温度与碳滑板磨耗关系探讨

郭春伟，邓伟强，王 振，李 峰

(郑州地铁集团有限公司，河南 郑州 450000)

郑州地铁1号线电客车采用6节编组配置，4动2拖[1]，双弓运行方式，地下段全部采用架空刚性接触网形式。架空刚性接触网结构紧凑，占用空间少，可有效降低建设成本,因接触线没有水平张力，无断线塌网之忧，运营维护简单[2]，但架空刚性接触网与柔性接触网相比弹性差，弓网出现异常关系期间，受电弓碳滑板和接触线的磨耗速率比柔性悬挂接触网要高很多，与自身弓网关系正常时相比也出现较大增加。郑州地铁1号线自运营以来出现了几次弓网异常磨耗，受电弓碳滑板日均磨耗速率比接触线日均磨耗速率大，且均明显高于正常磨耗值。影响弓网关系的因素较多且比较复杂，本研究主要探讨温度与碳滑板日均磨耗速率之间的关系。

1 弓网关系异常的危害

当接触线和受电弓之间关系出现异常时，接触线线面和受电弓碳滑板之间会产生明显的打火现象[3]，持续性的打火会造成接触线、碳滑板表面烧蚀和温度升高，降低接触线硬度，在接触线的下表面和侧面产生瘤点造成接触线麻面。打火时会在受电弓碳滑板上留下烧伤痕迹。接触线麻面会加快碳滑板磨耗，导致其表面粗糙度增加，作用于接触线上时会破坏正常接触线接触面的碳膜，加剧接触线线面恶化，造成接触线线面粗糙，增大接触线磨耗。粗糙的接触线线面又反作用于受电弓碳滑板，增大碳滑板磨耗，如此恶性循环会加剧接触线和受电弓碳滑板磨耗，造成接触线线面碳膜消失，出现侧楞、拉丝等异常情况,并且还会造成碳滑板表面部分区域凹槽加深、绸缎面消失等异常情况。碳滑板继续运行时，与粗糙的接触线线面相互作用还会发出沉闷的嗡嗡声。因此，弓网关系异常时，对接触线和受电弓碳滑板均有远超正常磨耗值的损耗，而且对碳滑板损耗最大。

2 数据采集

采集弓网异常磨耗期间每日受电弓碳滑板磨耗值、温度值，计算当日碳滑板的磨耗速率及温差。

(1)温度值的采集方式。分别在风亭下方、隧道区间中部加装温、湿度记录仪，每隔500秒记录一次监控地点当时的温、湿度数据，每天24小时不间断测量。

(2)碳滑板磨耗值的采集方式。每天登上车顶，利用游标卡尺每隔50 mm测量一处碳滑板的残余厚度，每根碳滑板测量13个点位，每列车共计测量52个点位，每天测量1列跟踪车辆和6列随机车辆。

3 分析方法

为简化数据分析方法，主要采用最值分析法和温差分析法。

(1)最值分析法。以日期为时间轴线，分别筛选出每天区间、风亭、气象的最大温度值和最小温度值，分别与碳滑板的日均磨耗速率进行对比分析，寻找规律，为后续的弓网异常关系预防工作提供数据支持。

(2)温差分析法。以日期为时间轴线，分别将区间、 风亭、气象当日温差曲线，以及区间风亭、区间气象、风亭气象最大温差曲线和最小温差曲线分别与碳滑板日均磨耗速率曲线进行对比分析并寻找规律，为后续的弓网异常关系预防工作提供数据支持。

4 温度与碳滑板磨耗关系

通过郑州地铁1号线采集的数据，分析温度与碳滑板磨耗关系。数据采集时段为2020年12月1日至2021年3月31日，其中2021年1月11日以前弓网关系为正常状态。

4.1 最值分析法

(1)区间处最大温度、最小温度与碳滑板日均磨耗速率的关系。2020年12月1日至2021年1月10日碳滑板日均磨耗速率正常，区间最大温度、最小温度与碳滑板日均磨耗速率没有对应关系。2021年1月11日至2021年3月31日期间碳滑板日均磨耗速率异常，区间内最大温度的平均值为18.19℃，最小温度的平均值为17.48℃，最大温度和最小温度相差不大且温度变化也不大，区间最大温度、最小温度与碳滑板日均磨耗速率没有明显的对应关系。

(2)风亭处最大温度、最小温度与碳滑板日均磨耗速率关系。2020年12月1日至2021年1月10日碳滑板日均磨耗速率正常，风亭处最大温度、最小温度与碳滑板日均磨耗速率没有对应关系。2021年1月11日至2021年3月31日碳滑板日均磨耗速率异常，风亭处最大温度的平均值为16.64℃，最小温度的平均值为13.67℃，风亭处最大温度、最小温度与碳滑板日均磨耗速率没有明显的对应关系。

