地铁刚性悬挂接触网弓网磨耗的探讨

王会争

摘要：弓网间的磨耗主要是由机械磨耗和电气磨耗二者组成的，本文主要从刚性悬挂接触网的平面布置、跨距选择及施工维护管理等方面进行研究，分析弓网磨耗产生的原因。对如何有效改善弓网间的磨耗，提出相应的解决措施和建议，并对施工和维护管理等提出了相关要求。

关键词：地铁；刚性悬挂；弓网磨耗

前言

刚性悬挂接触网是我国借鉴国外技术，在广州地铁首次应用后，由于其具有对土建结构影响小、结构简单、无柔性悬挂的断线隐患及安装维护方便等优点，现已在我国地铁成为首选。并得到了广泛应用。从（全国广州、厦门、沈阳、天津、石家庄、郑州）已开通运营的刚性接触网系统实际运行情况看，受电弓、接触网磨耗不均，且个别区段弓网局部磨耗较为严重（进而发生严重的弓网磨耗异常，碳滑板异常磨耗）。目前各地铁公司认可的正常弓网关系磨耗率1mm/弓架次万公里，而发生异常时35-20mm/弓架次万公里；正常地铁一个受电弓碳滑板寿命在1年半左右，异常严重时，3天左右就要更换碳滑板。由于上述问题导致受电弓、接触线使用寿命缩短，同时也增加了运营成本，严重影响地铁安全运营，造成很大损失；本文就这一问题进行探讨，结合设计、施工、运营治理经验，以望有所改善。

1.弓网磨耗的原因分析

1.1平面布置接触线斜率不同，导致受电弓不均匀磨耗

早期刚性悬挂平面布置主要采用以下两种布置方案：

方案一：半波方式，整个锚段汇流排绕受电弓中心线呈半个近似“正弦波”布置。

方案二：全波方式，整个锚段汇流排受电弓中心线呈一个完整近似“正弦波”布置。

两种方案均采用类似正弦波的布置方式，最大拉出值≤200mm，最大锚段长度一般≤250m，非绝缘锚段关节处拉出值为±100mm，绝缘锚段关节处拉出值为采用±150mm。采用上述方案的汇流排平面布置，长期运营后，发现列车受电弓碳滑板的磨耗呈不均匀分布（见图2），其主要特点是：受電弓碳滑板工作面形状不规则且起伏不平；最大拉出值（±200mm）处受电弓碳滑板磨耗严重，形成较深的凹槽。

为直观定性的比较两种平面布置方式下，受电弓机械磨耗分布情况，以标准锚段长度243m为例，最大拉出值为200mm，锚段关节处拉出值为±100mm。选择20mm作为一个最小的拉出值间隔，分别按照方案一和方案二的平面布置方式进行统计，统计在一个锚段里，不同拉出值范围内接触线与受电弓碳滑板接触过的长度，从而得出一个锚段内受电弓机械磨耗分布，见图3和4所示，其中蓝色部分可以理解为理想状态下碳滑板机械磨耗掉的部分，灰色阴影部分即为碳滑板磨损后的剩余形状。

上图只是一个典型锚段受碳滑板机械磨损情况统计，但是经过多个锚段的叠加，碳滑板磨损积累后的形状也基本如此，与运营公司提供的受电弓不规则磨耗情况基本相符。由上图可以看出，无论半波还是全波方式，相比与受电弓中部，受电弓两侧因正弦波波峰影响与接触线滑触范围（距离和时间）要长，使得受电弓两侧的机械磨耗较中间部位大。不同之处在于，在一个锚段内，半波方式下接触线只在半个受电弓上滑动；而全波方式下，接触线在整个受电弓上滑动，且与受电弓任一区域的接触长度是半波方式的一半。全波方式下，接触线在受电弓上的滑动频率（单位时间、单位距离内，接触线划过碳滑板的速率和宽度）更快，从而使得碳滑板磨耗更趋均匀。

现有的两种平面布置方式均会给受电弓碳滑板带来不均匀的磨耗，究其原因，主要是由正弦波的特性决定的。从正弦波零点开始，其斜率越来越小，在正弦曲线的波峰和波谷处（即两侧最大拉出值处）拉出值变化率最小，因此，受电弓碳滑板两侧最大拉出值处连续磨耗的时间最长，导致该处列车受电弓碳滑板磨损最严重。

1.2刚性悬挂不平顺----造成弓网磨耗不均

良好的弓网受流质量，要求刚性悬挂的汇流排必须保证良好的平顺性与受电弓接触面平滑接触，汇流排连续不平滑度，变化应尽量小，刚性悬挂主要取决于两个方面，一是汇流排安装误差，二是由于汇流排自重，跨中产生的挠度。受电弓运行时，因高度变化，导致受电弓接触力（变化、硬点冲击、振动跳跃）时而增大或减小，严重的产生弓颤、电气拉弧，从而使弓网磨耗不均匀。

