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摘要：本文根据广州地铁多条线路的刚性接触网设备运行情况以及维护经验，对刚性接触网严重局部磨耗的产生原因进行了分析。
关键词：刚性接触网；严重局部磨耗；
0 引言
刚性接触网严重局部磨耗是一种出现在刚性接触网接触线上的严重不均匀磨耗现象，主要表现为锚段内的接触线磨耗明显不均匀，最大磨耗的磨耗面积百分比一般超过50%，并且是最小磨耗的2倍及以上。近年来部分线路刚性接触网上的严重局部磨耗呈现出：数量多、形成周期短、分部散等特点，造成接触线磨耗的跟踪和处理工作量大大增加。
1 严重局部磨耗情况
1.1 整体情况
广州地铁目前使用刚性接触网的线路共九条；严重局部磨耗现象在二、八、三北、三号线的刚性接触网中较为明显，在广佛线、一号线（刚性接触网试验段和柔改刚段）、七、九、十三号线较为少见。在二、八、三、三北线上，虽然部分锚段存在明显的接触线严重局部磨耗现象，但各线路接触线的平均磨耗较低，而且有大部分的锚段并未出现接触线严重局部磨耗现象。
1.2 严重局磨耗痕迹情况
在不同线路的刚性接触网上，严重局部磨耗的接触线呈现出的线面磨耗痕迹基本相同——磨耗痕迹呈斑纹状。
1.3 严重局部磨耗出现位置
不同的刚性接触网线路，严重局部磨耗出现位置基本相同。主要出现在列车加速区段、隧道空间结构急剧变化处、轨道变坡及小半径曲线段、接触网锚段关节及膨胀元件安装位置处的接触线上。在接触线严重局部磨耗的出现位置中，列车加速区段和膨胀元件位置又极为明显。
1.4 严重局部磨耗发展趋势
统计各线接触网的磨耗情况可以发现，刚性接触网严重局部磨耗现象的增长主要是在2013至2016年间。在运行维护过程中，接触网专业人员会对磨耗严重且达到检修更换标准的接触线进行更换，但在已开展过接触线更换的线路中，接触线磨耗速率相对较高的二、八、三、三北线的部分区段，新更换的接触线上又出现了明显的接触线严重局部磨耗现象。2017年以后各刚性接触网线路的严重局部磨耗形成速率已经趋于稳定，并保持在近年来较高的水平。
2 接触线磨耗产生机制分析
弓网电接触的过程中，在高电压、大电流、弓网接触压力、弓网滑动摩擦等多种因素共同作用下，受电弓碳滑板和接触线的接触面会因为机械物理作用以及材质间的电化学反应而产生磨损，刚性接触网接触线材质的磨损主要来自于一下几个方面：
（1）粘着磨损
从微观上看受电弓碳滑板和接触线的表面均不是平整状态而是存在微凸体。当碳滑板和接触线相对滑动时，在弓网接触压力作用下两者表面微凸体相互剪切作用，导致碎片从接触点一侧剥离，粘着在另一侧的微凸体上，当继续滑动时，转移的碎片从其粘着面上脱落，又转移到原来表面或成为游离的颗粒。经过反复加载和卸载的疲劳作用，弓网接触面上有些转移碎片发生断裂，成为了游离的磨粒，最终从弓、网基体上脱落。
（2）冲击磨损
冲击磨损是指材料受到冲击时表面出现破坏的一类磨损现象，一般由单次或反复冲击作用而使固体材料产生渐进的损耗，它是表面疲劳、断裂和化学磨损等多种磨损机制的综合作用。在刚性接触网中，接触线的冲击磨损主要来自于碳滑板直接对接触网硬点的碰撞冲击，受电弓振动后的回弹冲击，以及接触网拉出值变化较大位置碳滑板凹槽与接触线切入面的撞击。
（3）电弧烧蚀磨损
