地鐵剛性接觸懸掛弓網(wǎng)磨耗問題研究

王 劍

(福州市城市地鐵有限責(zé)任公司 福州 350000)

剛性接觸懸掛自在廣州地鐵2號(hào)線第1次應(yīng)用后，因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、無斷線隱患、費(fèi)用較低、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為我國(guó)地鐵地下線路的接觸網(wǎng)首選類型。從已運(yùn)營(yíng)的剛性接觸懸掛系統(tǒng)來看，較多地存著接觸線磨耗不均勻、受電弓不規(guī)則磨耗、局部接觸線磨耗率大等問題。這些磨耗問題，不僅會(huì)使弓網(wǎng)關(guān)系變差，影響著受流質(zhì)量，而且還會(huì)縮短接觸線和受電弓的使用壽命，增加運(yùn)營(yíng)維修成本。

1 弓網(wǎng)磨耗的原因分析

1.1 拉出值分布密度呈非正態(tài)分布使受電弓不規(guī)則磨耗

從弓網(wǎng)關(guān)系良好運(yùn)行的角度而言，受電弓滑板工作面被磨耗后的理想形狀應(yīng)為光滑的曲線形狀［1］，如圖1所示。為達(dá)到圖1所示的受電弓滑板磨耗形狀，要求接觸線拉出值的分布密度服從正態(tài)分布，如圖2所示。

圖1 受電弓滑板磨耗理想狀況

圖2 拉出值分布密度的正態(tài)形分布

因設(shè)計(jì)、施工等原因，剛性懸掛接觸線拉出值的實(shí)際分布密度不服從正態(tài)分布，而是呈現(xiàn)波紋狀，圖3為網(wǎng)軌檢測(cè)車測(cè)量的接觸線拉出值分布情況［2］。受電弓滑板不同位置與接觸線相互接觸的概率相差較大，對(duì)應(yīng)于波峰的受電弓滑板位置，與接觸線相互接觸的次數(shù)較多，其磨耗也就較大;而對(duì)應(yīng)于波谷的受電弓滑板位置，與接觸線相互接觸的次數(shù)較少，其磨耗也就較小。這樣，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，受電弓滑板就會(huì)出現(xiàn)凹凸不平的不規(guī)則磨耗情況。

圖3 網(wǎng)軌檢測(cè)車測(cè)量的接觸線拉出值分布

1.2 接觸網(wǎng)布置方式造成受電弓滑板工作端部磨耗較大

剛性接觸網(wǎng)一個(gè)錨段范圍內(nèi)按正弦波形布置，考慮接觸線工作面磨耗情況，接觸線與受電弓相互接觸的關(guān)系如圖4所示。

因接觸線工作面寬度遠(yuǎn)小于錨段長(zhǎng)度，故接觸線距受電弓中心的距離為［3］:

圖4 接觸線與受電弓相互接觸的示意

式中:a——接觸線距受電弓中心的距離，mm;

A——接觸線的設(shè)計(jì)最大拉出值，mm;

L——錨段長(zhǎng)度，mm;

B——接觸線工作面寬度的一半，mm。

因正弦波形具有對(duì)稱性，故只取1/4波形進(jìn)行分析。

根據(jù)圖4和式(1)可得出，與受電弓滑板中心相距為a的滑板位置，其與接觸線相互接觸的長(zhǎng)度為當(dāng)0≤a＜(A－B)時(shí)，有

例如，某直線區(qū)段，錨段長(zhǎng)度L=240000 mm，接觸線的設(shè)計(jì)最大拉出值A(chǔ)=200 mm，接觸線經(jīng)磨耗后工作面寬度為8 mm(即B=4 mm)，則在1/4錨段長(zhǎng)度范圍內(nèi):

1)受電弓滑板中心位置(即a=0)，其與接觸線相互接觸的長(zhǎng)度為

2)與中心相距200 mm的受電弓滑板位置(即a=200 mm)，其與接觸線相互接觸的長(zhǎng)度為

亦即，與中心相距200 mm的受電弓滑板位置與接觸線相互接觸的長(zhǎng)度，約為滑板中心位置與接觸線相互接觸長(zhǎng)度的5倍。

因此，受電弓滑板工作端部(其與中心的距離約為接觸線設(shè)計(jì)最大拉出值)因與接觸線相互接觸的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，磨耗也就較大，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，甚至?xí)纬上鄬?duì)較深的凹槽。

