受电弓碳滑条偏磨问题分析与探索

受电弓碳滑条偏磨问题分析与探索

樊国立

合肥轨道交通集团有限公司运营分公司 安徽合肥 230000

摘要：文章分析了受电弓碳滑板偏磨的现状，总结了碳滑板异常磨耗的几种主要表现，重点对碳滑板异常磨耗原因进行分析，并有针对性地提出一些解决碳滑板异常磨耗的措施。

关键词：偏磨；受电弓；拉出值；静态压力

引言

合肥地铁2号线受电弓碳滑条普遍出现偏磨异常情况，跟踪检查发现所有车辆的受电弓碳滑板离中心点左侧250mm处均有不同程度的偏磨现象，部分受电弓碳滑板异常磨耗已形成较深凹槽，磨耗异常还在持续加剧。为预防碳滑条进一步偏磨，将碳滑条静态压力由110-130N修改为110-120N。接触网拉出值由250mm修改为220mm来降低碳滑条的偏磨量。

1、偏磨情况

2019年初，发现合肥地铁2号线受电弓碳滑条普遍出现偏磨异常情况，对偏磨异常的碳滑条同车两个弓对调，进行跟踪3个月运营后仍出现偏磨现象，经跟踪检查所有车辆的受电弓碳滑板离中心点左侧250mm处均有不同程度的偏磨现象，部分已形成较深凹槽，受电弓碳滑板磨耗异常还在持续加剧。主要偏磨位置主要在离碳滑条中心点左侧250mm附近处，右侧250mm附近也存在偏磨，如下图所示：

图1：受电弓偏磨

2号线鉴于碳滑条短期内出现偏磨异常情况，于2020年9月份调整碳滑条更换标准：用游标卡尺测量滑板条磨耗面至滑板托架底部的厚度最低点低于28.5mm且最高点与最低点偏磨超过5mm时更换碳滑条；后续根据碳滑条使用情况及碳滑条剖视图将碳滑条更换标准定为26.5mm，高度差不得超过5mm。在2021年底前完成供电中心完成全部2号线弓网拉出值的调整（由250调整到220mm）。

2、碳滑条异常磨耗的分析

2.1接触压力与碳滑条异常磨耗的关系

选取0217车MP1车受电弓碳滑条分析更换后的磨耗率，在2020年11月16日当时新弓第一根碳滑条最低点厚度为39.98mm,运行到2021年9月8日运行公里数为102920公里，第一根碳滑条最低点厚度为36.62mm,磨耗量为3.36mm,磨耗率为0.326mm/万公里，该弓于2020年12月3日晚将该弓的接触压力由120N降至110N，进行跟踪观察，自2020年12月3日截至2021年11月份由400888公里运行至524464公里共运行123576公里，每根碳滑条每万公里磨耗率如下表2所示：四根碳滑条各测量位置每万公里磨耗率为0.127mm/万公里，最低点磨耗率为0.183mm/万公里。相较于未调整静态压力之前的0.326mm/万公里磨耗率分别降低61%与44%。静态压力调整后磨耗率明显降低。

表1：碳滑条每万公里磨耗率      

2.2接触网拉出值与碳滑条异常磨耗的关系

接触网正弦波刚性接触网，如图所示。能够使得受电弓在工作时工作面能够比较平均的磨耗。架空接触网最大拉出值为超出中心位置250mm，与碳滑条偏磨位置重合。分析与以下两个因素有关。

图2：接触网与受电弓相对位置

（1）机械磨耗：截至目前为止合肥地铁2号线全长27.76公里，共设置24个车站，全程于隧道内运行，正线接触网采用刚性正弦波接触网，段区采用之字形柔性接触网。受电弓碳滑条偏磨凹坑为“U”型，选取240mm到250mm为一分段，按照接触网两个锚结间距约为8米，横向间距250mm，取mm为单位得到接触网的大致正线函数如:

（2.1）

计算出240mm到250mm区段内接触网长度约为1080mm，占一个接触网周期长度的13.5%，而240mm到250mm之间的长度占整个碳滑条正常工作长度的4%，此处碳滑条以4%的工作长度完成13.5%线网接触距离，由此可以得出240mm到250mm区间内碳滑条使用量远大于其余位置。导致此处接触网表面粗糙度大于其余位置，到达此处位置的碳滑条磨耗再次加剧，造成恶性循环，从而导致受电弓磨耗增加。

根据实际的情况碳滑条异常偏磨的位置在距离中心250mm处，与接触网拉出值距离吻合并且与上述理论吻合。

（2）温度因素：QG-120（B-HFL2）型受电弓为浸金属材料，是一种向碳板内侵入金属铜的材料。而铜碳的热膨胀系数相差很大，铜的热膨胀系数远大于碳的热膨胀系数。铜的热膨胀系数为1.67*mm/℃，碳的热膨胀系数为2*mm/℃。当受电弓工作在低温时，摩擦表面有大量的犁沟和磨粒，主要以磨粒磨损为主，膨胀因素影响小，对应的磨损量较小；而受电弓在运行一段时间后会产生大量的热，其中正常产生的热为焦耳热、摩擦热，这些是受电弓运行无法避免的产热，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，铜会软化从碳的孔隙中析出，改变局部微观结构，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。由上述提到的机械磨损可知，碳滑条距中心240mm到250mm位置使用率较高，所以温度因素对此处影响也较大。因此凹坑与电弧之间存在恶性循环，凹坑不解决的情况下偏磨会越来越严重。

自2021年12月供电调整接触网拉出值后，统计发现在距离碳滑条中心220mm处出现新的凹坑，凹坑处厚度已经与最低点厚度接近，接触网拉出值未调整前此处碳滑条无凹坑且厚度大于最低点。再次证明碳滑条偏磨与接触网拉出值有直接关系。

结论语

由统计分析可知碳滑条偏磨主要因素有两点：一是受电弓与接触网间压力过大。二是接触网拉出值最大值。为预防碳滑条进一步偏磨，将碳滑条静态压力由110-130N修改为110-120N，接触网拉出值由250mm修改为220mm，修改后碳滑条在距中心220mm处出现新的凹坑，接触网拉出值调整困难，建议将接触网拉出值调整为非统一值，范围在220-250mm之间。

参考文献

[1]探究地铁接触网中弓网磨耗的原因[J]. 张星阳,赵文广,陈子豪.  科技风. 2018(32)

[2]地铁受电弓滑板磨耗分析[J]. 方岩,吴积钦,唐浩,王秀红,刘兰.  电力机车与城轨车辆. 2018(04)