列车行驶过程中受电弓碳滑板与接触线保持电接触，当弓网因机械接触不良或其它原因导致碳滑板与接触线之间出现间隙时，加在弓网接触面两侧的高电压会击穿间隙空气，使弓网接触面间出现拉弧放电。电弧会烧蚀接触线的接触面并在上面形成大量的微小凹坑，碳滑板与接触线的界面滑动又对凹坑边缘产生剪切或破碎，使得凹坑边缘部分破碎并产生脱离。电弧烧蚀磨损的程度与列车取流的大小有关，电流越大，电弧的能量越大，作用时间越长，接触线的电弧烧蚀磨损越严重。
（4）腐蚀磨损
在电流、电压的作用下，相互接触的弓网材质间会发生化学或电化学反应，在表面形成腐蚀产物，这些产物不牢靠，在摩擦过程中被剥离下来，其后新的表面又继续与介质发生反应。除了化学和电化学腐蚀之外，弓网接触界面焦耳热高温下金属物质氧化、爆裂融化形成的氧化腐蚀也较为常见。腐蚀磨损的产生过程就是腐蚀产物形成并在弓网滑动摩擦中被剥离下来的过程。
3 刚性接触网接触线磨耗的影响因素分析
3.1刚性接触网线路上普遍存在的弓网机械接触不良问题
刚性接触网弹性较差，列车行驶过程中弓网机械接触状态容易受到接触网导高不平顺、碳滑板磨耗不均匀、隧道风压突变等多种因数影响，所以刚性接触网线路普遍存在弓网机械接触不良问题。
3.1.1 导高不平顺引起的弓网机械接触不良
一方面，刚性接触网悬挂跨中位置的汇流排在自身重力影响下容易出现弛度（跨距越大，弛度越大）；另一方面，定位线夹卡滞汇流排会阻碍汇流排随环境温度变化而进行的热胀冷缩，一旦汇流排沿线路方面的伸缩受阻，汇流排伸缩应力就可能不断地积聚，进而导致汇流排本体变形或中间连接板部位松动；跨中弛度及线夹卡滞最终都会导致接触网导高不平顺。在短距离内接触网导高不平顺度较大时，会使得快速滑过的列车受电弓因受力突变而产生振动，导高的不平顺度越大，弓网振动就越剧烈。
3.1.2 关键设备过渡性能不良引起的弓网机械接触不良
刚性接触网锚段关节和膨胀元件的位置都在锚段端部，温度变化时此处的汇流排相对线夹窜动的位移量最大，在定位线夹卡滞汇流排积聚起来的汇流排伸缩应力、锚段关节或膨胀元件附近定位点的杠杆力、膨胀元件自身重量及结构特点等多种因数的共同作用下，锚段关节和膨胀元件位置的接触线导高参数都容易发生变化，所以锚段关节和膨胀元件安装位置，受电弓过渡区内的接触网导高很难长期保持相等，而当两支接触线在受电弓过渡区内不平时，就可能会发生碳滑板撞击接触线始触点而引发受电弓抖动或者受电弓碳滑板直接不能与两支接触线同时接触的情况。
3.1.3 弓网接触系统受力突变导致的弓网机械接触不良
受电弓和接触网可以看做两个弹性系数不同的弹性系统。列车静止时，在设备自身的重力、弹力和弓网接触压力等力的作用下，弓网接触体系保持在受力平衡的状态；然而列车运行时，由于受电弓随车体振动、弓网设备间的冲击、碰撞导致弓网接触压力突变或者弓网接触系统受到外力的影响，弓网间的受力平衡就会被打破。在不平衡受力情况下，弓网就会产生振动，进而导致受电弓碳滑板和接触线之间发生竖直方向上的冲击和离线。
列车轮对经过不平整的轨面、碳滑板自身不平整或者碳滑板经过导高不平的接触网设备（接触网接触线的导高坡度变化较大）以及隧道内活塞风风压的变化等都将导致运行中的受电弓的受力发生改变进而导致弓网机械接触不良。
3.1.4 碳滑板不均匀磨耗引起的弓网机械接触不良
受电弓碳滑板是与接触线直接接触的导体，碳滑板状态直接影响着弓网接触状态。碳滑板不均匀磨耗对弓网接触状态的影响有三个方面：
