城市轨道交通刚性接触网异常磨耗机理及防控建议

2022-11-17杨晓梅

企业科技与发展 2022年7期

关键词：弓网电弓拉丝

郭刚，杨晓梅

（乌鲁木齐城市轨道集团有限公司运营分公司，新疆乌鲁木齐 830000）

1 刚性接触网的基本情况

近年来，刚性接触网以其较高的稳定性能被用于城市轨道交通牵引供电系统当中，刚性接触网优点较多，但存在接触线异常磨耗问题。本文以北方某城市地铁为例，从运营的角度出发，以数据统计分析和试验对比方式来阐述刚性接触网磨耗的基本发展规律。

某地铁全长近30 km，正线全部采用刚性接触网，含有20余座地下车站，南北段分期运营已有4年。

线路情况：线路经过3处断裂带，南北高差280 m，轨道采用60轨，道床为整体道床（断裂带为弹性道床），正线最大坡度为28‰、最小曲线半径为400 m。

受电弓情况：电客车采用6辆编组A型列车，受电弓工作宽度为1 050 mm，工作高度为120～2 050 mm，标准静接触压力为（120±24）N，采用浸金属碳滑板。

接触网情况：地下区段接触网的悬挂方式均采用架空刚性悬挂，导线由1*CR3（汇流排）+1*CTA150（接触线）+1*JT120（架空地线）组成，汇流排及接触线无张力。

2 接触线异常磨耗的渐变性的特征

轨道交通刚性接触网因缺乏弹性、小接触面传输极大电流而造成弓网磨耗异常，受电弓碳滑板接连出现偏心凹槽、对称波浪形凹槽、碳滑板掉块等异常磨耗的情况，接触线接连出现磨耗异常、掉渣及衍生分层拉丝等异常磨耗情况。

分段开通的地铁，当拉出值分布不均、同侧曲线过多、碳滑板不水平时，碳滑板会出现单侧偏磨及凹槽；全线开通后，当取流区域±150 mm、±250 mm拉出值的分布过多并与取流段重合时，受电弓碳滑板会出现波浪弯；当碳滑板磨耗率加大、高差大于5 mm、随意调换碳滑板方向时，对接触网造成致命伤害；当断裂带发生变化、滑板材质发生变化时，在温湿度的催化下，摩擦副及摩擦系数出现变化，造成站内、低速区、折返线接触线异常、快速磨损，并衍生出拉丝跳闸，影响运营安全。

上述现象表面上反映的是接触线的异常磨耗，透露出的深层次的问题是不同时间段钢轨、受电弓、接触网会出现渐变性的隐患；将不同时段弓网耦合差的历史印记留存在接触线上，暴露出的核心问题是阶段性、周期性的弓网异常磨耗，冬季弓网磨耗率是非冬季弓网磨耗率的10多倍。

3 试验对比及数据统计情况

3.1 受电弓压力对弓网磨耗率的影响测试

通过调整电客车的受电弓静态抬升力验证弓网压力与异常磨耗间的关系。3组电客车静态抬升力分别为110 N、120 N、130 N，当抬升力为110 N时，磨耗率比120 N时增大，当抬升力为130 N时，磨耗率比110 N时减少，比120 N时略大。磨耗曲线呈“U”形，但改变不明显，说明在压力允许范围内，受电弓抬升力非主要因素。

3.2 电客车取流对弓网燃弧率的影响测试

通过调整电客车的运行模式和改变取流状态验证取流与燃弧间的关系。3组电客车的运行模式分别为正常运行、限速运行、匀速运行。当正常运行时，视频显示出站取流区段燃弧严重；当限速运行时，视频显示出站取流区段偶尔有燃弧；当匀速运行并不停车时，视频显示基本无燃弧情况。说明取流与燃弧息息相关，大电流是造成燃弧的主要原因。

3.3 拉出值调整对弓网磨耗率的影响测试

通过调整接触网拉出值的分布，来验证燃弧与异常磨耗率间的关系。只对36处燃弧严重处的拉出值进行内收，碳滑板的磨耗形状快速改变，继续分析弓网视频，燃弧改善不明显。说明大电流是电气磨耗的主要因素，而磨耗率大的主要原因是电气磨耗[1]。

3.4 特殊区限速对弓网磨耗率的影响测试

通过对断裂带、下沉的弹性道床区域进行限速，来验证轮轨关系与弓网关系之间的联系。通过弓网视频分析，断裂带（道床下沉50 mm）受电弓上下振幅较大，甚至达到10 cm左右，燃弧比较严重。通过限速燃弧情况有效改善，弓网关系正常。说明当轮对关系变差后，弓网燃弧非常严重。

