受电弓碳滑板异常磨耗的原因分析与对策

张政飞

(郑州地铁集团有限公司，河南 郑州 450000)

地铁车辆受电弓作为牵引系统受流部件，主要功能是从接触网上获得电能，向整个列车电气系统供电。受电弓安装在车顶上，碳滑板直接接触刚性接触网为列车提供稳定的电流，这就要求受电弓与接触网的动态接触性能良好，使碳滑板的磨耗及厚度处于正常范围。正常运行情况下，受电弓与接触网的接触压力、弓头跟随性、接触网的拉出值、受电弓滑板的硬度应在规定的技术范围内，碳滑板表面平滑过度、磨耗均匀，但由于运行环境复杂、外部干扰因素较多，导致受电弓与接触网动态技术参数发生变化，造成碳滑板磨耗异常及物理损伤等故障。本研究以郑州地铁1号线及环线的受电弓碳滑板异常磨耗为例，通过平均磨耗速率(mm/104km)、平均运行公里(104km)分析碳滑板异常磨耗和受电弓接触压力、弓头跟随性、接触网拉出值、受电弓滑板硬度之间的关系，研究受电弓碳滑板异常磨损原因，采取对应措施保证车辆受流稳定。

1 数据统计

正常运行情况下，受电弓碳滑板与接触线应该是均匀、平滑、可靠的耦合接触。如果磨耗到限和拉槽而没有及时更换和维修，在列车高速运行时将直接影响车辆功率发挥。郑州地铁1号线与环线碳滑板磨耗数据比较如表1。

表1 碳滑板磨耗数据比较

通过表1可以看出，环线碳滑板平均磨耗速率、平均运行公里均优于1号线。根据《GB/T 38955—2020城市轨道交通车辆用碳滑板》中碳滑板磨耗比小于1.5 mm/104km的标准，1号线受电弓碳滑板磨耗未达标准要求，环线碳滑板平均磨耗速率虽然达到标准要求，但仍存在异常磨耗情况。

2 原因分析

2.1 弓网接触压力

在地铁车辆运行过程中，受电弓滑板与接触网之间需要保持符合技术要求的接触压力，从而保证弓网可靠接触受流，这就必然形成弓网之间因摩擦产生磨耗。弓网接触压力值根据滑板的材料和导电性、车辆运行速度、线路情况等综合因素设定。郑州地铁环线受电弓按照120±10 N进行调整，压力设定略高于1号线100±10 N。为探讨弓网接触压力对受电弓碳滑板磨耗的影响程度，对1号线受电弓静态压力进行对比试验情况见表2。

表2 受电弓静态压力对比

从试验结果得知，不同静态压力设定值的平均磨耗速率存在一定差异，因此弓网静态压力的设定对受电弓碳滑板的异常磨耗会有一定影响。机械磨耗率与弓网的接触压力成正比，当受电弓与接触网接触压力过大时，必然导致受电弓碳滑板的磨耗加剧，降低使用寿命；接触压力过小时，受电弓碳滑板无法与接触网保持良好可靠接触，可能使受电弓离线甚至产生拉弧打火。拉弧打火产生的热量会使受电弓碳滑板局部发热、材质变软、易被磨耗，使其载流性能降低、电气磨损加剧。

2.2 弓头跟随性

在受流过程中，弓网系统是一个有机整体，二者必须可靠、连续实现电气和机械接触。为保证受电弓受流过程平稳可靠，接触网应具有理想的波动性、良好的电气和机械特性、稳定可靠的结构、弹性均匀的悬挂、导线高度变化在允许范围内且布局合理，受电弓应具有稳定的抬升力、良好的弓网跟随性、空气阻力小、动作敏捷。根据运营维护记录统计，环线存在较多因偏磨更换的情况，可以判断环线受电弓弓头跟随性能较差，因弓头跟随性能对碳滑板异常磨耗有一定影响。