（1）导致弓网不规则振动
接触线与不平整的碳滑板接触时，接触网除了竖直方向上的受力外，在水平方向也会受到受电弓支持力的分力作用（如图6）。由于接触线在碳滑板平整位置和不平整位置的受力不同，所以在磨耗不均匀的碳滑板上，接触线相对于碳滑板左右滑动时，接触线的受力（弓网受力）会不断发生变化。弓网受力不断变化会引发弓网间的不规则振动，振动一方面导致碳滑板与接触线产生冲击碰撞，另一方面当，当弓网振动强烈时，碳滑板与接触线可能发生离线。
图3碳滑板凹槽面与接触线接触模型
（2）导致弓网接触间隙的产生
碳滑板凹槽在接触网拉出值变化率较大的位置，由于接触线相对于碳滑板凹槽面存在一定斜度，碳滑板凹槽的纵深范围内接触线不能与碳滑板完全良好接触，碳滑板与接触线接触面的间隙间就会发生电弧放电烧伤接触线，导致接触线产生电弧磨损。
（3）影响弓网过渡性能
磨耗不均匀的碳滑板在接触网锚段关节或膨胀元件位置过渡时，磨耗不均匀的碳滑板很难与两支不同锚段的接触线同时良好接触，两支不同接触线与碳滑板的高差不同，弓网间容易发生碰撞和间隙拉弧放电。
3.2 弓网机械接触不良对接触线磨耗速率的影响
弓网保持良好的机械接触时，接触线的磨损主要来至于弓网滑动摩擦以及弓网间电流作用下的粘着磨损、氧化磨损和电化学腐蚀磨损；弓网机械接触不良时，除了不同材质间的腐蚀磨损以外，一方面受电弓碳滑板和接触线在水平方向上的碰撞以及竖直方向上的离线冲击会使接触线产生冲击磨损，另一方面弓网离线产生的电火花、电弧还会使接触线产生电弧烧蚀磨损。弓网机械接触不良还会使得弓网接触面的电阻变大，当列车取流时，弓网接触界面产生的高温会使得接触线发生软化，弓网间相互作用对接触线造成的粘着磨损、冲击磨损、电弧烧蚀磨损和氧化磨损都将更加剧烈。
由于弓网间的粘着磨损、氧化磨损和电化学腐蚀磨损都作用于物质的微观层面，这两类磨损累积对接触线造成损耗是一个相当缓慢的过程，所以弓网接触状态良好时接触线的磨耗速率很低。弓网接触不良时，一方面，弓网间的冲击、碰撞会直接导致冲击面上的接触线材质变形脱落，另一方面，弓网离线产生的电弧会直接烧蚀接触线，而且电弧产生的高温会加剧弓网接触面上的腐蚀磨损，所以在弓网接触状态不良时，接触线的磨耗速率较高。
3.3 设备上的差异对弓网机械接触不良状态的影响
3.3.1 接触网设备上的差异
（1）悬挂支持方式
虽然目前线网内的刚性接触网均采用了架空“П”型刚性悬挂，但个别线路的刚性悬挂在实现方式上有轻微的差别，例如：一号线柔改刚区段刚性接触网悬挂支持装置采用了旋转腕臂形式，而其它线路刚性悬挂支持装置均采用垂直悬吊装置。在对接触线磨耗的影响方面，采用旋转腕臂形式的悬挂支持装置相对于采用垂直悬吊形式的悬挂支持装置的最大区别在于：当汇流排伸缩时，采用旋转腕臂形式的支持定位可以在纵向上随汇流排的伸缩而转动，防止汇流排在纵向上发生卡滞，有助于减轻定位线夹卡滞汇流排造成的接触网导高突变，进而减轻弓网机械接触不良。
（2）拉出值布置形式
目前各线的拉出值布置形式主要有正弦波、类之字型两种。根据检修维护情况，接触线严重局部磨耗分布于接触网的各拉出值区段，所以接触线的磨耗与接触线的拉出值布置无直接相关；但从各线的碳滑板磨耗情况来看，接触网按正弦波布置的线路，碳滑板的不均匀磨耗情况更明显，而碳滑板不均匀磨耗会反过来造成弓网机械接触不良，进而造成接触线磨耗速率上升。
