摘要：本文通过苏州高新有轨电车和上海松江有轨电车接触网与电车弓网耦合运行情况，分析电车受电弓碳滑板与接触网拉出值耦合存在问题及碳滑板磨损、受电弓羊角磨损异常问题，提出了相应解决措施，以便为同类工程及运营单位提供类似经验和参考。
关键词：有轨电车;碳滑板;磨耗;接触网；拉出值
0引言
苏州高新有轨电车1、2号线和上海松江有轨电车1、2号线全线采均用全接触网供电模式，弓网关系是关系运营安全的重要问题。电车受电弓滑板是其导入电能、提供动力的重要受流部件，因此也是关系到弓网关系的重要部件。1号线自2014年10月份开通运营两年多来供电及车辆系统总体运行良好，但2016年11月份至2017年3月份期间，正线直线区段发生多次接触网明显拉弧现象，造成接触网拉弧部分导线灼伤，同时也造成电车受电弓碳滑板磨损异常，上海松江有轨电车开通运营半年后也发现弓网耦合问题。
1设备概况
1.1接触网
接触网均为柔性接触网，简单悬挂，主要以地面敷设方式，局部采用高架形式。正线、渡线、折返线、存车线均采用补偿简单弹性悬挂CTA150+1×JT120,接触线额定张力为12KN，架空地线最大张力12KN。导线高度一般为5800mm，下穿立交、下穿地道段4600mm~5800mm,跨距弛度≤250mm。补偿方式采用内置式坠砣滑轮补偿。拉出值一般为±200mm,拉出值最大为300mm，其直线区段接触线偏离受电弓中心不大于280mm，曲线区段不大于320mm。接触线局部磨耗和损伤小于33%，平均磨耗小于25%。接触线高度变化时，其坡度不大于5‰。
1.2受电弓及碳滑板
苏州高新有轨电车受电弓通过电机控制弹簧实现升降，其碳滑板材质为浸金属,接触压力额定80N,控制范围是60-110N，碳滑板的硬度为HR110，带绝缘子的落弓高度为369±10mm；最小工作高度为100mm；最大工作高度为3100mm。受电弓总长为2458±10mm，碳滑板尺寸1240±1*60mm*21.5mm，碳滑板数量2，弓头长度1891±10mm，弓头宽度300±10mm，弓头高度250±10mm。其碳滑板运行标准要求是无沟槽、裂痕（特别是纵向）或边缘有无明显冲击痕迹（深度超过0.5mm的冲击或碳条受冲击长度超过5mm），碳条磨损均匀，碳条表面连续、不粗糙且无毛刺，厚度为0.5mm。必要时可用手锉去除毛刺。当碳条厚度达到最低要求（厚度5-6mm），则须更换碳条。
2设备故障情况
2.1接触网导线
接触网导线灼伤。接触网设备从开通运营来一直运行良好，但自2016年11月开始出现接触网拉弧，先是个别车辆，后来多个车辆，且拉弧的频次越来越多。拉弧部位主要集中在分段绝缘器和部分直线区段，分段绝缘器处拉弧问题原因与分段绝缘器安装形式及零部件结构有关，通过调整其安装形式消除了拉弧现象，但直线区段经多次检查未发现异常情况，之后在设备检修时发现接触线出现导线灼伤现象，分布有密集的麻点（如下图1）。
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图1接触网导线灼伤图
2.2受电弓碳滑板
受电弓碳滑板磨损异常，不同车辆磨损率差别较大，且在碳滑版磨损区两侧出现凹槽。自开通运营截止到2017年1月份，1号线18辆电车受电弓碳滑板磨耗情况如下表：
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从表中分析可知，1号线碳滑板平均磨耗为0.84mm/万公里，平均可运行16.67万公里；不同车体之间差异较大，磨损最严重的为0105车，达到1.35mm/万公里，磨损最小的为0110车，为0.6mm/万公里，最大磨耗车比最小磨耗车高125%，差异较大。其中0101至0107车投入运行较早，在弓网耦合前期碳滑板磨耗大，0108至0118车投入运营较晚因此磨耗相对小。后期随着弓网关系耦合状态改善，各列车磨耗差异将会变小，磨损率趋于平稳。18辆车受电弓碳滑板磨损区两端均存在明显的凹槽（如下图），此类凹槽造成电车在运行过程中出现拉弧，通过打磨处理凹槽后拉弧现象消失。
