关于四号线绝缘支架卡爪及对应接触轨接触面异常磨耗分析

董毅

一、背景

2020年1月10接触网专业在官桥—石碁下行K31+200--K31+400接触网综合检修作业中，发现官桥-石碁下行线K31+400、K31+200两处定位存在异常。进一步检查，发现绝缘支架托架、卡爪承托面边缘磨耗严重，对应接触轨接触面出现相应磨损。绝缘支架卡爪、托架承托面边缘磨耗严重

当晚对磨耗异常的绝缘支架进行了更换，设备恢复正常。后续接触网专业组织对官桥-石碁下行K31+200-K31+400两处共30米接触轨进行了更换。

二、设备结构及表征现象分析

接触轨卡爪与托架通过螺栓固定，形成沟槽，从而将接触轨悬挂起来。托架通过接触面的齿槽和螺栓固定于绝缘支架上。列车集电靴与接触轨相互作用时，接触轨与卡爪托架的接触面存在摩擦关系。其中，接触轨承托部位为铝6101T，卡爪托架为玻璃纤维材质，正常状况下，两种部件应能友好匹配，然而维修人员却发现个别定位点位置的接触轨也产生了超出预想的强烈磨损。卡爪磨损严重的地方，接触轨也存在磨损比较严重的情况，并且由于接触轨的热胀冷缩横向运动，接触轨的磨损不仅仅限于卡爪托架包裹范围内，实际表象已拓宽到了卡爪左右两侧约3cm。

2011年至今，接触网专业多次发现不同工况位置的卡爪托架出现磨损情况，主要发生地点为新造洞口-石碁区间，分布在线路小曲线、坡道处、碎石道床处以及整体道床与碎石道床的交界处。

三、磨耗原因分析

1、已经发现的整体道床与碎石道床刚度突变

依据《运营中心2019年4月份列车晃动整治报告》，新造洞口至W1406上下行存在道床刚度突变，且原建设时未在隧道内整体道床与隧道外碎石道床之间设置基础刚度过渡区域，导致列出经过冲击道床时，基础刚度发生刚-柔-刚的明显变化。

2011年——2019年运营历史中总共更换过56处卡爪或托架，均因为出现了超出预期的磨耗。碎石道床与整体道床沒有设置过渡区域，会导致列车进出整体道床时猝然冲击。列车受到猝然冲击的同时，也会受到冲击，振动的幅度与频率也因此加大，在整体道床以及碎石道床相连接的区段卡爪与托架磨耗相比更加严重。

2、卡爪托架的设计缺陷

接触轨被悬挂在卡爪与托架之间，接触轨在卡爪托架中间有空隙，因此接触轨可在空隙中上下振动下磨式接触轨系统与柔性接触网本质是相同的，归根结底依然具备接触“悬挂”的特点。

在这种悬挂方式下，绝缘支架需具备定位支撑作用和一定的韧性，使其在抵消接触轨重力的同时能兼顾解决摩擦力过大造成接触轨本体运动不畅的矛盾。若接触轨在卡爪托架内完全嵌合，将不会引起接触轨在空隙内的上下运动。目前出现的改进型卡爪托架与线路在用的结构形式相比，接触轨切合处的贴合度更高，因此在运行过程中接触轨在卡爪托架内的振动幅度减小，因此二者之间的磨损也会随之减小。

同时改进型卡爪托架承托部位设置有一层尼龙衬垫，增加了内边缘的厚度。现使用的卡爪卡扣位置厚度为10.30mm，改进型卡爪厚度为15mm。现使用的托架卡扣位置厚度为10.85mm，改进型托架厚度为20mm。并且尼龙材料具有众所周知的表面光滑、摩擦系数小、耐磨的优点，相比起现使用的玻璃钢材质耐磨性能明显偏差，强烈的相互摩擦作用下势必产生异常的磨耗情况。接触轨与卡爪托架的承托面更换为尼龙材质后，摩擦因数的减小更加利于接触轨本体热胀冷缩影响下的横向移动。

3、线路小曲线的影响

依据《高速铁路有砟轨道振动理论与的应用的研究》，对新铺钢轨运营前后曲线区段进行测试。经过三个月运营，直线地段最大垂直磨耗磨耗仅为0.770mm，曲线地段接头处最大垂直磨耗为1.284mm。直线段左轨与右轨的磨耗相差不大，曲线地段内侧轨道与外侧轨道磨耗相差较大。实际现场，小曲线位置的轮轨关系往往同时出现了外轨超高匹配不良好，内轨磨耗突出，轮轨蛇形轨等，而这一系列现象又进一步加剧了左右股刚轨的不均匀磨耗，使得轨道不平顺度增加，列车振动幅度增大。

4、线路坡度的影响

现场勘察发现在坡道处同一处定位的卡爪托架两侧的磨损程度是不同的，较低的一侧卡爪的磨损比较高的一侧卡爪磨损严重。由于在坡道处接触轨各定位的导高有偏差，因此接触轨卡爪与轨平面不是完全平行关系，导致水平面较低侧的卡爪托架与接触轨接触更加紧密，磨损更加严重。

接触轨受重力G，以及卡爪与托架给予的弹力F，根据平行四边形法则，接触轨与卡爪之间存在着一个摩擦力f来平衡重力G与F的合力，摩擦力的大小等于摩擦因数与反作用力F的乘积，在水平直线段的接触轨与卡爪托架之间理论上不存在摩擦力，因此在坡道处二者的摩擦相较于水平直线段时更大。在接触轨热胀冷缩时，二者之间的摩擦加剧，并且在振动过程中，随着卡爪托架与接触轨的摩擦增大，磨耗也会增加。

6、接触轨本体的热胀冷缩影响

接触轨在不同温度下的热胀冷缩因有膨胀接头的补偿作用，轨体会在卡爪与托架中往复运动。运动行程的积累会导致卡爪托架与接触轨的衬托面出现严重磨损，接触轨一侧因硬度较高有磨损但没有那么严重。在新造隧道内侧，隧道内的接触轨处于工作环境温差变化小，而隧道外侧的接触轨因昼夜及四季交替温差较大，该锚段的接触轨呈现处隧道外侧的单方向伸缩，因此接触轨滑动幅度也相对较大。该类型的位置也引起了卡爪托架的严重磨损。运行历史记录中，新造隧道口交界位置的接触轨锚段上下行，总共更换过约10套卡爪与托架。

四、总结

综上，结合2011—2019年的运行记录、数据分布及形成原因分析，可以发现在线路小曲线、坡道处、碎石道床处以及整体道床与碎石道床的交界处均为发生卡爪托架磨耗异常的集中区域。

鉴于此，日常的运行维护中，需要：

1、对磨耗异常集中区域如碎石道床交界处的两边各三个定位更换改进型绝缘支架，采用配套的新款卡爪托架，增加机械强度及耐磨性。

2、新造洞口-石碁区间对于坡道、曲线区段集中进行排查，有磨耗异常迹象根据严重程度进行更换卡爪支架并建立完更换台账，跟踪更换后卡爪磨耗情况。

3、其他高架区段日常检修过程中持续关注卡爪托架磨耗情况。