3.5 区间接触网磨耗数据统计及对比

一是取流区段磨耗率更大，取流区段磨耗宽度在8～10 mm、长度在20～40 m；其他位置磨耗宽度在0～3.5 mm。二是拉出值集中区磨耗更大，同一锚段拉出值磨耗宽度在150～250 mm是0～100 mm的3～5倍。三是设备集中区磨耗更大，分段绝缘器、汇流排接头、线岔、锚段关节及最大拉出值处的磨损占比在95%以上。四是断裂带区域磨耗更大，断裂带、弹性道床区间比普通区间的接触线平均磨耗宽度大2.5 mm左右。五是上坡区段磨耗率更大，上坡区段比平直区段接触线的平均磨耗宽度大1.5 mm左右。六是曲线区段磨耗率更大，曲线区段最大拉出值处比直线区段磨耗宽度大1～2 mm，接触线底部为圆弧形。

3.6 站线磨耗及跳闸数据统计及对比

一是低速区迅速全面磨耗，某站后折返线仅仅运行3个月，接触线呈全面、迅速磨耗态势，磨耗宽度为9.6 mm，约等于其他磨耗重点区段运行4年的数据。二是站线接触线分层拉丝跳闸，站线、低速区、折返线接触线分层拉丝，经过排查，50 cm以上拉丝有50多处，3 cm以下的短拉丝有200余处。铜丝造成接触网带电体与电客车车顶、定位点T头螺栓等接地体间短路跳闸45次。三是坡度与跳闸概率存在关系，下坡跳闸15次，上坡跳闸30次，占比66.7%。四是拉出值与跳闸率存在关系，拉出值在150 mm以上的区域跳闸31次，占比为68.9%。其他区域跳闸14次。具体数据和数据走势如图1所示。

图1 跳闸数据对比图

3.7 隧道环境及温湿度情况

一是隧道内湿度变化较大，隧道内夏季湿度为40%～60%、冬季湿度为12%～20%。二是隧道内温度变化不大，隧道内其他季节温度为15～18 ℃、冬季温度为11～15 ℃，冬夏温差约5 ℃；室外其他季节温度为5～40 ℃、冬季温度为-30～5 ℃。三是隧道通风存在变化，夏季通风及隧道环境较好，冬季略差[2]。

4 磨耗机理及论证分析

城市轨道交通一般采用刚性接触网搭配浸金属碳滑板来进行电气传输，由于刚性接触网缺乏弹性，所以造成弓网机械磨耗较大；为保证牵引功率，在DC1 500 V低电压的先决条件下，电客车需要强大的启动与加速电流，小接触面传递大电流造成弓网电气磨耗较大。

4.1 第一阶段磨耗规律

新线开通时，接触网的导高、拉出值、坡度等参数施工不标准，部分接触线轻微脱槽、接触网设备双线处过渡不平滑等原因造成现场接触网异常磨耗点过多，对数据积累和规律分析干扰较大，不便于分类分析[3]。

4.2 第二阶段磨耗规律

新线遇到第一、二个冬季时，温度、湿度、隧道环境、断裂带等变量出现后，弓网磨耗率加剧，为非冬季的几十倍。磨合期的短时高磨耗率很容易出现衍生问题，碳滑板磨耗形状不良、不规律，碳滑板偏磨出现单侧双凹槽或对称出现四处凹槽。为解决问题，通过燃弧分析对燃弧严重区域的拉出值进行内收，解决了磨耗形状不良的问题，间接延长了碳滑板的使用寿命。

4.3 第三阶段磨耗规律

运行1～2年后，由于轨道坡度、曲线半径、取流区域、拉出值分布、接触线的材质基本是定量，接触线的磨耗出现规律。取流区域、拉出值150～250 mm、上坡、曲线、断裂带、设备质量集中区的磨耗开始增大，与其他区域的磨耗拉开差距且上述因素相互叠加后，磨耗呈不规律地成倍增加。为解决磨耗不平衡和不均匀问题，从导高、坡度、设备参数等方面持续开展接触线的优化工作。

4.4 第四阶段磨耗规律

运行3～4年后，一些隐患逐步暴露。由于备件不足，一些前期偏磨更换下来的碳滑板变换方向后又上线运行，造成接触网设备出现致命性损伤被铝槽切削成屑。由于碳滑板消耗过快，所以更换为金属量更多、硬度更大的浸金属碳滑板，运行半年后造成车站站线接触线磨耗加剧，衍生分层拉丝跳闸50余次。上述情况说明运营过程中的一些矛盾和风险会转嫁到接触网上。

4.5 磨耗间的转移推论

碳滑板是磨耗间的纽带，将不同位置磨耗异常情况交织成网。冬季区间燃弧变多并造成弓网温升，冬季的低湿度、隧道的灰尘及存在油污的汇流排会使得弓网结合部散热不良，使每一处弓网燃弧的温升大于受电弓运行时的散热，受电弓碳滑板温度不断积聚，浸金属、铜导线就会出现气化，当列车慢速进站时受电弓会出现降温，金属会敷在碳表面，从而造成站线及低速区出现黏着和磨砺磨损。当列车运行至下一区间，燃弧会融化碳滑板表面，形成润滑层，周而复始。