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图2受电弓磨损图
2.3受电弓羊角磨损
松江有轨电车2号线2018年12月开通，2019年1月车辆进行月检时发现部分车辆受电弓羊角磨损异常。
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3受电弓滑板及羊角损耗分析
3.1损耗性质
电车运行电能是通过受电弓滑板导入，受电弓滑板与接触网直接接触滑动摩擦,正常磨耗不可避免，根据其磨耗物理性质体现主要有机械磨损和电气磨损、化学腐蚀三种形式。
（1）机械磨损。机械磨损是碳滑板在接触网导线上滑动时二者之间发生摩擦或冲击而引起的磨损。在受电弓压力作用下，相互接触的两物体表面因为摩擦，接触点产生瞬时高温，引起两个物体发生粘着，由于一个表面硬的凸起部分和另一个表面接触，或者在两个摩擦表面之间存在着硬的颗粒，或者这个颗粒嵌入两个摩擦面的一个面里，在发生相对运动后，使两个表面中某一个面的材料发生位移而造成磨损。因此选用合适的材质是减少碳滑板磨损的有效途径。
（2）电气磨损。碳滑板与导线因接触不良或离线等将产生火花或电弧，引起电气磨损，并且会产生磨屑。在接触受流时由于电流通过引起温升，导致接触表面物理状态发生变化，如氧化等，造成附加机械磨损，从而加大了总磨损。[1]接触导线电气磨损较为严重的情况一般在容易发生离线、导线与滑板接触质量较差处发生。因此弓网间的接触压力是避免压力过小产生离线及压力过大产生额外磨耗重要因素。
（3）化学腐蚀。电车运行过程会受到大气、雨水、温度、光线等各种不同环境影响，在自然环境的作用下会发生一定化学反应或溶解。腐蚀损耗会与机械磨损、电气磨损相互作用加速碳滑板的损耗。化学腐蚀的损耗相对较小，主要与滑板材质有关。
3.2设备因素
接触网拉出值影响。接触线固定位置在定位点处保证接触线与电力机车受电弓滑板中心有一定距离，这个距离称作拉出值，以保证受电弓和接触线可靠接触、不脱线及受电弓磨损均匀。经测量受电弓磨耗最严重区域为碳滑版左右200mm与接触网拉出值标准吻合。根据弓网动态实验数据显示，接触线越远离受电弓滑板的中心，弓网动态接触压力越小，反之亦然，接触线越接近受电弓滑板的中心，弓网动态接触压力越大，即形成滑板越中心其相应的磨耗越大，一般会造成中心区域磨损严重。[2]但1号线在磨损区域两端出现凹槽（如图2所示），其原因是接触网存在曲线比例过大，曲线处拉出值均偏向一侧，因此会造成在中心线同一侧200mm处连续磨损（相对直线区段磨损时间长）,从而产生凹槽。
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图3受电弓磨耗示意图
1号线拉出值为200mm，假设调整拉出值至275mm，如上图3为例进行磨耗比较，拉出值为200mm时，碳滑板磨耗区域为A，共400mm；拉出值为275mm时，碳滑板磨耗区域为B，共550mm，显然调大拉出值，能够增大碳滑板耗损面积，使碳滑板磨损更均匀。在曲线区段同样也可以减少偏磨的比例，可以减小偏磨程度，通过核算可知拉出值为275的情况比拉出值为200mm的情况能少磨损27.3%，即碳滑板万公里磨耗降低27.3%，寿命相应延长。
自动控制弓网间接触力。1号线受电弓由电机控制弹簧，通过弹簧实现升降弓功能，接触压力范围60-110N，运行过程中无针对接触压力的主动控制系统。在电车运行中随着弓网间接触力的增大，受电弓碳滑板磨损呈现先减小后增大的变化趋势，存在最佳接触力，此接触力下的碳滑板磨耗达到最小。1号线沿线接触网导高变化，受电弓通过弹簧调节接触力，无法始终保持在最佳接触力的合理区间，因此磨耗较大。如法维莱CX-PG型高速受电弓采用先导主动控制技术，以列车速度和受电弓位置参数为依据，通过电空集成的控制模块对受电弓气囊压力进行主动控制，进而间接的控制受电弓与接触网之间的接触压力。[3]目前自动控制系统主要应用在350km/h等高速铁路，有轨电车实际情况与之不同，但可考虑引入开发类似系统，降低磨耗的同时提高取流质量。
