重庆轨道交通2号线延伸段接触网接触线磨耗分析及改革建议

宗臻强 张欣 郑皓天

（重庆市轨道交通（集团）有限公司，重庆 400000）

1.概述

重庆轨道交通2号线延伸段供电线路自2014年开通，至今已运营7年左右，接触网设备运行正常。目前在2021年接触网日常检修中发现，2号线延伸线共计23个锚段接触线磨耗低于单轨接触网规程规定1.7mm，达到大修更换标准，其中13个锚段接触线磨耗低于1mm；整体磨耗20个锚段，异常偏磨3个锚段。

2号线延伸近几年（2018—2021）接触线年度磨耗情况，见表1和表2的统计汇总。

表1 2018年至2021年年度平均磨耗情况统计表

表2 2018年至2021年磨耗汇总统计表

2.原因分析

受电弓滑块与接触网导线是一对特殊的摩擦副，是在带电情况下、且有电流通过条件下的一种特殊摩擦行为，其载流接触摩擦磨损的形成机理非常复杂。目前国内外对受电弓滑块和接触导线间载流、接触摩擦的相关研究表明：接触线与受电弓滑块的磨耗主要来自弓网机械磨耗、电气磨耗、黏附磨耗、化学磨耗。

（1）弓网机械磨耗：影响弓网机械磨耗有两方面因素：磨粒磨损、疲劳磨损。

（2）磨粒磨损：磨粒磨损是因为电流产生电弧，使摩擦副表面产生氧化形成硬质点，硬质点在摩擦过程中脱落，加之电弧飞溅形成的微小颗粒，成为磨粒，导致磨粒磨损，磨粒磨损主要存在于低温状态下，其磨损量较小。

（3）疲劳磨损：疲劳磨损即是弓网间正常状态下的摩擦产生的磨损，其主要影响因素为运行弓架次的累计磨耗。随着线网延长运营时间的正式实施和8列编组上线运行，列车运行弓架次增加，疲劳磨损程度进一步增大，接触线的磨耗也会随之增大。

（4）电气磨耗：影响弓网电气磨耗有两方面因素：电弧熔损、材料转移。

（5）电弧熔损：由于接触线与受电弓滑板之间的离线产生电弧现象，导致电弧熔损。

（6）材料转移：金属正离子在电场作用下集聚于阴极表明，同时电子向阳极运动，由于电子体积小，可将阳极表面的原子轰击出表面，形成金属蒸气，部分金属原子沉积在阴极表面发生材料的转移。

（7）黏附磨损：是指滑动摩擦时摩擦副接触面局部发生金属粘着，在随后相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒从零件表面被拉拽下来或零件表面被擦伤的一种磨损形式。影响黏附磨损主要因素有受电弓滑板材质及其硬度、弓网接触压力等。

（8）化学磨耗：化学磨耗主要是腐蚀磨耗及氧化磨耗，主要与环境有关。

3.影响其磨耗率的主要因素

影响其磨耗率的主要因素为：速度、滑板形貌、受电弓条件、车辆条件、轨道条件、接触网线性及弹性、滑板材质及硬度、弓网润滑方式、拉出值分布、接触电阻、表面附着物、牵引电流，此外还与环境、气候等因素有关[1]。

（1）车辆运行速度对接触线磨耗的影响：车辆运行速度、急停、急起均会导致弓网接触压力发生变化。高速运行增加了离线次数，增大接触电阻，产生离线拉弧；增加了滑块表面摩擦产生的热量，导致接触线与滑块接触部位升温；最后加剧接触线的磨耗。

（2）受电弓特性对接触线磨耗的影响：受电弓特性包括受电弓归算质量、接触压力的大小、弓臂弹性性能等。由于单轨接触网采用刚性悬挂安装，其本身不具备弹性性能，列车受电弓特性的好坏直接影响受电弓接触压力和冲击力，从而影响弓网跟随性及离线概率。依据中铁电化勘测设计院对单轨接触网的研究，受电弓归算质量、受电弓接触压力均是影响受电弓冲击力的重要因数，而受电弓冲击力过大必将加剧接触线和滑块的磨耗。同时受电弓接触压力过大会导致弓网摩擦系数增大，加剧接触线黏附磨损即机械磨损。