2.3 碳滑板硬度和材质

受电弓碳滑板的硬度很大程度上决定了其磨损速度，依据城市轨道交通车辆用碳滑板的要求，受电弓碳滑板洛氏硬度小于120 HRC。1号线碳滑板硬度为116.8 HRC，环线碳滑板硬度为109 HRC，两条线路的碳滑板硬度均满足指标要求。1号线碳滑板的硬度虽然稍高于环线，但较为接近，同时两条线路的碳滑板均为浸金属材料碳滑板，硬度、材质差别甚小。通过比较可知，1号线碳滑板过度磨耗的主要原因不是材质、硬度造成的。

2.4 接触网拉出值

为了保证受电弓和接触网的可靠接触、不脱线和受电弓磨耗均匀，要求接触网在线路上固定位置(定位点处)与受电弓碳滑板中心有一定偏移量，称为线路接触网拉出值。受电弓可靠的受流是由良好的线路接触网拉出值来保障的，并且对碳滑板的磨耗寿命起着关键作用。通过对比发现，1号线碳滑板为V型磨耗轨迹，环线为凹槽型磨耗轨迹，说明两线路接触网拉出值存在差异。

分析、计算磨耗轨迹，1号线磨耗轨迹的截面积为2 730 mm2，环线为7 140 mm2，是1号线的2.62倍。由此可知，1号线碳滑板过度磨耗的主要原因是线路接触网拉出值存在技术不足。在运行中发现曲线区段拉出值超标严重，这是因为在设置拉出值时未考虑受电弓中心线在型号和参数、气象条件、线路参数、运营方式、运营速度等多种因素影响下的动态变化。拉出值作为接触网运行的重要参数，其作用是使受电弓能与接触网线均匀接触，因此拉出值分布不合理就会造成受电弓碳滑板异常磨耗。如果接触网拉出值过于集中，使弓网关系恶化，就会加速碳滑板磨耗。

3 结论及措施

(1)当受电弓与接触网压力过小时，受电弓会脱离接触网而发生离线现象，使正常供电变得断断续续，同时也会产生电弧，导致列车工作条件变差、接触线和碳滑板的接触面变得粗糙不平。在车辆检修维护时，应精确调整接触网与受电弓的静态压力，使特性曲线符合技术要求。

(2)环线碳滑板多为偏磨，说明环线受电弓弓头跟随性能较差，降低了碳滑板的使用寿命。在弓头的结构设计、工艺及材料方面应尽可能轻量化，减少偏磨、提高导流性能。同时，减少接触网的接触压力不均匀系数，保证接触压力在一定区段(如一个跨距)内的变化较小，以及优化接触线坡度，减少受电弓的上下波动及离线频率，提高弓网受流速度。

(3)接触网拉出值是碳滑板过度磨耗的主要因素，检修时应合理调整，使网线均匀分布在线路中心，同时确保角度变化平缓。在受电弓处于不同的升弓高度时要确保升弓保持力不变，弓头结构设计需保证碳滑板在磨耗不均的情况下能与接触网良好接触，而且有必要对运行速度、线路参数及施工误差等主要影响因素进行分析，合理设置拉出值，确保车辆良好受流。减小拉出值超标问题应考虑以下几个方面：施工单位在曲线上调整拉出值时，应尽量使拉出值不超出设计值，同时使拉出值施工误差在规定范围内；接触线调整完毕后，施工单位要经常了解工务部门的路基维护保养情况，重点加强曲线段超高检查；在冷滑过程中，施工单位应根据动态测量结果调整拉出值，保证车辆正常受流；设计部门应考虑车辆侧摆引起受电弓中心的偏移量，减少小曲线半径线路接触网上的拉出值和跨距。

4 结语

影响碳滑板过度磨耗的主要因素为弓网接触压力设定不够精准、受电弓弓头跟随性能较差、接触网拉出值不同，应按照受电弓的检修工艺和接触网分布路段技术要求，进行针对性对比、分析与调整，并制定作业指导书，从而减少受电弓碳滑板过度磨耗，提高使用寿命。