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电力机车冻雨天气受电弓滑板磨损异常的分析

发表时间：2020/10/16 来源：《基层建设》2020年第19期作者：于百齐

[导读] 摘要：通过对近期的典型案例分析，结合朔黄铁路线路特点和沿线地区气候特点，对神华号电力机车在冻雨天气发生时，造成的受电弓滑板损坏进而导致的机故现象，提出如：近期的联合预警和部分设备改造方案、中期的机车改造方案及远期的无接触式供电的设想。

        朔黄铁路发展有限责任公司机辆分公司河北省沧州 062530
        摘要：通过对近期的典型案例分析，结合朔黄铁路线路特点和沿线地区气候特点，对神华号电力机车在冻雨天气发生时，造成的受电弓滑板损坏进而导致的机故现象，提出如：近期的联合预警和部分设备改造方案、中期的机车改造方案及远期的无接触式供电的设想。旨在减少或避免因天气情况对列车安全运行带来的隐患，从而减少设备损耗和列车途停事故的发生，保障朔黄铁路运输大动脉的安全畅通。
        关键词：神华号机车；冻雨；受电弓；滑板
        绪论
        电力机车运行中所需电能是由受电弓滑板与接触网导线通过滑动接触的方式进行受流的。在北方秋冬、初春时节，冻雨天气时有发生。冻雨天气使接触网导线存在冰溜和冰层附着，会造成受电弓滑板与接触网导线接触不良，导致拉弧严重、磨耗加剧，甚至造成受电弓滑板到限进而引起机车自动降弓保护装置动作，导致非正常停车的事故发生。近年来随着神华号大功率机车的运用台数逐步增加，在冻雨天气发生时，神华号机车受电弓滑板磨损异常引起的机故途停现象愈发增多。针对近期冻雨天气造成的机故典型案例，并结合朔黄铁路地域、机车配属、运量等情况，在冻雨等其他不良天气发生时，对如何减少或避免神华号机车滑板磨损异常的季节性隐患进行分析探究，并提出其解决方案。
        一、电力机车冻雨天气受电弓滑板磨损异常影响因素
        （一）冻雨天气机车滑板故障因素
        2020年2月14日朔黄线肃宁北至黄骅港间雨夹雪天气，局部地区伴有大风。在当天发生了3列万吨列车自动降弓装置动作造成的区间停车事故，机车均为神华号电力机车。现将具体情况分析如下：
        1.机车自动降弓停车请求救援故障
        2020年02月14日，19908次8013机车（操纵节A节），担当肃宁北至黄骅南间列车牵引任务，总重10500吨，辆数105辆，计长115.5。14时06分54秒肃宁北站开车，16时43分16秒运行到李天木至黄骅南间527.604km处，速度33km/h，机车后弓发生自动降弓，4秒后减压70kPa（满压590kPa），16时44分21秒停于527.982km处，停车后指派副司机下车检查受电弓外观和机后一位接触网无异常，汇报车站、信息台，信息台指示升前弓运行，16时51分49秒开车，区间停车07分28秒；
        17时06分09秒运行到530.129km处，速度38km/h，机车前弓发生自动降弓，3秒后减压80kPa，17时07分36秒停于530.754km处，停车后指派副司机下车检查受电弓外观和机后一位接触网无异常，汇报车站、信息台，信息台指示重新升前弓运行，17时22分35秒开车，区间停车14分59秒；
        17时27分05秒运行到531.903km处，速度27km/h，机车前弓再次发生自动降弓，5秒后减压70kPa，17时28分02秒停于532.174km处，停车后指派副司机下车检查受电弓外观和机后一位接触网无异常，汇报车站、信息台，信息台指示进行大复位处理，处理完毕升后弓继续运行，17时45分34秒开车，区间停车17分32秒；
        17时51分32秒运行至533.371km处，机车后弓再次发生自动降弓，3秒后机车自动减压90kPa，17时52分28秒停于533.636km（即距黄骅南二接近1014m）处，停车后指派副司机下车检查受电弓外观和机后一位接触网无异常，汇报车站、信息台，信息台指示司机立即请求救援，后由京局7043机车从列车前部担当救援，列车于19时04分49秒区间开车，区间停车01小时12分21秒。
        2.机车自动降弓停车故障
        2020年2月14日，28262次主控8002机车（操纵节A节），从控7174机车（操纵节B节）。担当肃宁北至黄骅港间牵引任务，总重21130吨、辆数214、计长235.4。14时21分33秒肃宁北站开车，19时31分42秒运行到李天木至黄骅南区间534.701km处速度40km/h时，牵引状态下机车ADD保护降弓，19时31分47秒司机常用减压90kpa，列车于19时32分57秒停于535.275km处，停车后副司机检查受电弓可见部分无异常，制动机解锁后换升前弓并汇报车站、信息台，19时49分47秒发车，区间共停车16分50秒。
        3.机车自动降弓停车故障
        2020年02月14日，28112次主控8017机车（操纵节B节），，从控7169机车（操纵节A节），担当肃宁北至黄骅港间牵引任务，总重21600吨、辆数216、计长237.6。肃宁北站14时50分25秒发车，20时02分58秒运行到李天木至黄骅南间531.578km处速度26km/h，主控机车自动降弓，20时03分02秒减压80kPa，20时04分03秒停于531.900km处，汇报信息台、车站，指派副司机向后检查受电弓未发现异常换弓运行，20时25分07秒区间开车，区间停车21分03秒。20时30分58秒运行至533.796km处，从控机车自动降弓，立即通知主控司机，主控司机减压80kpa（满压600kpa），20时31分54秒停于534.313km处，从控副司机检查受电弓未发现异常，汇报车站、信息台指示换弓运行，20时59分18秒开车，区间停车27分24秒。
        （二）天气情况相关故障因素
        根据中央气象台预报，2020年2月14日至15日，中东部地区将有大范围雨雪天气。东北地区中南部、西北地区东南部、华北、黄淮至江南北部等地的部分地区将出现雨或雨夹雪转雪天气，其中华北中东部、东北地区中南部、江汉大部、江淮西部、黄淮东部等地有中到大雪，局地暴雪。其中，2月14日08时至15日08时，内蒙古东南部、河北东部、北京东部、天津、山东北部、辽宁东部和西南部、吉林东南部等地的部分地区有大雪，其中，河北东北部、辽宁东部、山东北部等局地有暴雪（10～16毫米）（见图1）；上述地区新增积雪深度一般有4～6厘米，局地可达10～16厘米。局部降温8℃。（图1）