1.3 懸吊結(jié)構(gòu)剛度大造成個(gè)別部位弓網(wǎng)磨耗加大

受電弓運(yùn)行時(shí)，因其高度發(fā)生變化會(huì)產(chǎn)生慣性力Pa;受電弓發(fā)生高度變化時(shí)，其自身結(jié)構(gòu)還會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦力Pm;另外，空氣動(dòng)力Pk也將作用在運(yùn)行中的受電弓上［4］。

式中:P——弓網(wǎng)間接觸壓力，N;

P0——受電弓靜態(tài)壓力，N;

Pm——受電弓鉸接處的摩擦阻力，N;

Pa——受電弓慣性力，N，由受電弓歸算質(zhì)量及垂直加速度決定;

Pk——作用在受電弓上的空氣動(dòng)力，N。

在列車運(yùn)行時(shí)，弓網(wǎng)間的接觸壓力是變化的，且隨著運(yùn)行速度的提高，接觸壓力的最大值和變化幅度也隨之增大。運(yùn)行速度為80 km/h時(shí)接觸線和受電弓滑板機(jī)械磨耗的檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1、圖5～圖6［5］。隨著接觸壓力的增大，接觸線和受電弓滑板的機(jī)械磨耗加大，且接觸線磨耗比的增加率要比受電弓滑板磨耗比的增加率大。

表1 接觸線和受電弓滑板的機(jī)械磨耗比

圖5 接觸線機(jī)械磨耗比與接觸壓力的關(guān)系

圖6 受電弓滑板的機(jī)械磨耗比與接觸壓力的關(guān)系

當(dāng)車輛運(yùn)行至錨段關(guān)節(jié)、線岔、分段絕緣器等處時(shí)，受電弓將由單支懸掛接觸到雙支懸掛，或接觸到單個(gè)集中荷載。由于懸吊結(jié)構(gòu)剛度很大、彈性近乎為零，受電弓所受的接觸壓力和沖擊力沒法得到緩解，從而可能出現(xiàn)弓網(wǎng)間接觸壓力的峰值，使得這些部位接觸線的機(jī)械磨耗偏大。

1.4 電接觸不良引起弓網(wǎng)電氣磨耗

受電弓是通過與接觸線相互滑動(dòng)接觸取得電能的。從微觀來看，弓線間的接觸區(qū)域呈現(xiàn)出凹凸不平面(見圖7)，電流傳輸是通過接觸界面的導(dǎo)電斑點(diǎn)由接觸線流向受電弓滑板(見圖8)。

圖7 弓線接觸面微觀示意

圖8 弓線間導(dǎo)電斑點(diǎn)示意

弓線間電接觸的重要表征參數(shù)——接觸電阻為［6］

根據(jù)電位-溫度理論，弓線間接觸點(diǎn)的溫升為

式中:R——弓線間的接觸電阻;

ρ1、ρ2——分別為接觸線和受電弓滑板材料的電阻率;

H——受電弓滑板和接觸線兩者中較軟材料的接觸硬度;

P——弓線間接觸壓力;

n——弓線間接觸界面的導(dǎo)電斑點(diǎn)數(shù)目;

θ——弓線間接觸點(diǎn)溫升;

U——接觸壓降;

λρ——滑板與接觸線材料的熱導(dǎo)率與電阻率乘積的平均值;

I——通過接觸點(diǎn)的電流。

由式(6)可知，弓線間接觸電阻取決于受電弓和接觸線的材料性能、導(dǎo)電斑點(diǎn)數(shù)目、接觸壓力。

已投運(yùn)的地鐵線路，弓線間電接觸不良會(huì)導(dǎo)致接觸電阻增大，電流流過時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱使接觸點(diǎn)局部區(qū)域的溫度升高，對(duì)受電弓滑板和接觸線產(chǎn)生較大的電氣磨耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒損滑板和接觸線。

1)接觸線因制造、施工、運(yùn)行等原因會(huì)產(chǎn)生不同程度的不平順性;受電弓滑板因拉出值呈波紋狀分布會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則磨耗;剛性懸掛剛度大而彈性很小，在減振、變坡等區(qū)段，受電弓滑板因振動(dòng)、晃動(dòng)而引起跟隨接觸線的性能變差。這些情況會(huì)導(dǎo)致弓線間的實(shí)際導(dǎo)電斑點(diǎn)數(shù)目大為減少，或接觸壓力變小，使接觸電阻增大，弓線間接觸點(diǎn)的溫升較大，當(dāng)車輛取流大時(shí)，甚至?xí)纬呻娀鸹ā?/p>

