辛阳
摘要：刚性接触网在城市轨道交通的普遍应用，以其结构简单、便于安装维护，得到设计单位、建设者、运营商的广泛应用，成为地铁接触网的首选。但应用中经常发现异常磨耗，受电弓碳滑板磨耗不均匀问题，对地铁的安全运营造成严重影响。本文结合实例对刚性接触网异常磨耗进行分析，并提出相关措施。
关键词：刚性接触网;磨耗;措施
1弓网异常磨损的主要表现方式
1.1中心偏磨型磨耗
中心偏磨型磨耗主要是受电弓滑板中心段磨损比较严重，越是靠近弓角边缘，被磨损的程度就会越小，而且在两端，100mm尾端段接触面部位受到磨耗的概率并不高。在接触表面，磨耗表面以残月状为主。而凹陷的具体情况，会对受电弓滑板的运用时间具有决定性作用。
1.2波浪形磨耗
波形型磨耗主要是磨耗不规则的分布在受电弓滑板中，从而导致滑板表面存在不平整的情况。
1.3裂纹型磨损
裂纹型磨损主要是接触悬挂的导高变化，会造成弓网之间的机械连接出现故障，快速运转的受电弓滑板会受到机械的冲击，造成受电弓滑板会因为受到大范围的磨损而形成裂纹，甚至本体受力结构会遭到破损，而且一些滑板会在滑板处滑落。
2刚性接触网异常磨耗分析和改进措施
某地铁2号线开通运营11个月后，发生弓网磨耗异常故障，在碳滑板左右侧距中心线230～250mm位置出现磨损严重的坑槽，坑槽处磨损面粗糙并伴有铜粉附着。故障初期，接触网专业开展多轮全线排查、冷滑及网检，未发现接触网有结构参数变化、硬点和异物悬挂等异常现象，接触网状态正常。由于碳滑板坑槽对接触线的磨损，使接触线对应位置处出现侧磨和裹线等现象，并逐步加重，使弓网磨损进一步加剧，碳滑板寿命降低到6～7d。对弓网磨耗影响因素的分析，提出将刚性接触网正弦波调整为之字形的解决方案，并成功实施和解决了2号线的弓网异常磨耗故障。
2.1异常磨耗原因分析
2.1.1分析思路
根据行业内的研究，压力、速度、电流、材料等因素是弓网磨耗的根本因素，而温度则是直接因素，磨耗和温度呈正相关关系。可以从直接因素温度和碳滑板对温度的耐受性去考虑，从降低碳滑板温度或提高温度耐受性的角度去解决问题。温度的变化是需要时间的，温度和时间必然是关联的。列车运行中，弓网是点接触，对应碳滑板上某个位置与接触线接触时升温，分离时冷却，升温时间th和冷却时间tc必然影响着接触点的温度。
2.1.2温度的相关因素
从弓网接触时间去考虑，温度变化和接触网的拉出值波形及线路长度有一定的关系。碳滑板的材质对温度也有一定影响。
2.1.3接触网拉出值波形的分析
目前接触网拉出值的波形布置有两种：正弦波和之字形。柔性接触网一般为之字形布置，刚性接触网有正弦波和之字形两种。它们的区别主要在于波峰（一般为250mm）向线路中心线的弯曲半径，正弦波弯曲半徑大，而之字形弯曲半径小。无论什么波形，波峰处弧线的拉出值变化幅度都较小。正弦波在波峰处由于弯曲半径大，与碳滑板对应位置的连续接触时间相对长一点;而之字形由于弯曲半径小，波峰处弧线与碳滑板对应位置的连续接触时间相对短一点。
碳滑板的异常磨耗坑槽出现在左右230～250mm位置，和接触网波峰弧线的拉出值相对应，说明异常磨耗和接触网拉出值波形有一定的关联。但也有很多地铁线路为正弦波布置，却未发生弓网异常磨耗，而且2号线弓网异常磨耗也不是刚开通运营时就有的，说明接触网拉出值波形不是异常磨耗的必然因素，只是相关因素。
2.1.4刚性接触网长度的分析
全线接触网是由一个个锚段连接而成的。列车运行中，碳滑板经过一个锚段的温度变化是有限的，但每经过一个锚段就会提升一点温度ΔT，随着运行温度不断升高。线路越长，锚段越数多，越容易产生高温。