（3）车辆条件对接触线磨耗的影响：车辆转向架及减震效果均会影响弓网接触压力变化。增大接触电阻，发热加剧，严重时，导致滑块熔化蒸发，导致电气磨损[2]。

（4）线路条件对接触线磨耗的影响：轨道线路的平直度、尤其是轨道梁衔接的指行板处的平直度，轨道梁振动等均会影响列车平稳度，进而影响弓网接触压力变化；列车在上坡区段牵引电流增大，导致接触线与滑块接触面温度升高；导致接触线磨耗加剧。

（5）接触网参数对接触线磨耗的影响：单轨接触网以刚性悬挂安装，其本身无弹性，列车在高速运行中主要依靠受电弓的弹性减震功能维持弓网良好的追随性，但受电弓对接触网的冲击力相对柔性接触网较大，是刚性接触网自身的缺陷。因此，对刚性接触网坡度变化率要求较高，一旦当接触网导高坡度不满足设计要求，接触网出现硬点，会导致受电弓通过时接触压力变化、甚至出现跳跃式冲击接触网，导致接触线磨耗增大。考虑接触线坡度对接触线磨耗的影响较大，针对此次接触线整体磨耗严重的13个锚段，分别对刘家坝-白居寺上行正极Z207-26～33，大江-鱼洞上行正极Y210-30～42锚段定位点、跨中的导高、拉出值进行的测量，测量结果为这2个锚段接触线高度均满足设计误差1‰的要求。可以确定整体磨耗严重的接触线，其原因并非接触网自身参数不满足要求。此次发现的3个锚段接触线为异常偏磨的特殊情况，经现场检查此3个锚段接触线均为异常偏磨，有可能是由于受电弓滑块出现凹槽引起。

（6）受电弓滑块材质及硬度对接触线磨耗的影响：滑块材质与接触线不匹配会导致黏附磨损加剧，同时会增大接触电阻，加剧电气磨损。更换不同厂家的滑块时，接触线残留的旧滑块的磨粉将成为第三种金属介质，成为黏附磨粒，加速滑块黏附磨损[3]。

（7）润滑条方式对接触线磨耗的影响：单轨列车受电弓采取铜基滑块+润滑条的形式，而不同材质的润滑条对滑块与接触线的摩擦系数和接触电阻的影响不同。而滑块与接触线的摩擦系数直接影响弓网机械磨耗，接触电阻则直接影响受电弓取流情况、影响电气磨耗，两者均是接触线磨损加剧的直接原因。

（8）弓架次累计对接触线磨耗的影响：受电弓滑板和接触线接触摩擦而取流，其本身存在正常的机械磨损，通过弓架次积累而产生的正常磨损称之为疲劳磨损。

（9）表面附着物对接触线磨耗的影响：接触线及滑块表面附着物会增加接触电阻及弓网摩擦系数：接触电阻过大会导致发热严重，改变受电弓滑块形貌，增加机械磨损。严重时导致滑块熔化蒸发，电气磨损；表面附着物会增加弓网间摩擦系数，进而加大黏附磨损。

（10）接触电阻对接触线磨耗的影响：接触电阻过大，会导致发热严重；严重时，导致滑块熔化蒸发，导致电气磨损加剧。

（11）牵引电流的大小对接触线磨耗的影响：接触线与滑块的电气磨损随受电电流的增大而增大。受电电流越大接触线与滑块接触表面温度越高，使滑块接触面工况恶化，导致机械磨耗加剧；弓网接触处接触线升温会造成接触线软化，加速接触线的磨耗[4]。

