深圳地铁11号线受电弓碳滑板磨耗率研究

朱伟鹏

(深圳市地铁集团有限公司 运营总部， 广东深圳 518040)

碳滑板为安装于列车受电弓顶部，负责与接触网接触滑动获取电力，通过碳滑板把电力传输至列车以保障列车运行的受流设备。滑动取流过程中会导致碳滑板磨耗，碳滑板磨耗异常将导致碳滑板更换周期过频，增加运营成本；磨耗异常将导致滑板表面形成凸台、凹槽；更甚导致自动降弓，增加列车安全运行风险。深圳地铁11号线自开通运营以来，正线为刚性接触网与碳滑板受流，全程约51 km，17个区间，包括3个纯柔性接触网区间，12个刚柔过渡区段，11个刚性接触网区间；运营初期弓网关系恶劣，碳滑板异常磨耗，碳滑板磨耗率高达4.6 mm/万km，经技术整改，现碳滑板磨耗率为1.2 mm/万km；为阐述降低碳滑板磨耗，延长碳滑板使用生命周期措施，文中开展此项研究。

1 研究技术目标

主要目标：降低碳滑板磨耗率，使碳滑板磨耗率从5 mm/万km降低或超过既有线水平(运营线路受电弓碳滑板磨耗约1.4 mm/万km)。

图1 目标值设定

2 技术措施

2.1 刚柔接触网研究

11号线全线51 km，分布约1/4为柔性接触网，3/4为刚性接触网；纵观国内外地铁运行情况，柔性网状态下普遍弓网关系较为良好，刚性网状态下弓网冲击、拉弧情况较为严重；为更好研究11号线弓网关系改善余地，研究国内部分刚性及柔性地铁线路弓网匹配情况，见表1。

表1 国内地铁调研情况

2.2 碳滑板大数据统计

为研究碳滑板磨耗规律，进行碳滑板大数据统计，结合受电弓特别修进行碳滑板厚度数据统计，统计点包括以滑板中心向两侧延迟间距40 mm点共17个点，见图2。

图2 碳滑板大数据统计

2.3 弓网动态试验

(1) 初期试验分析

深圳地铁11号线运营初期，正线接触网膨胀原件拉出值设置为0，碳滑板滑动取流过程中，经过膨胀原件处产生严重拉弧、撞击，导致碳滑板在0拉出值位置磨耗剧烈，使得碳滑板中心0位置处产生严重凹槽，在碳滑板表面同时存在缺块，拉弧烧融痕迹；凹槽图片见图3。碳滑板为消耗型备件，通过碳滑条与铝托架连接实现取流给列车供电方式，即每根碳滑板存在一定的磨耗量及需更换的标准值；鉴于初期碳滑板异常磨耗，计算得碳滑板磨耗率为4.6 mm/万km，碳滑板使用寿命约为1.5个月；凹槽在弓网运行过程中会造成较大冲击，对弓网匹配关系造成严重影响，为缓解碳滑板异常磨耗情况，对膨胀原件位置进行调整，保证接触网“之”字形过渡，使正线运营过程中碳滑板在±200 mm内避免直接撞击膨胀关节，均匀过渡。

图3 初期碳滑板磨耗情况

为跟踪试验调整效果，跟踪碳滑板磨耗情况，碳滑板装车运营60天，走行公里数约4.5万km，列车碳滑板±200 mm范围内仍然普遍存在撞击缺块，滑板表面存在明显磨耗不均痕迹，弓网冲击情况较为严重，受电弓在接触网膨胀原件、中间接头等处过渡不平顺，虽碳滑板偏磨、异常磨耗情况有所改善，但弓网匹配关系仍处于较为恶劣的状态，跟踪碳滑板磨耗率降低为2.6 mm/万km，见图4。

图4 跟踪碳滑板磨耗情况图片

(2) 弓网动态试验

为研究改善弓网关系，组织西南交通大学牵引动力实验室于1114车安装设备，在碧头—福田上下行全线进行弓网动态测试试验，试验主要测量数据有：弓网离线火花、受电弓滑板高度、受电弓运行监视、弓网接触压力、受电弓振动加速度、受电弓关键部位应力及电流等参数。