2)隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，在弓網(wǎng)間復(fù)雜的振動(dòng)下，因施工、材質(zhì)等原因，匯流排中間接頭可能會(huì)發(fā)生螺紋滑牙，匯流排定位線夾可能會(huì)與絕緣子發(fā)生松脫等［7］。在這些部位會(huì)形成剛性接觸網(wǎng)的硬點(diǎn)，受電弓通過時(shí)，不但會(huì)產(chǎn)生較大的機(jī)械磨耗，而且受電弓滑板因受硬點(diǎn)沖擊還可能發(fā)生離線，使弓線間接觸點(diǎn)的溫升急劇上升，形成電火花，甚至出現(xiàn)拉弧。

1.5 電壓差引起弓網(wǎng)電氣磨耗

剛性接觸網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí)，其越區(qū)隔離開關(guān)分閘，由相鄰的牽引變電所雙邊供電。牽引變電所饋線向接觸網(wǎng)供電的示意見圖9。

圖9 牽引變電所饋線供電示意

根據(jù)圖9所示，絕緣錨段關(guān)節(jié)兩端上網(wǎng)點(diǎn)處的電壓分別為:

式中:U1、U2——分別為絕緣錨段關(guān)節(jié)兩端上網(wǎng)點(diǎn)處的電壓;

U——牽引變電所正極母線電壓;

I1、I2——分別為牽引變電所饋線電流;

R1、R2——分別為牽引變電所至接觸網(wǎng)上網(wǎng)點(diǎn)的饋線電阻;

在實(shí)際運(yùn)行中，R1、R2、I1、I2不盡相同，尤其是 I1、I2有時(shí)相差較大，則在絕緣錨段關(guān)節(jié)處會(huì)形成一個(gè)電壓差 ΔU，其值為:ΔU =。當(dāng)受電弓滑板在短接兩個(gè)供電臂的瞬間，在短接處會(huì)產(chǎn)生電火花或電弧，對(duì)接觸線和受電弓滑板造成電氣磨耗。

同理，在分段絕緣器處也會(huì)形成一個(gè)電壓差，在取流轉(zhuǎn)換的瞬間，受電弓滑板和分段絕緣器因電火花或電弧而產(chǎn)生電氣磨耗。

2 弓網(wǎng)磨耗的改善措施及建議

2.1 綜合考慮剛性接觸網(wǎng)的布置

在進(jìn)行剛性接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)整條線的接觸網(wǎng)布置進(jìn)行綜合考慮。應(yīng)重點(diǎn)注意:1)在低速區(qū)段，接觸線拉出值適當(dāng)減小，錨段長(zhǎng)度適當(dāng)增大;在高速區(qū)段，則接觸線拉出值適當(dāng)增大，錨段長(zhǎng)度適當(dāng)減小。2)全線接觸線拉出值的分布密度應(yīng)呈正態(tài)形分布。3)剛性接觸網(wǎng)的懸掛跨距宜為6～8 m，不應(yīng)大于10 m。4)在變坡區(qū)段，根據(jù)車輛的運(yùn)行速度，接觸線的坡度宜為2‰～5‰。5)合理確定匯流排懸臂的長(zhǎng)度，減小匯流排的變形。

2.2 采用彈性絕緣子降低懸吊結(jié)構(gòu)等效剛度

剛性接觸網(wǎng)懸吊結(jié)構(gòu)的等效剛度較大，受電弓在運(yùn)行中的上下震動(dòng)不能得到緩沖或釋放，會(huì)加大弓線間的機(jī)械磨耗或電氣磨耗，因此應(yīng)根據(jù)線路與剛性懸掛安裝的具體情況(如直線段、小曲線半徑段、減震道床區(qū)段、變坡區(qū)段、道岔處、錨段關(guān)節(jié)處等)，懸吊結(jié)構(gòu)分別采用不同的等效剛度。

