广州地铁刚性接触网槽钢底座爆裂原因及应对措施

张立群

(广州市地下铁道总公司，510010，广州∥助理工程师)

自2010年年底广州地铁2号线新线部分开通以来，在进行日常检修作业过程中，班组检修人员多次发现刚性接触网的A 型槽钢底座(以下简称槽钢底座)发生爆裂的问题(见图1)。经过对比发现，槽钢底座爆裂处基本都是出现在锚段关节前后位置。若该处故障不能得到及时处理，将会因定位装置应力过大而导致绝缘子进一步损坏，引起供电故障;也有可能使B 型汇流排定位线夹(以下简称定位线夹)断裂，进而造成汇流排过渡不平顺，导致受电弓通过时出现严重拉弧现象。本文对该安全隐患进行技术分析并给予应对措施，供检修作业人员在检修过程中作参考。

图1 刚性接触网的A 型槽钢底座爆裂实景图

1 受电弓对汇流排作用力分析

根据刚性接触网检修规定最新要求，地铁隧道内接触网导线高度标准值为4 040 mm，允许误差范围为±5 mm。如图2所示，实际应用中，线路中铺设的接触网导线跟水平面存在夹角α。由于α 非常小，受电弓对接触线的冲击力在弓网接触压力中占比也非常小，可以忽略。因此，在列车运行过程中可以把受电弓看作近乎沿水平方向运行，则可得

式中:

f1——接触线对受电弓的摩擦力;

μ——受电弓与接触线的摩擦系数;

P1——受电弓对接触线的动态接触压力;

f2——受电弓对接触线的作用力。

接触线受到的冲击力主要发生在受电弓进入锚段关节时，如图3所示。当受电弓运行到锚段关节处时，关节进线为非工作支，关节出线为工作支，由于非工作支相对于工作支会有所抬高，故受电弓会出现倾斜运行状态。

如图4所示，现对受电弓左侧与锚段关节进线端碰撞处进行受力分析。根据设计要求，受电弓进入锚段关节运行一段距离后受电弓接触到的2 个工作支(如图5 的转换过渡区)会经过一个等高运行状态，然后再以锚段关节出线为主要接触点进入下一个倾斜运行状态，直到受电弓离开锚段关节。

图2 受电弓与接触线接触点示意及受力分析图

图3 接触网锚段关节示意图

图4 锚段关节处受电弓与进线工作支接触线碰撞示意图

图5 受电弓与锚段关节过渡部位碰撞侧面示意图

如图5所示，汇流排终端(非工作支)向上弯高70 mm，向上弯部分长1 500 mm，以利于受电弓平滑过渡。当受电弓运行至与汇流排终端的接触线碰撞时可知，受电弓受到垂直于接触线的反作力。

式中:

F——碰撞时汇流排终端接触线作用于受电弓的反作用力;

m——受电弓炭板质量;

Δt——碰撞作用时间;

vo——列车速度;

v——受电弓炭板与汇流排终端接触网碰撞时受电弓垂直于接触线向上的速度。

由牛顿定律可知:

碰撞时受电弓作用于接触线的作用力F1=F。

碰撞时受电弓对接触线的动态压力P2= F1+P1。

碰撞时受电弓与接触线的摩擦力f3=μP2=μ(0.047 mvo/Δt+ P1)，但受力时间非常短，一般 Δt为 0.01 s，碰撞过后，f3=f1。

汇流排受到的顺线路方向窜动的作用力f4=f3。

2 槽钢底座发生爆裂的原因分析

2.1 受到的作用力过大

汇流排对定位线夹的滑动摩擦力

式中:

μ1——汇流排对定位线夹的摩擦系数;

F2——汇流排对定位线夹的夹持力。

如图6所示，由于定位装置的结构原因，定位线夹处受到的作用力将会直接作用到定位装置中T型头螺栓与槽钢底座的接触处。当f4≥f5时，定位线夹处受到的作用力为f5，汇流排会相对定位线夹滑动;当f4＜f5时，定位线夹处受到的作用力为f4，汇流排不会相对定位线夹滑动;当作用力f4达到一定值时，定位装置将会发生倾斜。

