地铁刚性接触悬挂弓网磨耗问题研究

王 剑

(福州市城市地铁有限责任公司 福州 350000)

刚性接触悬挂自在广州地铁2号线第1次应用后，因其具有结构紧凑、无断线隐患、费用较低、安装维护方便等特点，现已成为我国地铁地下线路的接触网首选类型。从已运营的刚性接触悬挂系统来看，较多地存着接触线磨耗不均匀、受电弓不规则磨耗、局部接触线磨耗率大等问题。这些磨耗问题，不仅会使弓网关系变差，影响着受流质量，而且还会缩短接触线和受电弓的使用寿命，增加运营维修成本。

1 弓网磨耗的原因分析

1.1 拉出值分布密度呈非正态分布使受电弓不规则磨耗

从弓网关系良好运行的角度而言，受电弓滑板工作面被磨耗后的理想形状应为光滑的曲线形状［1］，如图1所示。为达到图1所示的受电弓滑板磨耗形状，要求接触线拉出值的分布密度服从正态分布，如图2所示。

图1 受电弓滑板磨耗理想状况

图2 拉出值分布密度的正态形分布

因设计、施工等原因，刚性悬挂接触线拉出值的实际分布密度不服从正态分布，而是呈现波纹状，图3为网轨检测车测量的接触线拉出值分布情况［2］。受电弓滑板不同位置与接触线相互接触的概率相差较大，对应于波峰的受电弓滑板位置，与接触线相互接触的次数较多，其磨耗也就较大;而对应于波谷的受电弓滑板位置，与接触线相互接触的次数较少，其磨耗也就较小。这样，随着运行时间的增长，受电弓滑板就会出现凹凸不平的不规则磨耗情况。

图3 网轨检测车测量的接触线拉出值分布

1.2 接触网布置方式造成受电弓滑板工作端部磨耗较大

刚性接触网一个锚段范围内按正弦波形布置，考虑接触线工作面磨耗情况，接触线与受电弓相互接触的关系如图4所示。

因接触线工作面宽度远小于锚段长度，故接触线距受电弓中心的距离为［3］:

图4 接触线与受电弓相互接触的示意

式中:a——接触线距受电弓中心的距离，mm;

A——接触线的设计最大拉出值，mm;

L——锚段长度，mm;

B——接触线工作面宽度的一半，mm。

因正弦波形具有对称性，故只取1/4波形进行分析。

根据图4和式(1)可得出，与受电弓滑板中心相距为a的滑板位置，其与接触线相互接触的长度为当0≤a＜(A－B)时，有

例如，某直线区段，锚段长度L=240000 mm，接触线的设计最大拉出值A=200 mm，接触线经磨耗后工作面宽度为8 mm(即B=4 mm)，则在1/4锚段长度范围内:

1)受电弓滑板中心位置(即a=0)，其与接触线相互接触的长度为

2)与中心相距200 mm的受电弓滑板位置(即a=200 mm)，其与接触线相互接触的长度为

亦即，与中心相距200 mm的受电弓滑板位置与接触线相互接触的长度，约为滑板中心位置与接触线相互接触长度的5倍。

因此，受电弓滑板工作端部(其与中心的距离约为接触线设计最大拉出值)因与接触线相互接触的长度较长，磨耗也就较大，经长时间运行后，甚至会形成相对较深的凹槽。

1.3 悬吊结构刚度大造成个别部位弓网磨耗加大

受电弓运行时，因其高度发生变化会产生惯性力Pa;受电弓发生高度变化时，其自身结构还会产生相应的摩擦力Pm;另外，空气动力Pk也将作用在运行中的受电弓上［4］。

式中:P——弓网间接触压力，N;

P0——受电弓静态压力，N;

Pm——受电弓铰接处的摩擦阻力，N;

Pa——受电弓惯性力，N，由受电弓归算质量及垂直加速度决定;

Pk——作用在受电弓上的空气动力，N。

在列车运行时，弓网间的接触压力是变化的，且随着运行速度的提高，接触压力的最大值和变化幅度也随之增大。运行速度为80 km/h时接触线和受电弓滑板机械磨耗的检测数据见表1、图5～图6［5］。随着接触压力的增大，接触线和受电弓滑板的机械磨耗加大，且接触线磨耗比的增加率要比受电弓滑板磨耗比的增加率大。