柔性接触网一般为之字形布置，在230～250mm位置与碳滑板接触时间短，且相对刚性接触网有较好的弹性，与碳滑板的摩擦系数较小，因此不容易造成异常磨耗。所以对异常磨耗有影响的线路长度主要是指刚性接触网长度。
2.1.5碳滑板材料分析
2号线采用的是浸金属碳滑板（75%碳+25%铜），碳是非金属，铜是金属，它们的亲和性不会很好，与温度相关的物理参数（比热容、导热率、膨胀系数、熔点等）有较大差异。随着列车的运行，碳滑板不断吸收热量，由于铜的比热容小，相对碳而言升温会更快更高;同时碳的导热率较小，铜的热量则不容易散出;高温会导致膨胀，而铜的膨胀系数较碳大很多，铜会从碳的孔隙中析出，改变局部微观结构;高温还会导致铜软化，甚至液化、气化，会降低粘结剂的粘结力。因此高温会引起碳滑板物理化学性能的改变，会导致其耐磨性能的下降。
由于温度对材料耐磨性能的影响，必然会存在一个临界温度Tf，在温度<Tf时碳滑板的耐磨性能较好相对稳定，当温度≥Tf时，碳滑板的耐磨性能开始下降。对于碳滑板而言Tf值越高越不容易发生异常磨损。
浸金属碳滑板的材料成分（碳、铜、粘结剂及其他添加材料）及其含量比例，以及制造工艺、结构尺寸都会影响碳滑板的Tf值、耐磨性、耐热性、散热性、摩擦系数及接触电阻等特性。
2.1.6异常磨耗的机理
由于刚性接触网正弦波波形布置，碳滑板在230～250mm位置与接触线持续接触时间较长，使该处吸收热量较多，温度上升;驶离该区段则温度开始下降，由于冷却介质是空气，冷却效果有限，冷却时间又不够长，冷却的温度低于上升的温度。每经过一个接触网锚段，温度会上升一点，运行距离越长上升的温度越高。随着摩擦系数和电弧频率的变大，经过每个锚段上升的温度ΔT也变大，较长的刚性接触网线路使碳滑板230～250mm处的局部温度TB最终超过了碳滑板耐磨性能的临界温度Tf值。
碳滑板Tf值低，运行时温度容易超越，此时其中的铜会膨胀软化，膨胀软化的铜会从碳的孔隙中析出，造成局部摩擦系数增大，且和同样材质的接触线（以铜为主）有更好的亲和性，从而吸附转移到接触线上，导致碳滑板接触点处只留下有孔隙的碳层，耐磨性能下降。吸附转移到接触线上的铜冷却后形成铜粉颗粒，在后续列车经过时回落到碳滑板，产生磨粒摩擦，更加加剧碳滑板的磨损，同时也加剧了接触线的磨损。升温过程中，碳滑板局部间较大的温差及膨胀率，会在内部产生热应力，严重情况下甚至会导致边缘处崩块。
3改进措施
3.1解决方案
根据上述分析，解决方案有两种：降温法和提升Tf法（表1）。
3.2方案分析
将刚性接触网拉出值波形由正弦波调整为之字形，主要是通过缩短升温时间th并延长冷却时间tc，使经过每个锚段的温升ΔT降低，从而降低230～250mm位置碳滑板温度TB的上升速度，使TB在运行期间无法升到Tf，从而保持碳滑板的耐磨性能，恢复弓网关系。
4结语
异常磨耗极大地影响了地铁的安全运营与维护，在局部磨耗治理中，要在前期设计、施工中严格把控各环节，运营维护中加强磨耗监控，对车辆、轨道、接触网多方面跟踪，总结归纳，查找原因，提前处理。
参考文献
[1]地铁架空刚性接触网弓网系统运行特征分析[J].盛良，赵立峰，张文轩，杨志鹏.现代城市轨道交通.2019（08）
[2]地铁接触网常见故障及对策分析[J].杨立.城市建设理论研究（电子版）.2019（07）
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