合理选择滑板材质。滑板与接触线材质的匹配是减少滑板磨损的有效途径。1号线接触线型号为铜银合金CTA150，受电弓滑板材料须与铜银合金接触导线相匹配。常用的碳滑板有浸金属碳滑板与碳铜复合材料滑板，其与之匹配各有优缺点。浸金属碳滑板具有较好的电学性能，基本解决了碳滑板机械强度低的问题，耐磨性能大为提高，能根本解决导线磨耗过快的问题，但抗冲击力不足，易出现掉块，使用过程中需要整形，价格过高，维护成本高。碳铜复合材料滑板以镀铜石墨粉、铁粉、铬粉及钼铁合金中至少一种制成的硬质金属粉作为碳增强体，加以铜粉、锡粉组成的混合料经混合均匀压制成形，最后采用加压或常压的方式进行烧结而制成。碳粉表面依次进行化学镀、电镀铜的方法，使碳粉粒子具有良好的导电性，成本相应较低。[3]在保证安全的前提下，通过核算滑板全寿命周期的成本进行选择，可以减少运营成本。
3.2设备弓羊角磨损因素
城市有轨电车因其特殊性，转弯曲线半径小。道岔号越大尖轨越长，转弯弧度越小，允许通过的速度越高，道岔号越小则相反。一般列车经过300~500M曲线半径时，限速45KM/H，如12#道岔。在经过300M以下曲线半径或侧向通过9#道岔时限速25KM/H。而松江有轨电车多使用3#，4#道岔，曲线半径不足50米。
在路口转弯的线岔，在设计时接触网导高为5800mm，落锚高度6200mm，渡线转弯直接落锚段，并没有给渡线有缓和的距离，并且曲线转角大均为单拉软定位，所有转弯处接触线导高根本无法降低，约为6000mm。无法把接触网参数调整到标准状态。
因曲线半径小，道岔转角大，相对于的线岔张开角度也变大，让始触区范围变的很小。使得受电弓通过时羊角始触点直接碰刮接触线。
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受电弓羊角为铸铝件，接触线为铜银合金;在满足机车受电弓取流情况下受电弓抬升量越大，过线岔时对羊角的机械磨损也越严重。松江有轨电车受电弓抬升力为90N正负，可调范围为70—110。通过降低列车过弯速度，卸载渡线补偿张力，抬高部分正线接触网导高，更换T型定位器，等手段尽可能使线岔参数满足安全状态，减少对受电弓羊角的磨损。如能将列车受电弓抬升力进行合理降低受电弓羊角磨损也会有很好的改善。最有效的方法还在更改施工设计起落锚位置。
4结束语
随着各地有轨电车运营时间及新开线路增多，有轨电车弓网耦合问题会逐渐显现，有可能还会产生其他弓网耦合问题。苏州有轨电车1号线弓网耦合问题通过及时对受电弓碳滑板进行打磨处理，松江有轨电车通过调整线岔规格及参数基本消除了运营安全隐患，松江有轨电车通过调整线岔，接触网锚段张力等多种措施基本解决了受电弓异常磨损问题，但更为有效的解决方式应该在前期设计阶段处置。在前期充分考虑各种因素，合理选择受电弓、滑板、接触网导线及拉出值等设备的技术标准，从根源上解决问题。针对碳滑板磨耗较大的情况，建议在新线建设时适当增加接触网拉出值以减小碳滑板磨耗率。受电弓主动控制系统及滑板材料改进是弓网系统设备发展的重点方向，需持续关注相关技术的发展和行业的动态，适时引入以降低碳滑板磨耗率，降低运营成本。
参考文献
[1]侯明,孙乐民,李爱娜.电力机车受电弓滑板的现状[J].粉末冶金技术,2006,24(3):223-226.
[2]雄俊杰,改善受电弓碳滑板不均匀磨耗的技术探讨.
[3]杜广林,刘克思,张哲.降低高速受电弓碳滑板磨耗的技术对策[J].中国铁路,2015(2):38-41.
论文作者:张灿明
论文发表刊物:《基层建设》2019年第30期
论文发表时间:2020/3/16
标签：滑板论文; 磨损论文; 磨耗论文; 拉出论文; 导线论文; 羊角论文; 有轨电车论文; 《基层建设》2019年第30期论文;