表1 接触线和受电弓滑板的机械磨耗比

图5 接触线机械磨耗比与接触压力的关系

图6 受电弓滑板的机械磨耗比与接触压力的关系

当车辆运行至锚段关节、线岔、分段绝缘器等处时，受电弓将由单支悬挂接触到双支悬挂，或接触到单个集中荷载。由于悬吊结构刚度很大、弹性近乎为零，受电弓所受的接触压力和冲击力没法得到缓解，从而可能出现弓网间接触压力的峰值，使得这些部位接触线的机械磨耗偏大。

1.4 电接触不良引起弓网电气磨耗

受电弓是通过与接触线相互滑动接触取得电能的。从微观来看，弓线间的接触区域呈现出凹凸不平面(见图7)，电流传输是通过接触界面的导电斑点由接触线流向受电弓滑板(见图8)。

图7 弓线接触面微观示意

图8 弓线间导电斑点示意

弓线间电接触的重要表征参数——接触电阻为［6］

根据电位-温度理论，弓线间接触点的温升为

式中:R——弓线间的接触电阻;

ρ1、ρ2——分别为接触线和受电弓滑板材料的电阻率;

H——受电弓滑板和接触线两者中较软材料的接触硬度;

P——弓线间接触压力;

n——弓线间接触界面的导电斑点数目;

θ——弓线间接触点温升;

U——接触压降;

λρ——滑板与接触线材料的热导率与电阻率乘积的平均值;

I——通过接触点的电流。

由式(6)可知，弓线间接触电阻取决于受电弓和接触线的材料性能、导电斑点数目、接触压力。

已投运的地铁线路，弓线间电接触不良会导致接触电阻增大，电流流过时产生的焦耳热使接触点局部区域的温度升高，对受电弓滑板和接触线产生较大的电气磨耗，严重时会烧损滑板和接触线。

1)接触线因制造、施工、运行等原因会产生不同程度的不平顺性;受电弓滑板因拉出值呈波纹状分布会产生不规则磨耗;刚性悬挂刚度大而弹性很小，在减振、变坡等区段，受电弓滑板因振动、晃动而引起跟随接触线的性能变差。这些情况会导致弓线间的实际导电斑点数目大为减少，或接触压力变小，使接触电阻增大，弓线间接触点的温升较大，当车辆取流大时，甚至会形成电火花。

2)随着运行时间的增长，在弓网间复杂的振动下，因施工、材质等原因，汇流排中间接头可能会发生螺纹滑牙，汇流排定位线夹可能会与绝缘子发生松脱等［7］。在这些部位会形成刚性接触网的硬点，受电弓通过时，不但会产生较大的机械磨耗，而且受电弓滑板因受硬点冲击还可能发生离线，使弓线间接触点的温升急剧上升，形成电火花，甚至出现拉弧。

1.5 电压差引起弓网电气磨耗

刚性接触网在正常运行时，其越区隔离开关分闸，由相邻的牵引变电所双边供电。牵引变电所馈线向接触网供电的示意见图9。

图9 牵引变电所馈线供电示意

根据图9所示，绝缘锚段关节两端上网点处的电压分别为:

式中:U1、U2——分别为绝缘锚段关节两端上网点处的电压;

U——牵引变电所正极母线电压;

I1、I2——分别为牵引变电所馈线电流;

R1、R2——分别为牵引变电所至接触网上网点的馈线电阻;

在实际运行中，R1、R2、I1、I2不尽相同，尤其是 I1、I2有时相差较大，则在绝缘锚段关节处会形成一个电压差 ΔU，其值为:ΔU =。当受电弓滑板在短接两个供电臂的瞬间，在短接处会产生电火花或电弧，对接触线和受电弓滑板造成电气磨耗。

