地铁车辆受电弓碳滑板异常磨耗分析及应对措施

周国祥

(南京地铁建设有限责任公司 江苏 南京 210017)

随着国内城轨交通的迅猛发展，地铁线路接触网长度快速增加，接触网材料与施工工艺日新月异，地铁车辆受电弓配置数量日趋增多，受电弓及碳滑板型号不断增加，受电弓碳滑板的消耗量相应增大，受电弓碳滑板异常磨耗问题也呈不断增加的趋势。地铁车辆受电弓碳滑板异常磨耗既影响列车安全可靠运行，也大幅增加车辆更换碳滑板的维保费用。分析碳滑板异常磨耗原因，并及时采取应对措施十分重要。

1 碳滑板磨耗机理

在地铁车辆受电弓与接触网间的弓网关系中，接触网是敷设好的固定设施，而受电弓是移动的设备。地铁接触网是沿地铁线路上空架设的，受电弓是从接触网取电的电气设备，安装在车顶上，受电弓一般由碳滑板、上框架、下臂杆(双臂弓用下框架)、底架、升弓弹簧或升弓气囊(气缸)、支持绝缘子等部件组成。碳滑板是受电弓的重要零部件，安装在受电弓弓头上。地铁车辆受电弓碳滑板根据材料组成不同，主要有浸金属碳滑板和纯碳滑板。

地铁车辆受电弓碳滑板与接触网相接触的地方，是地铁车辆的受流(或回流)点。当车辆静止时，碳滑板对接触网接触线有机械力作用，表现为静态接触力，此时，若车辆从接触网取流，碳滑板与接触线间电气作用表现为静态电接触；当车辆运行时，碳滑板与接触线间的机械力，除了动态接触力外，还有滑摩擦力，若车辆从接触网取流或回流时，碳滑板与接触线间电气作用表现为移动电接触。碳滑板在与接触线工作过程中，碳滑板材料从滑板表面移走，这种现象称为碳滑板磨耗(磨损)。碳滑板磨耗主要有机械磨耗和电气磨损两种形式。碳滑板与接触线静态接触取流时，表现为碳滑板、接触线间接触温升；碳滑板与接触线滑动接触取流或回流时，表现为碳滑板机械磨耗和电气磨损；当碳滑板与接触线间带电且出现时分时合接触时，两者间会产生电火花或电弧，即弓网间出现拉弧现象。

2 碳滑板异常磨耗表现

城轨交通系统中，地铁车辆受电弓与牵引供电接触网间是否匹配良好，即弓网关系是否良好，主要表现在列车运行过程中受电弓碳滑板和接触网接触线的磨耗是否正常。受电弓与接触网匹配得好，列车运行时碳滑板在接触线下的磨耗比较正常；若受电弓碳滑板在列车运行中出现异常磨耗，可能就是弓网关系出现了异常。

列车运行过程中弓网间的匹配关系涉及面很广，影响地铁车辆受电弓碳滑板在接触网接触线下磨耗的因素很多，碳滑板异常磨耗的现象各种各样，归集起来主要有以下几方面的表现。

(1)碳滑板偏磨。碳滑板偏磨是碳滑板异常磨耗的主要表现形式。碳滑板偏磨主要有波浪型磨耗和中心型磨耗2种形式：波浪型磨耗主要表现为滑板上磨耗存在的程度不均，导致受电弓滑板的表面不平整，表面形成不同的厚度差；中心型磨耗主要表现在受电弓滑板的中心到两端，磨耗的程度越来越小，形成中间凹下去、两边凸起来的现象。

(2)碳滑板掉块。碳滑板因弓网间撞击以及滑板严重拉弧、灼烧等原因而出现掉块或缺块问题。

(3)碳滑板中间位置处，有顶部到底部完全裂通现象。

(4)碳滑板表面有灼伤、拉弧等异常现象。

(5)碳滑板磨耗或磨耗率有突然加大现象。

3 碳滑板异常磨耗原因分析及应对措施

通过观察地铁车辆受电弓碳滑板异常磨耗现象，特别是那些比较典型的异常磨耗表现，往往可以判断碳滑板异常磨耗的原因。当然，碳滑板异常磨耗既有普遍规律，又有一定的特殊性。要有效解决地铁车辆受电弓碳滑板异常磨耗问题，往往需要具体问题具体分析，研究实际的弓网匹配关系，应该结合实际项目，根据实际弓网及弓网运行环境等具体情况，全面分析车辆、受电弓、碳滑板、线路、接触网、接触线的情况，以及列车运行工况和运行环境等方面的情况。