當(dāng)懸吊結(jié)構(gòu)等效剛度為原來的1/1000時(shí)，弓線間接觸性能的改善效果較為明顯。螺栓與槽鋼對(duì)懸吊結(jié)構(gòu)等效剛度的影響較小，絕緣子的彈性模量對(duì)懸吊結(jié)構(gòu)等效剛度的影響最大［8］。因此，可采用橡膠彈性絕緣子來有效降低懸吊結(jié)構(gòu)的等效剛度，增加懸吊結(jié)構(gòu)的彈性。

2.3 選擇相匹配的受電弓

接觸網(wǎng)和受電弓是一個(gè)系統(tǒng)整體，不同運(yùn)行速度的線路要有與之相適應(yīng)的接觸網(wǎng)類型及參數(shù)，同時(shí)也要求應(yīng)有與接觸網(wǎng)類型相匹配的受電弓。

就提高弓網(wǎng)接觸性能、減小弓網(wǎng)間磨耗而言，受電弓的靜態(tài)接觸壓力應(yīng)為100～140N，受電弓框架應(yīng)為氣囊懸掛方式，弓頭質(zhì)量應(yīng)比較小，弓頭結(jié)構(gòu)應(yīng)保證聯(lián)動(dòng)的滑板能可靠地與接觸線相接觸，滑板材料的電阻率應(yīng)較小。

在同一條線路上，最好使用同一種滑板，如果混合使用不同材質(zhì)的滑板，將形成不同的接觸線表面結(jié)構(gòu)，會(huì)使接觸線和滑板的磨損率明顯加劇。

平時(shí)加強(qiáng)受電弓的檢查，當(dāng)碳滑板凹凸超過1～2 mm時(shí)，及時(shí)進(jìn)行打磨，使其工作面平滑。

2.4 精心進(jìn)行接觸網(wǎng)施工和檢修

剛性懸掛接觸網(wǎng)的安裝精度要求高、調(diào)節(jié)范圍小，要嚴(yán)格控制每一道工序的施工質(zhì)量。在進(jìn)行施工安裝時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)注意:

1)短匯流排安裝位置應(yīng)靠近懸掛定位點(diǎn)，避免放于跨中位置，最好使定位點(diǎn)位于短匯流排中部。

2)匯流排中間接頭盡可能靠近懸掛定位點(diǎn)，避免處于或靠近跨中，也應(yīng)避開處于懸掛定位線夾位置。

3)中心錨結(jié)時(shí)兩端錨結(jié)繩的張力應(yīng)一致，且不能使錨固點(diǎn)出現(xiàn)負(fù)弛度。

4)對(duì)于錨段關(guān)節(jié)、線岔、分段絕緣器、剛?cè)徇^渡等處，要保證受電弓的過渡平滑。

5)接觸線工作面應(yīng)平行于兩軌面連線。

6)一個(gè)錨段的接觸導(dǎo)線，中間不得有接頭。

7)按規(guī)定力矩要求進(jìn)行螺栓緊固。

在接觸網(wǎng)日常檢修時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)緊固件的檢查，特別是對(duì)匯流排中間接頭、匯流排定位線夾與絕緣子連接的檢查;重點(diǎn)測(cè)量和檢查錨段關(guān)節(jié)和線岔兩網(wǎng)轉(zhuǎn)換處接觸線的磨耗情況;檢查分段絕緣器接頭平滑過渡狀況，以及有無電氣燒傷痕跡。

接觸網(wǎng)專業(yè)平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)與軌道專業(yè)的溝通聯(lián)系。接觸網(wǎng)參數(shù)與軌道參數(shù)關(guān)系密切，軌道的超高略有改變，或起撥道床時(shí)，對(duì)接觸線的高度及接觸線的工作面都將產(chǎn)生影響，尤其對(duì)錨段關(guān)節(jié)和線岔處兩接觸線的高差影響大，如不及時(shí)跟隨調(diào)整，可能會(huì)發(fā)生接觸線偏磨、打弓和拉弧現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

弓網(wǎng)之間是一個(gè)既有機(jī)械聯(lián)系又有電氣聯(lián)系的耦合整體，筆者從剛性接觸懸掛布置以及弓網(wǎng)電接觸等方面，對(duì)弓網(wǎng)磨耗問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并進(jìn)而提出了一些改善措施及建議。剛性接觸懸掛在我國(guó)的實(shí)際應(yīng)用起步較晚，隨著應(yīng)用工程的增多，出現(xiàn)的技術(shù)問題也將會(huì)更多、更為復(fù)雜，需要同行們不斷努力加以研究和解決。

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