同理，在分段绝缘器处也会形成一个电压差，在取流转换的瞬间，受电弓滑板和分段绝缘器因电火花或电弧而产生电气磨耗。

2 弓网磨耗的改善措施及建议

2.1 综合考虑刚性接触网的布置

在进行刚性接触网设计时，要对整条线的接触网布置进行综合考虑。应重点注意:1)在低速区段，接触线拉出值适当减小，锚段长度适当增大;在高速区段，则接触线拉出值适当增大，锚段长度适当减小。2)全线接触线拉出值的分布密度应呈正态形分布。3)刚性接触网的悬挂跨距宜为6～8 m，不应大于10 m。4)在变坡区段，根据车辆的运行速度，接触线的坡度宜为2‰～5‰。5)合理确定汇流排悬臂的长度，减小汇流排的变形。

2.2 采用弹性绝缘子降低悬吊结构等效刚度

刚性接触网悬吊结构的等效刚度较大，受电弓在运行中的上下震动不能得到缓冲或释放，会加大弓线间的机械磨耗或电气磨耗，因此应根据线路与刚性悬挂安装的具体情况(如直线段、小曲线半径段、减震道床区段、变坡区段、道岔处、锚段关节处等)，悬吊结构分别采用不同的等效刚度。

当悬吊结构等效刚度为原来的1/1000时，弓线间接触性能的改善效果较为明显。螺栓与槽钢对悬吊结构等效刚度的影响较小，绝缘子的弹性模量对悬吊结构等效刚度的影响最大［8］。因此，可采用橡胶弹性绝缘子来有效降低悬吊结构的等效刚度，增加悬吊结构的弹性。

2.3 选择相匹配的受电弓

接触网和受电弓是一个系统整体，不同运行速度的线路要有与之相适应的接触网类型及参数，同时也要求应有与接触网类型相匹配的受电弓。

就提高弓网接触性能、减小弓网间磨耗而言，受电弓的静态接触压力应为100～140N，受电弓框架应为气囊悬挂方式，弓头质量应比较小，弓头结构应保证联动的滑板能可靠地与接触线相接触，滑板材料的电阻率应较小。

在同一条线路上，最好使用同一种滑板，如果混合使用不同材质的滑板，将形成不同的接触线表面结构，会使接触线和滑板的磨损率明显加剧。

平时加强受电弓的检查，当碳滑板凹凸超过1～2 mm时，及时进行打磨，使其工作面平滑。

2.4 精心进行接触网施工和检修

刚性悬挂接触网的安装精度要求高、调节范围小，要严格控制每一道工序的施工质量。在进行施工安装时，应重点注意:

1)短汇流排安装位置应靠近悬挂定位点，避免放于跨中位置，最好使定位点位于短汇流排中部。

2)汇流排中间接头尽可能靠近悬挂定位点，避免处于或靠近跨中，也应避开处于悬挂定位线夹位置。

3)中心锚结时两端锚结绳的张力应一致，且不能使锚固点出现负弛度。

4)对于锚段关节、线岔、分段绝缘器、刚柔过渡等处，要保证受电弓的过渡平滑。

5)接触线工作面应平行于两轨面连线。

6)一个锚段的接触导线，中间不得有接头。

7)按规定力矩要求进行螺栓紧固。

在接触网日常检修时，应重点加强对紧固件的检查，特别是对汇流排中间接头、汇流排定位线夹与绝缘子连接的检查;重点测量和检查锚段关节和线岔两网转换处接触线的磨耗情况;检查分段绝缘器接头平滑过渡状况，以及有无电气烧伤痕迹。

接触网专业平时应加强与轨道专业的沟通联系。接触网参数与轨道参数关系密切，轨道的超高略有改变，或起拨道床时，对接触线的高度及接触线的工作面都将产生影响，尤其对锚段关节和线岔处两接触线的高差影响大，如不及时跟随调整，可能会发生接触线偏磨、打弓和拉弧现象。

3 结语

弓网之间是一个既有机械联系又有电气联系的耦合整体，笔者从刚性接触悬挂布置以及弓网电接触等方面，对弓网磨耗问题产生的原因进行了分析，并进而提出了一些改善措施及建议。刚性接触悬挂在我国的实际应用起步较晚，随着应用工程的增多，出现的技术问题也将会更多、更为复杂，需要同行们不断努力加以研究和解决。

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［7］骆志勇.刚性接触网在运营中出现的问题及解决方案［J］.都市快轨交通，2006，19(4):84 －86.

［8］刘峰涛.刚性接触网悬吊结构的等效模型［J］.电气化铁道，2009(1):28－32.