从检修情况中可知，出现定位装置槽钢底座爆裂的故障是偶发性的。当f4＜f5时，假设导致T 型头螺栓、绝缘子、定位线夹变形的作用力F3＞f4，而槽钢底座能够承受T 型头螺栓的最大作用力F4＜f4，则将会因为T 型头螺栓对槽钢底座的作用力过大导致槽钢底座爆裂(见图1);当F4＞F3＞f4时，T型头螺栓、绝缘子、定位线夹将会因倾斜过度而发生变形。

2.2 材料自身问题

在制作过程中因材料表面或内部存在缺陷(如夹杂、划痕、厚度不合格等)，当与T 型头螺栓长期相互挤压作用下会使槽钢底座产生微裂纹，且随应力循环作用次数的增加微裂纹逐渐扩大;槽钢底座的镀锌层被破坏后，在潮湿的地铁隧道环境下，粉尘含量较多，对裂纹处形成了电化腐蚀，加快了裂纹的扩大速度，最后出现槽钢底座爆裂现象。

图6 定位线夹处作用力示意图

3 结论

根据上述分析可知，出现刚性接触网槽钢底座爆裂的原因主要是:在运行列车受电弓与接触线的摩擦力，以及受电弓进入锚段关节时与锚段关节发生碰撞力的共同作用下，汇流排出现顺线路的窜动现象，进而将窜动作用力传递到该锚段的每一个定位装置(含定位线夹、绝缘子、T 型头螺栓);当定位线夹对汇流排的夹持力过大时，汇流排不能前后自由窜动，其窜动的作用力完全作用在定位装置上，致使T 型头螺栓对槽钢底座的作用力过大，使支持定位装置发生倾斜、形变;定位装置倾斜后，T 型头端头与槽钢的接触面减小，端头在槽钢内双边受力变为单边受力，造成槽钢底座局部应力集中;当该应力超过容许值时，使槽钢底座出现微裂，随着时间推移，裂痕逐渐扩大，而出现爆裂。

由于每个锚段都设置一个中心锚结，以防止汇流排进行顺线路方向窜动，当中心锚结的一端窜动作用力过大时，就会使汇流排发生形变;如果该端的汇流排可自由窜动，则当列车受电弓经过后可以自行恢复到原来状态;如果该端有定位线夹而夹持力过大则会导致定位装置与汇流排一起发生形变而无法自行恢复，进而导致接触线的导高或拉出值发生变化，当接触线的导高或拉出值超出误差范围时便形成了安全隐患。

4 应对措施

1)进行日常检修时应重点检查定位线夹对汇流排的夹持情况，发现因定位线夹与汇流排相互卡死而导致汇流排无法自由窜动的，应及时进行调整。

2)检修过程中发现接触线因机械磨耗而造成表面粗糙时则应及时打磨，使接触线表面保持光滑，以减小与受电弓的摩擦力。

3)应加强巡视，发现绝缘子倾斜、汇流排发生形变的应及时调整;发现底座槽钢有滴水腐蚀生锈现象的应及时更换。

4)应严格按照检修规定开展检修作业。进行检修作业时应认真核实接触网的技术参数，优化接触网锚段关节的相关参数，同时注意调节锚段关节前后几个定位点的导高，满足接触网的坡度要求，使受电弓平稳过渡，以减小对汇流排的冲击力。

［1］毕继红，张峰，刘峰涛.刚性悬挂接触网/受电弓系统动力分析［J］.沈阳理工大学学报，2007(4):91.

［2］李会杰，田志军.接触网刚性悬挂平面布置研究［J］;铁道学报，2003(2):103.

［3］韩柱先，王国梁.刚性接触网的不平顺分析［J］.铁道工程学报，2007(4):61.