3.1 原因分析

通过对一些既往地铁车辆项目上受电弓碳滑板异常磨耗案例的分析与总结，从接触网特性、接触网布置、接触网施工质量以及碳滑板自身和碳滑板与接触线匹配等方面考虑，地铁车辆受电弓碳滑板异常磨耗的主要原因大致有以下几个方面。

(1)受刚性接触网的特性影响。相对于柔性接触网而言，刚性接触网的弹性较差。当受电弓从柔性网往刚性网方向(往往是由高向低)前进时，弓头高度会有明显降低的变化，碳滑板很容易撞击并抬升接触网；当受电弓从刚性网向柔性网方向(往往是由低向高)前进时，弓头高度会有明显抬高的变化，碳滑板容易发生电气烧损(见图1)。

图1 碳滑板表面发生电气烧损后的现象

(2)受接触网悬挂硬点随机性影响。接触网在悬挂过程中，容易出现一些突出硬点，这些硬点的出现往往会导致接触悬挂导高突然发生变化[1]。

(3)受接触网布置形式的影响。据统计，与图2(a)所示的“之”字形布置的接触网相比较，图2(b)中正弦波形式布置的接触网下，碳滑板异常磨耗的概率更高。同种工况下，同根受电弓碳滑板在与正弦波形式布置的网线接触和与“之”字形布置的网线接触时，碳滑板上各点和接触线接触的时间、频率以及次数不同，试验表明，与“之”字形布置相比，接触网使用正弦波布置形式，在靠近受电弓碳滑板中心的位置，碳滑板磨耗程度更大，如图2(c-d)所示[2]。

图2 接触网平面布置示意图及不同布置形式对碳滑板磨耗状态的影响

(4)受接触网施工技术或施工质量的影响。在地铁线路接触网施工过程中，由于一些接触网施工企业缺乏相应的科学技术和工艺质量管控措施，大多数环节的施工都是按照图纸进行，而许多线路接触网的设计图纸，有时并没有根据地形环境而作科学调整，设计图纸与现场实际适应性差，甚至可能存在一些安全隐患，在接触网施工过程中，有些接触网交叉布设工艺很不合理。另外，地铁线路接触网施工完成后，又缺乏全面、专业的质量检验，这些接触网施工技术、工艺、检查等方面的问题往往会造成后续列车运行时车辆受电弓碳滑板异常磨耗。

(5)受弓网间接触力不均衡影响。在目前的接触网系统中，接触线与受电弓碳滑板中心线的距离长短，影响着受电弓碳滑板中心段的机械磨耗程度大小。地铁列车在运行过程中，随着列车速度增加，弓网间的接触压力增大，受电弓会出现晃动，受电弓碳滑板就会形成中心偏磨型磨耗或波浪型磨耗。

(6)受接触线和碳滑板材料影响。碳滑板材质不同，或碳滑板材料组成比例不同，都对碳滑板物理性能有影响。一旦受电弓碳滑板或接触网接触线选型不当，或它们的材料质量出现问题时，地铁车辆受电弓碳滑板往往会出现异常磨耗。接触网接触线材料的优劣不仅影响接触线自身的使用寿命，对碳滑板磨耗程度影响也很多，甚至影响到列车的行车安全。

(7)受碳滑板和受电弓选型影响。同种型号接触线条件下，在同样列车牵引电压、电流工况下，选择不同的受电弓，或同种受电弓情况下，选择不同材质(或材质比率不同)的碳滑板，碳滑板的磨耗率可能不同。弹簧弓、气囊弓、气缸弓的特性不同，弓头质量轻重对碳滑板磨耗有影响，在碳滑板选型时，主要根据以下条件进行确认：接触网线缆数量、接触网材料、接触网截面积、接触网允许最高温度、接触压力、电流数量(静态电流)。确定选型后，进行静态温升试验确认。滑板的选型、接触线的选择应满足地铁车辆牵引供电计算要求。

(8)受天气等其他原因影响。地面及高架地铁线路上，天气温度、湿度变化以及雨雪天气对接触线与碳滑板间的接触性能有较大影响。列车运行中，当地铁车辆受电弓碳滑板与接触网接触线间有浮冰(薄冰)时，弓网接触关系往往会很恶劣，造成碳滑板与接触线间接触不良，从而导致两者间拉弧严重，磨耗加剧。另外，地铁线路钢轨的平顺性、轨道质量指数等参数以及地铁车辆与钢轨间的轮轨关系也会影响弓网间的配合，一定程度影响着车辆受电弓碳滑板的磨耗速度。

3.2 应对措施

3.2.1接触网方面

(1)提升接触线材料的质量，增加刚性接触网的弹性。

在接触网建设施工过程中，要对接触网材料的质量、规格以及型号进行对比分析，另外还要对所选材料的强度、质量以及弹性进行检测，严格监督材料质量是否合格，严禁使用伪劣材料。在刚性接触网施工设计与工艺方面，要充分考虑增加刚性接触网弹性的措施[3]。

