南京地铁4 号线弓网异常磨耗研究与解决

诸忠华

（南京地铁运营有限责任公司，江苏南京 211135）

0 引言

南京地铁4 号线开通运营10 个月后，发生弓网磨耗异常故障，在碳滑板左右侧距中心线230～250 mm 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6～7 d。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4 号线的弓网异常磨耗故障。

1 弓网磨耗的研究

1.1 影响因素

①接触压力。压力会影响摩擦系数，压力大则摩擦系数大，机械磨损就大；压力小则弓的跟随性差，容易产生电弧，电气磨损就大。磨损率随接触压力呈U 形变化；②运行速度。速度会影响摩擦系数，也会使弓和网的相对平顺性变差，容易产生电弧；③牵引电流。电流通过接触电阻产生热量，电流大容易产生高温，同时电弧能量也较大；③弓网材料：材料会影响弓网的摩擦系数、耐磨性、耐热性、散热性、亲和性等。

1.2 温度的影响

根据西南交通大学摩擦学研究院关于温度对碳滑板材料磨损影响的实验：低温时，摩擦表面有大量的犁沟和磨粒，主要以磨粒磨损为主，对应的磨损量较小；高温时（200 ℃以上），摩擦表面有氧化、熔融的特征，主要以粘着磨损为主，对应的磨损量较大。

1.3 综合思考

分析压力、速度、电流等因素的作用过程，它们对磨耗的影响主要都是通过产生热量，造成温度升高而影响碳滑板的物理化学性能，降低耐磨性。弓网之间的温度主要由摩擦热、焦耳热和电弧热叠加产生，它们和影响因素及磨损形式的相互关系如图1 所示。

图1 影响因素及磨损形式的相互关系

2 4 号线异常磨耗原因分析

2.1 分析角度与思路

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。从解决问题的可行性、快速性和简单性角度分析思考弓网异常磨耗原因，抛开根本因素及影响的复杂性，认为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。

根本因素对温度的影响是复杂的，但可以换一个角度去思考。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。

2.2 温度的相关因素

根据上述思路，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。

2.3 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250 mm）向线路中心线的弯曲半径，正弦波弯曲半径大，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230～250 mm 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4 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。

2.4 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230～250 mm 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。

2.5 碳滑板材料分析

4 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。

2.6 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230～250 mm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230～250 mm 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 解决方案及解析

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）。

表1 异常磨耗解决方案

3.2 方案解析

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230～250 mm 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

虽然通过调整接触网拉出值波形解决了弓网异常磨耗故障，但这不意味着波形是异常磨耗的根本原因，根本原因还是要从压力、速度、电流、材料等因素去研究。压力、速度、电流等因素通过弓网接口向碳滑板传输热量，并决定热量大小，材质决定碳滑板对热量的承受能力，接触网参数决定热量在时空上的分配方式。因此调整波形只是改变了碳滑板局部对热量的接收量和处理时间，使热量在碳滑板各处的分配尽量均衡合理，而未改变系统中热量的传输总量和对热量的承受能力。