弓网动态试验分别于受电弓前后碳滑板支架安装拉压式力传感器、开口方向安装火花探测器、受电弓运行监视相机和滑板高度动态检测相机及于前后滑板下方各安装振动加速度传感器(包括垂向、纵向和横向)。正线弓网加速度测量结果如图5、图6所示。

试验结论如下：

(a) 刚性网相较柔性网弓网冲击更为剧烈(刚性区段冲击加速度均有超过50g的情况，其中仅上行线就达43处，柔性区段加速度振幅维持在25g以内)；

(b) 机场—碧海湾刚柔过渡段振动冲击相对剧烈，红树湾—车公庙刚性接触网区间线路硬点冲击较大，存在较大隐患。

深圳地铁11号线，对于刚性接触网区段，燃弧及撞击大多出现于膨胀关节处，较大垂向撞击将导致碳滑板表面缺块，撞痕，表面磨耗不均匀，出现凹槽、缝隙，碳滑板再与接触网滑动取流时由于缝隙产生拉弧火花现象，对碳滑板及接触网的使用寿命造成严重影响同时不利于碳滑板均匀磨耗。

图5 碳滑板垂向加速度值区间分布

图6 碳滑板垂向加速度>50g个数统计

(3) 膨胀元件整改

深圳地铁11号线主要为刚性接触网区间，全线17个区间，包含纯刚性接触网区间11个，异常膨胀关节的存在对弓网关系及碳滑板的磨耗存在不良影响，为解决该影响，进行膨胀原件整改。全线膨胀原件247个，于2017年3月时完成膨胀原件整改40处。

原膨胀原件为三线受流方式，两端夹持中间汇流排方式，由三线受流至二线受流再到三线受流方式，膨胀原件自重约60 kg，两端有向上弧度以保证均匀过渡，该类型膨胀原件由于自重较大，使用过程中会产生1～2 mm弧度下沉，且两端与受电弓接触点较多，受电弓经过时，容易造成膨胀及拉弧，严重影响弓网关系；新型膨胀原件为二线受流方式，质量较轻，质量约为50 kg，整体结构较为紧凑，两端保持向上的弧度形状且接触线为经过打磨状态，保证受电弓经过膨胀原件时均匀过渡。膨胀原件整改如图7所示；至2017年3月整改完成膨胀40处，测量碳滑板磨耗率为1.66 mm/万km，见表2。

表2 2016年7月～9月碳滑板磨耗率统计表

图7 整改前、后膨胀原件图

图8 碳滑板磨耗率折线图

2.4 新弓头装车

(1) 11号线列车受电弓类型

表3 抽检碳滑板磨耗率

(2) 新型Stemmann弓头

碳滑板对比：

Stemmann新弓头自配Pantrac碳滑板，Pantrac碳滑板电阻率为4 uΩm，抗弯强度为95 N/mm2材料为铜锡碳组合材料，摩根碳滑板为深圳地铁11号线九方受电弓使用碳滑板，电阻率为4 uΩm，抗弯强度为75 MPa，材料为碳铜片组合材料；Stemmann新型弓头(带Pantrac滑板)于2017年3月装于1105车，2017年5月将2车、7车更换为摩根碳滑板，同一列车上不同碳滑板磨耗率，具体磨耗率对比如表4所示。

图9 Stemmann新型弓头

车号滑板类型走行里程/km磨耗率/(mm·(万km)-1)4车Pantrac61 5231.812车、7车摩根37 0841.12

为进一步验证摩根碳滑板于新型Stemmann受电弓的应用情况，2017年6月于1104车试装新型Stemmann弓头，并装配摩根碳滑板；2017年8月于1103车试装新型Stemmann新弓头，新型弓头碳滑板磨耗情况如表5所示。

表5 Stemmann新型弓头摩根碳滑板磨耗率

根据以上数据得出，新型Stemmann受电弓弓头运行情况良好，使用Pantrac碳滑板则磨耗率为1.81 mm/万km，碳滑板更换周期约为4.2个月，使用摩根碳滑板则平均磨耗率为1.19 mm/万km，碳滑板更换周期约为6.4个月。

