards on Guangzhou Metro Line 1 vehicles are introduced, the overhead contact system is checked and a series experiments about the pantograph-contact line relation are conducted. Through comparison, the difference between two kinds of pantograph collector heads is detected, the main causes of frequent cracking on metro A2 and A3 carbon skateboards are investigated. This analytic result could be used as a reference for the selection of mutually matched pantograph and contact line.

metro vehicle; pantograph; pantograph-contact line relation; carbon slipper

TM922.6

10.16037/j.1007-869x.2016.06.032

2015-06-03)