（3）锚段间的过渡形式
刚性接触网中，两相邻锚段间的过渡形式有膨胀元件和锚段关节两种。根据设备运行维护情况，膨胀元件安装位置以及膨胀元件附近位置一般都有接触线磨耗严重现象而锚段关节安装点及附近则无此特殊现象，所以通过总结膨胀元件的使用会使得接触线局部严重磨耗的概率增加。
3.3.2 列车设备上的差异
在弓网机械接触不良方面，列车设备上的差异主要体现在不同线路列车碳滑板的磨耗情况不同。根据设备运行情况，目前广佛、一、七号线和十三号线的碳滑板磨耗率低且表面平整，而二、八、三、三北线运行的列车受电弓碳滑板磨率相对较高且有明显不均匀磨耗情况。在有碳滑板不均匀磨耗情况的线路中，碳滑板的不均匀磨耗情况（凹槽情况）又各不相同。
从表2可以看出，在各种状态下弓网接触不良且列车取流大是对弓网的良好稳定取流最不利的因素，也是刚性接触网线路部分区段接触线磨耗速率高的主要原因。
4 刚性接触网严重局部磨耗产生原因分析
接触线的磨耗是弓网电接触时发生在弓网间的粘着磨损、冲击磨损、腐蚀磨损、电弧烧蚀磨损机制作用在接触线上的累积结果。结合各种磨耗机制产生的原因以及设备运营维护情况看，列车取流大小和弓网机械接触状态是影响接触线磨耗速率的重要因素，在不同的弓网机械接触状态和列车取流大小情况中，弓网机械接触不良且列车取流大是对刚性接触网弓网良好运行最不利的因素，也是现目前造成刚性接触网部分区段的接触线磨耗速率高的主要原因。一方面，列车在加速区段的取流大而其它区段的取流小，另一方面弓网接触不良主要出现在锚段关节、膨胀元件安装位置、轨道变坡段、风亭口、隧道结构变化等局部位置，所以目前主要是列车加速区和以上几类弓网关系不良位置（尤其是在列车加速区与弓网关系不良相重叠的区域）接触线的磨耗速率高而其它区域接触线的磨耗速率低，经过弓架次的累积，刚性接触网上就出现了磨耗速率高位置接触线磨耗严重而其它位置磨耗轻微的局部磨耗现象。
2013年以前各线列车载客量普遍较小，接触线局部磨耗主要来自于弓网过渡薄弱点（如三北线部分高速区段的膨胀元件出弓位置）长期弓网间电火花、电弧造成的接触线电弧烧蚀磨损和氧化磨损的累积以及小部分位置处弓网之间发生冲击碰撞对接触线造成的冲击磨损的累积（如跨距较大且安装外部接头位置），由于较严重的打火、拉弧和弓网碰撞冲击区域都能及时的通过维修得到缓解和改善，所以2013年以前弓网机械接触不良对接触线磨耗造成的影响较小，严重局部磨耗形成速率相对缓慢，出现的位置也较少。近年来大部分线路列车的载客量都在增长且部分线路已经增长到了很大的状态，造成了列车取流尤其是列车在加速区段的取流有了大幅度增加。列车取流增大以后造成了接触线的氧化磨损、电弧烧蚀、以及冲击磨损、粘着磨损都变得更加严重，尤其是列车加速且弓网关系不良区段，在弓网间大电流作用下，强烈的电弧烧蚀磨损和氧化磨损造成接触线的磨耗速率大幅度上升。进而导致接触线局部磨耗的速率增大以及严重局部磨耗出现的位置增加。
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论文作者:邓桂棠
论文发表刊物:《科技新时代》2019年1期
论文发表时间:2019/3/20
标签：磨耗论文; 磨损论文; 滑板论文; 刚性论文; 电弧论文; 局部论文; 列车论文; 《科技新时代》2019年1期论文;