2.5 碳滑板打磨

(1) 打磨背景

地铁列车沿轨道行驶，受电弓碳滑板无法横向移动，接触网设置一定的拉出值，使列车沿着轨道行驶时碳滑板在横向方向上均匀滑动取流，使碳滑板避免磨耗同一位置，造成滑板凹槽；深圳地铁11号刚性接触网设置拉出值为±200 mm，且碳滑板宽度分别为1 050 mm 及800 mm，造成碳滑板200 mm至240 mm处形成凸台如图10所示，且由于拉出值范围较小，磨耗不均，易在磨耗区域形成波浪形状曲线表面，不利于碳滑板均匀磨耗。

图10 碳滑板凸台

(2) 打磨措施

为保证列车过道岔时受电弓碳滑板均匀过渡至另一轨道，同时保证碳滑板均匀磨耗，防止凸台区域及碳滑板凹槽在滑动取流过程中深化影响、造成凸台越凸，凹槽越凹现象，制定碳滑板打磨工艺。

通过对上述问题的研究，小组成员制定了一个对碳滑板凹槽进行打磨的方法。

① 50 mm内凹槽曲率半径大于158 mm，凹槽深度小于2mm,无需打磨；

② 50 mm内凹槽曲率半径介于106 mm与158 mm 之间, 凹槽深度介于2～3 mm，需打磨；

③ 50 mm内凹槽曲率半径小于106 mm，凹槽深度大于3 mm的对碳滑板进行更换；

表6 打磨前后碳滑板磨耗数据对比

图11 碳滑板磨耗

④ 凸台范围50 mm内高低差超过3 mm则更换碳滑板，介于2～3 mm之间则打磨至2 mm以内。

(3) 打磨工艺

① 打磨工具为锉刀打磨，若检查过程中发现多处需打磨，则可使用角磨机打磨；

② 打磨碳滑板凸台前，使用抹布把避雷器、绝缘子包裹严实，防止打磨过程中碳粉依附避雷器与绝缘子表面；

③ 如需多处打磨，使用打磨机需将线缆盘放置打磨的平台位置，线缆盘插头接通平台电源，分别把打磨机与风扇插头连接线缆盘；

④ 作业前接通风扇，风扇吹风方向对准打磨碳滑板的位置，开始作业前需站在上风口，其次，安上沙轮片，接通打磨机，测试打磨机性能是否良好；

⑤ 用打磨机对碳滑板50 mm凹槽深度超出标准的位置进行打磨，开始打磨时，沙轮片与碳滑板凸起接触面位置尽量保证相切，防止碳滑板打磨处出现深度缺块，随后修平碳滑板打磨位置。同时保证打磨机转速快、打磨均匀，保证打磨碳滑板处曲线光滑；

⑥ 打磨碳滑板过程中平稳移动打磨机，防止打磨后碳滑板出现阶梯状曲线；

⑦ 使用锉刀对打磨位置再次进行细磨，保证碳滑板表面的光滑程度。打磨完成后使用游标卡尺对两条滑板的同一位置的高度进行检查确认，保证滑板与接触网同时接触；

⑧ 打磨完用游标卡尺测量凹槽或凸台处，确认符合标准。

(4)打磨后碳滑板磨耗率比较

分别抽取已打磨列车进行碳滑板磨耗率比较，2017年8月对1101车碳滑板进行打磨，2017年8月对1105车碳滑板进行打磨，2017年7月对1112车进行打磨，碳滑板打磨后碳滑板磨耗率存在微小变化，整体呈现降低趋势。

3 经济效益

降低碳滑板磨耗率研究主要经济效益表现为以下3部分：

(1) 滑板的磨耗由初始4.6 mm/万km降至1.18 mm/万km，每年可节约成本416万元；

(2) 以更换碳滑板工时计算，现磨耗率情况下节省594人工时；

(3) 为新线筹备、备件选型提供选型依据。

4 结束语

针对深圳地铁11号线刚性接触网情况下的碳滑板磨耗率研究，经过对接触网拉出值调整、膨胀原件整改、新型弓头应用、碳滑板打磨等阶段，碳滑板磨耗率由初始4.6 mm/万km降低至1.18 mm/万km，现碳滑板磨耗率已优于既有线刚性接触网状态下碳滑板磨耗情况。后续将持续研究不同压力区间情况下拉弧情况、接触压力对碳滑板磨耗率的影响，以期达到弓网关系的良好匹配，降低滑板磨耗。