(2)预防及整治接触网悬挂硬点，控制好导高突变量。

接触网接触悬挂导高突变的主要原因是硬点，在接触网施工过程中，要注意导高突变点的标准，对不符合标准的硬点要及时进行调整。另外，在接触网维护保养阶段，要加强巡查接触网接头部位接触线的磨耗情况，一旦发现接触线磨耗情况严重时，要进行及时处理。

(3)加强对接触网的维修管理。

随着科技的进步，可以引进一些高科技产品对接触网进行检测、监测与维护。对传统检查接触网的工作，与使用高科技产品检测、检查接触网后的工作进行优化调整。对接触网磨耗程度进行定期跟踪，科学调整一些检修参数，并建立完善的接触网检修标准和检修制度。

(4)提高接触网施工、检修技术水平。

接触网施工企业要全面提高施工技术，优化接触网各部分之间的关系[4]。相关职能和责任部门要加强对接触网施工过程中的监督，以及对接触线材料质量的检测。接触网检修单位要调整和优化接触网的几何参数与接触线形态，使得受电弓碳滑板的磨耗达到较为理想的水平；保障接触网坡度处于设计规定值范围，相邻悬挂点的高差控制在设计值内；对接触线棱边、拉丝及时打磨和清除；对弹性绝缘子的弹性进行研究和排查，避免绝缘子出现卡滞；关注接触网跨中的导高值是否在允许的范围内。地铁线路轨道检修单位确保轨道平顺性，确保轮轨关系配合处于良好状态。

3.2.2弓网接触方面

(1)接触线在碳滑板上的往复运动范围应尽可能大。

标准范围内接触线拉出值尽量大，可使碳滑板在接触线下滑动区域更宽；接触线布置更科学，合理选择“之”字形或正弦形的接触线施工工艺，对降低碳滑板磨耗率有帮助。接触网拉出值分布不均匀，会造成受电弓碳滑板在某些区域明显高于滑板其他区域[5]。

(2)弓网间的接触力要合适。

受电弓在不同高度下，都要保证弓网间的接触力均衡性；碳滑板与接触线间的接触力调整到最佳状态(或最匹配状态)，可有效降低碳滑板磨耗率。弓网接触压力值是根据碳滑板材料、导电性以及车辆速度等综合因素设定。接触压力过高，接触网与碳滑板的机械磨耗都会加剧，导致寿命缩短，维护成本增加；接触压力过低，受电弓碳滑板的载流性能降低，电气磨损会加剧[6-7]。

3.2.3受电弓结构选型及碳滑板选型方面

(1) 受电弓结构

碳滑板磨耗包括电气磨损和机械磨耗，其中电气磨损大概占比70%以上[8]。要降低电气磨损，需要提高弓网动态匹配性能，降低受电弓的归算质量。四滑板结构的弓头归算质量重于两滑板结构弓头，故受电弓应尽量采用两条碳滑板的结构[9-10]。

(2)滑板选型

认真核算列车各种工况下要求碳滑板(动态及静态)载流值的大小，根据两滑板结构弓头预设的常用最大宽度碳滑板(60 mm宽)和电流大小确定碳滑板的载流密度，从而确定采用纯碳滑板或是浸金属碳滑板，以及合适的规格型号。以南京地铁项目为例，碳滑板选型情况如表1所示。

表1 南京地铁一些车辆项目上碳滑板选型情况

3.2.4其他方面

为减少、避免地铁车辆在恶劣天气下碳滑板的磨损异常现象，应结合地铁线路、车辆、接触网等情况，统计不同季节下碳滑板的运用数据，总结碳滑板磨耗规律，可主要采取接触网除冰和碳滑板升级等措施。

4 结束语

地铁车辆上受电弓碳滑板异常磨耗问题，是接触网、车辆领域经常会遇到的疑难问题,在北京、上海、广州、深圳、南京、成都、沈阳、郑州等地铁公司的一些车辆项目上，都或多或少出现过。碳滑板磨耗问题，涉及到弓网关系，而受电弓及碳滑板的选型与车辆选型、列车运行工况、运行速度等多方面有关，接触网及接触线选型和接触网施工工艺与工程结构、线路条件等有关，碳滑板与接触线要相互匹配。因此，要解决好碳滑板异常磨耗问题，需从多专业、多层次、多因素、多方面考虑，结合工程、线路、车辆、接触网、运行工况、天气等具体情况具体分析原因，加强现场调查，认真分析原因，及时采取有效措施。文章中对地铁车辆碳滑板异常磨耗的浅显分析和一些应对措施，能给予同行们参考和启发。