1.3弓网接触不良引起的电气磨耗

受电弓是通过与接触线相互接触取得电能的，电流传输是通过接触界面导电斑点由接触线向受电弓滑板，受电弓在运动中弓网接触不良，发生滑动摩擦和电气异常受流，导致接触电阻增大（和空气间隙拉弧），电流流过时产生使接触点局部区域的温度升高，造成受电弓和接触线产生较大的电气磨耗（即电腐蚀），严重时会烧伤受电弓滑板和接触线，而且随运营时间增长，由于施工质量和维护工作的不足，电气磨耗严重区段还会产生拉弧现象，从而加速弓网磨耗。

2.弓网磨耗的改善措施和建议

2.1平面布置采用折线布置

为使受电弓滑板磨耗均匀，通过借鉴柔性悬挂的平面布置方案，经理论研究后对刚性悬挂提出了近似折线布置方式，即方案三（见图5）。该方案是将一个锚段内汇流排基本成折线布置，折线间以圆弧相连，圆弧半径不小于汇流排最小人工弯曲半径。由于汇流排主要以直线形式出现，且与受电弓中心对称布置，因此，在此种布置方式下接触线在受电弓上的分布基本平均，每段碳滑板的机械磨耗基本相当。

刚性悬挂接触网在一个锚段内各悬挂点的拉出值，顺线路方向按3mm/m～5mm/m的变化率设置，使接触线在列车受电弓碳滑板上的扫动频率基本恒定，进而使列车受电弓碳滑板磨耗趋于均匀，避免列车受电弓碳滑板形成沟槽、甚至出现卡线的隐患，进一步提高运营安全可靠性，也能有效增加接触线和列车受电弓碳滑板的接触面积，改善弓网关系，大大改善了弓网不均匀磨耗问题。

通过统计（见图7），采用折线布置后，碳滑板经长期磨损后的形状大致为一个较理想的浴盆形，避免了两侧最大拉出值处的严重磨损情况。工程实施时，虽刚性悬挂接触网不能象柔性悬挂接触网一样，布置成标准的“之”字形，但在最大拉出值悬挂点左右两跨范围内，可用汇流排允许的尽量小的弯曲半径形成折线。与正弦布置相比，折线布置可有效缩短最大拉出值处接触线在列车受电弓碳滑板上的停留时间，避免列车受电弓碳滑板在两侧形成沟槽。根据计算，按折线布置时，当锚段长度为183米时，汇流排在一个锚段内两次通过线路中心，在最大拉出值悬挂点相邻两跨的汇流排可用弯曲半径约为250m的圆弧过渡。由于汇流排最小人工弯曲半径为120m，最小机械弯曲半径为45m。因此，折线布置方式在施工中能够实现。

如图7，将这三种布置方式的受电弓碳滑板磨耗情况比较，可以直观明显的看出方案三的磨耗情况相对好些，此种方案基本消除了碳滑板上的磨损凹槽，磨耗情不均匀况得到了很大的改善。

在已开通的重庆6号线、郑州5号线、厦门1号线和2号线工程中，地下段刚性悬挂接触网采用了方案三的设计思路进行平面布置。图8是重庆六号线工程受电弓碳滑板磨损后的图片，由图可清晰看出：受电弓碳滑板磨耗情况较为良好。

2.2选择最优刚性悬挂跨距，保证汇流排平顺度。

汇流排定型后，因汇流排自身特征（跨距与挠度成5次平方的正比关系）通过计算和施工运营验验及经济分析，对于最高运行速度小于等于120公里的地铁刚性悬挂，跨距一般采用8m是适宜的，根据理论计算和现场实际安装情况看，刚性悬挂的坡度能控制在千分之一以内，满足汇流排的平顺度和弓网运行的硬点要求。

2.3提高施工精度，增强运营维护管理手段

刚性悬挂接触网安装精度高，要求严，施工单位要精心施工，把施工偏差严格控制在设计要求范围以内，确保安装质量。维护单位接触网专业要加强与轨道专业沟通，轨道参数变，接触网应及时调整，。维护单位要定期和不定期检查受电弓的磨耗情况，发现问题时应及时打磨或更换受电弓。

结束语

本文（仅）就目前刚性悬挂弓网磨耗存在的问题，对刚性悬挂弓网间的相互作用进行分析，并提出改善的措施和建议，因刚性接触网悬挂的固有特性，弓网之间是一个相互作用的整体，既有滑动摩擦的机械联系，又有受取流和电化学的电气联系，二者之间内在的受流摩擦工作机理和内在变化规律，目前行业内还存在研究空白和难点，掌握这些内在规律，对研究弓网磨耗发生的根本原因是十分必要的。作为工程技术难题需要结合设计优化和数学模型模拟、施工优化、维护单位磨耗异常治理措施综合手段，探讨和研究刚性接触网悬挂发生异常弓网磨耗发生的原因和变化规律。目前已在全国地铁接触网设计、施工、维护中进行应用，从实际检测数据（弓网检测、紫外燃弧）分析和判断，切实改善和提高了弓网关系，降低了受电弓的磨耗率。针对刚性悬挂接触网弓网电化学滑动摩擦工作机理和内在规律研究，还会有新的问题出现，需共同探讨研究解决。

（作者单位：中铁电气化局第三工程有限公司轨道交通分公司）