4.6 电气磨耗论证分析

电气磨耗是弓网异常磨耗的核心因素，是导致冬季、非冬季磨耗率不一致的原因，也是造成磨耗问题转移和衍生的重要因素。电气磨耗是取流和温升造成的。

在冬季或温度急剧变化时，监测发现断裂带道床会出现10 mm以上的上浮或下沉。同时隧道环境变差，汇流排脏污，此区段的燃弧变多，电气磨耗增大。在夏季，线路条件较好，通风与湿度会起到散热作用，燃弧变少。这就导致冬夏季电气磨耗方面存在差异，这与受电弓表面、红外视频、接触线表面的表象一致。

4.7 机械磨耗论证分析

机械磨耗与电气磨耗密不可分，层层交织。冬季区间的电气磨耗及热效应影响到车站站线，而冬季整个区间的机械磨耗也要大于非冬季。

当湿度在10%与40%时，弓网结合部接触面和接触网斑点是不一样的，冬季湿度较低，黏着磨损导致机械磨耗增大。另外，冬季车站机械磨耗成倍增加，区间电气磨耗影响碳滑板，进站碳滑板表面硬化机械磨耗又影响车站，这与车站接触线磨耗均匀、磨耗面呈爬犁面、分层拉丝跳闸的现象一致。

5 防控建议

弓网异常磨耗是一个多因素、多区段、多时段、多振动系统的综合性问题，需从磨耗时间及空间、控制接触温升、弓网动态耦合等方面制定解决措施，再从接触网、受电弓、钢轨的角度出发，改善电气磨损及机械磨耗。

5.1 严格执行施工验收标准，提升接触网综合性能

一是按照验收标准对接触网拉出值、导高、坡度进行静态测量，对锚段关节、线岔、分段绝缘器参数进行精调，确保线索平顺、过渡良好。二是对接触线进行全面观测，重点对曲线处的偏斜、接触线脱槽、导电膏过多的情况进行全面处理，消除隐患。三是在热滑时对接触网的动态参数进行测量，重点对拉出值分布、坡度、硬点、燃弧情况、跨距和锚段设置情况进行数据分析、综合评价，确保接触网运行条件优良。

5.2 持续落实设备精检细修，改善弓网耦合关系

一是实行样本空间精准监测，对断裂带、曲线、上坡处的区间线索及相邻的车站线索进行排查，选取重点位置每月进行磨耗宽度测量，开展对比分析，研究磨损规律，预测使用寿命。二是持续调整接触网的坡度和平顺度，严控锚段关节、线岔处的高差，控制接头处的低头，实施接触网偏磨调整、汇流排卡滞调整、接触线油脂清理、拉出值优化调整工作，不断提升弓网的动态耦合性。三是通过检测手段，定期对接触网的燃弧、平顺度、硬点及钢轨的平顺度进行检测，动态地对接触网、钢轨进行评价，严格控制缺陷杜绝隐患。

5.3 深入开展冬季专项整治，控制异常磨耗风险

一是在气温急剧变化前更换一批新的碳滑板并加强监测；同时，对汇流排卡滞、汇流排油污、接触线异常磨耗面及相邻车站接触线的磨耗面和有无拉丝进行检查，如有问题及时解决。二是在气温变化时，运用好受电弓检测棚和检修平台，对碳滑板的磨耗形状和表面浸铜进行监测，当浸铜、表面高差超过5 mm时，应及时打磨处理。使用弓网检测车对燃弧和参数进行测量、人工上线对断裂带导高和车站接触线进行观测，当发现车站有小的掉渣、拉丝等现象，及时组织人员采用集中修理模式对全线车站进行打磨除丝工作。三是尽可能地减少燃弧和保障冬季受电弓碳滑板的散热工作，适时地采取通风、隧道清洗加湿等措施降低碳滑板的工作温度。四是适时改变运行方式，当出现跳闸情况时，可适时采取单弓交替运行的措施，当车站拉出值大的部位持续磨耗与拉丝时，适时进行内收调整。

5.4 适时优化补强设计规范，补强接触网遗留隐患

一是结合运营时线路工况和取流情况，对普通区段、加速取流区段、车站站线，分别计算、分别布置、均匀磨耗。二是将接触网最大拉出值由固定布置变更为范围性布置，减少多个波峰、波谷长时间将碳滑板磨损出沟槽。三是提升刚性接触网的弹性，通过优化刚性接触网的弹性，将悬挂螺杆改为弹性螺杆、定位线夹改为弹性线夹等措施减轻接触线上的压力，降低机械磨耗。四是优化控制取流曲线，限制电流减少区间电气磨耗。五是适时开展接触线、碳滑板材质更换，采用机械性能、电气性能更好的线索、滑板，车站、区间可设置不同的线索。