4.改革建议

车辆运行速度尽可能保持恒定。目前2号线列车受电弓已广泛采用国产受电弓，建议将国产受电弓与进口日本的受电弓比对，进一步研究改善国产受电弓的相关性能，提高弓网追随性。目前2号线延伸段列车已基本国产化，建议关于车辆转向架及减震性能方面与进口车辆进行对比研究，提高相关性能。针对此类由线路条件引起的接触线异常偏磨，线路专业对轨道梁连接的特殊部位进行检查，当接触线磨耗值为6mm时，主要造成受电弓滑块将与接触线夹板直接摩擦，在接触线固定夹板衔接处，可能造成刮弓、打弓现象；且接触线固定夹板磨损后，接触线夹板会脱落出槽，均会造成弓网事故。同时在拉出值-25mm～+25mm范围内，受电弓滑块左右晃动量一旦超过12mm，将发生受电弓滑块与汇流排压板螺栓碰撞，引发弓网事故。为确保接触网状态良好、弓网关系正常，设定接触线磨耗临界值为5mm。当接触线磨耗值达到5mm时，接触线必须进行更换，否则存在弓网事故的安全隐患。

目前跨座式单轨列车受电弓滑块采用铜基粉末冶金滑板，而接触线采取纯铜接触线，接触线与滑块材质相近，两者之间的黏附磨损较大。建议根据接触线的材质，研究滑块与接触线的摩擦匹配关系，使其达到最佳效果；对同一线路运行的列车，建议使用同一厂家生产的滑块。建议综合考虑润滑条的对滑块与接触线间摩擦系数和接触电阻的影响，进一步研究提高润滑条的性能。供电维保部门、车辆维保部门共同对各自设备定期清洁维护。供电维保部门、车辆维保部门共同研究改善弓网初始接触电阻。

为了研究重庆2号线延伸段接触线磨耗情况，特对列车牵引电流进行了统计调查，其结果为：6列编列车共计9个牵引单元。列车在车站启动加速时或列车爬坡时，其牵引电流比一般区段大，6列编组每个牵引单元最大牵引电流一般为120A～130A左右，总电流为1080A～1170A左右；3号线，8辆编组共计12个牵引单元，8列编组每各牵引单元最大牵引电流一般在140A左右，总电流为1680A左右；列车在下坡时，牵引电流最小，每个牵引单元牵引电流为0A。列车早晚高峰间隔不同，接触线一次列车通过升温后未充分散热、列车二次通过时又继续升温；同时目前8辆编组调试列车运行区段集中在天堂堡至鱼洞区段（即2号线延伸段段）；依据热量计算公式Q=I2Rt，接触线在列车启动加速和上坡区段温度最高、接触线软化相对较高。因此，从理论分析，在列车启动加速和上坡区段，接触线磨耗相对其他区段应更严重。对于此次发现的接触线磨耗严重23个锚段中整体磨耗严重的20个锚段，进行了线路条件统计，其统计结果为：处于上坡区段接触线共计13个锚段，处于列车出站启动加速区段接触线共计3个锚段，处于曲线上坡区段接触线共计4个锚段。由此，接触线整体磨耗严重锚段均处于上坡或列车出站的启动加速区段，其磨耗加剧的原因为牵引电流大、接触线温升高。牵引电流的大小受线路条件和列车行驶条件决定，为不可控因素，只能在实践中改进。

5.结语

根据以上分析，2号线延伸段接触线磨耗的因素很多，且复杂多变、与接触网、受电弓、车辆、载流、线路、环境等均息息相关。此次发现的23个锚段接触线磨耗严重，其中3个锚段为异常偏磨，偏磨主要原因为线路条件不平滑和受电弓滑块凹槽引起；另外20个锚段接触线整体磨耗，其主要原因是处于上坡或列车出站的启动加速区段，牵引电流大，接触线温升高。建议在接触网方面按照设计要求精确调整接触网参数，加快接触网综合检测设备的引进，以先进的手段实现对弓网压力、弓网燃弧率、温度、接触线磨耗等进行准确的检测，为消除弓网电气异常磨耗提供依据。线路方面，对于轨道梁衔接部分进行精确调整，以确保车辆运行平稳。车辆方面对受电弓滑块和接触线的匹配性、追随性进行试验，改善滑块和润滑条的成分，降低接触网磨耗率，致力研究受电弓特性，将国产受电弓与进口受电弓对比，改善受电弓的的弹性，提高弓网追随性。接触线磨耗的因素很多，涉及专业广泛且复杂多变，与接触网、受电弓、车辆、载流、线路、环境等息息相关。