(3)气象最大温度、最小温度与碳滑板日均磨耗速率关系。2020年12月1日至2021年1月10日碳滑板日均磨耗速率正常，气象最大温度、最小温度与碳滑板日均磨耗速率没有对应关系。2021年1月11日至2021年3月31日碳滑板日均磨耗速率异常，气象最大温度的平均值为13.93℃，最小温度的平均值为3.71℃，气象最大温度、最小温度与碳滑板日均磨耗速率没有明显的对应关系。

4.2 温差分析法

(1)区间当日温差与碳滑板日均磨耗速率关系。2020年12月1日至2021年1月10日碳滑板日均磨耗速率正常，区间当日温差与碳滑板日均磨耗速率没有对应关系。2021年1月11日至2021年3月31日碳滑板日均磨耗速率异常，区间当日温差的平均值为0.71℃，最大温度和最小温度相差不大，区间当日温差与碳滑板日均磨耗速率没有明显的对应关系。

(2)风亭当日温差与碳滑板日均磨耗速率关系。2020年12月1日至2021年1月10日碳滑板日均磨耗速率正常，风亭当日温差与碳滑板日均磨耗速率没有对应关系。2021年1月11日至2021年3月31日碳滑板日均磨耗速率异常，风亭处当日温差的平均值为2.97℃，风亭当日温差与碳滑板日均磨耗速率没有明显的对应关系。

(3)气象当日温差与碳滑板日均磨耗速率关系。2020年12月1日至2021年1月10日碳滑板日均磨耗速率正常，气象当日温差与碳滑板日均磨耗速率没有对应关系。2021年1月11日至2021年3月31日碳滑板日均磨耗速率异常，气象当日温差的平均值为8.82℃，气象当日温差大于15℃时，碳滑板日均磨耗速率一直比较大。

(4)区间风亭温差与碳滑板日均磨耗速率关系。2020年12月1日至2021年1月10日碳滑板日均磨耗速率正常，区间风亭的最大温差和最小温差与碳滑板日均磨耗速率没有对应关系。2021年1月11日至2021年3月31日碳滑板日均磨耗速率异常，区间风亭的最大温差的平均值为1.55℃，最小温差的平均值为3.81℃，区间风亭处的最小温度变化较大，区间风亭的最大温差和最小温差与碳滑板日均磨耗速率均没有明显的对应关系。

(5)区间气象温差与碳滑板日均磨耗速率关系。2020年12月1日至2021年1月10日碳滑板日均磨耗速率正常，区间气象的最大温差和最小温差与碳滑板日均磨耗速率没有对应关系。2021年1月11日至2021年3月31日碳滑板日均磨耗速率异常，区间气象最大温差的平均值为4.27℃，最小温差的平均值为13.77℃，区间和气象的最小温度变化较大，区间气象的最大温差和最小温差与碳滑板日均磨耗速率均没有明显的对应关系。

(6)风亭气象温差与碳滑板日均磨耗速率关系。2020年12月1日至2021年1月10日碳滑板日均磨耗速率正常，风亭气象的最大温差和最小温差与碳滑板日均磨耗速率没有对应关系。2021年1月11日至2021年3月31日碳滑板日均磨耗速率异常，风亭气象最大温度差的平均温差为2.71℃，最小温差的平均值为9.96℃，风亭和气象的最小温度变化较大，风亭气象的最大温差和最小温差与碳滑板日均磨耗速率均没有明显的对应关系。

5 结语

由上述分析可知，弓网关系正常期间，接触网刚性悬挂区段温差与碳滑板的日均磨耗速率无明显的对应关系。弓网关系异常期间，接触网刚性悬挂区段最大温度和最小温度、风亭下方最大温度和最小温度、气象最大温度和最小温度与碳滑板日均磨耗速率均无明显的对应关系；区间当日温差、风亭当日温差、区间风亭的最大温差和最小温差、区间气象的最大温差和最小温差、风亭气象的最大温差和最小温差与碳滑板的日均磨耗速率均无明显的对应关系。

进入冬季后，当日气象温差大于15℃时，从采集到的碳滑板日均磨耗速率来看，数值一直比较大，建议相关部门在冬季当日气象温差大于15℃时加大巡视检查频次，重点关注接触线线面变化情况、碳滑板表面变化情况，如果出现接触线线面和碳滑板表面状态变差，应及时采取预防措施，人工干预弓网关系，确保不发生弓网异常关系。

弓网关系尤其是刚性接触网弓网关系的经验较少、缺乏理论支持，是一项世界难题。郑州地铁1号线弓网异常关系均发生在冬季，持续时间一般为100天左右，从弓网异常磨耗发生的时段来看，与冬季气温降低有一定关系，但还需要综合其他因素一起进行研究、分析。