        图1 全国强降雪落区预报图
        （三）发生地点故障因素
        以上3起典型案例均发生在上行线李天木至黄骅南区间527.604km-535.275km如图2 所示。

        图2 李天木至黄骅南区间分布图
        该段线路特点：
        1.该区段处于平原地带，属于高路基线路，共有2个半径1500m的曲线和1个半径2000m的曲线，最大坡道4‰。
        2.该地区线路周边无高大建筑物和城市遮挡，线路周围鱼塘、水池较多。
        通过以上分析说明该区间因湿度较大，在雨雪天气容易出现接触网结冰；如大风天气，该区间属于无障碍开阔地，且为高路基线路，接触网导线摆动量和列车运行受大风影响较大。
        （四）机车质量相关影响因素
        2020年2月14日前1个月时间内4台发生自动降弓装置动作的机车临碎修记录进行分析如下：
        1.神华号8013机车
        2020年1月13日至2020年2月13日，神华号8013机车共提票处理临碎修16条，其中涉及受电弓及滑板相关记录2条，分别是2020年2月9日和13日，提票内容均为B节滑板偏磨，处理情况为调整偏磨。
        2.神华号8002机车
        神华号2020年1月13日至2020年2月13日，神华号8002机车共提票处理临碎修1条，其中无涉及受电弓及滑板相关记录。
        3.神华号8017机车
        2020年1月13日至2020年2月13日，神华号8017机车共提票处理临碎修12条，其中无涉及受电弓及滑板相关记录。
        4.神华号7169机车
        2020年1月13日至2020年2月13日，神华号7169机车共提票处理临碎修9条，其中涉及受电弓及滑板相关记录2条，分别是2020年1月27日B节滑板到限，处理情况为检查未到限；2020年1月20日B节滑板到限，处理情况为更换滑板。
        通过以上4台机车受电弓滑板的临碎修记录分析发现，以上4台机车在2月14日前受电弓滑板使用时间最短的26天，最长1个月没有进行过更换，换滑板均为正常使用中的滑板。
        （五）机车滑板故障影响因素
        1.013机车（原HXD17173机车），库内检查机车AB节受电弓滑板均存在漏风现象，查看滑板均有烧痕以及裂纹如图3、4所示。库内升弓试验，两节车均出现ADD报警以及自动降弓现象。更换两节受电弓滑板测量升弓拉力70N，试验正常。对故障滑板进行气密性试验，均出现密封不良的现象。

        （图3）                           （图4）
        2.8002机车B节滑板检查有拉弧现象，滑板有裂纹，试验滑板漏风（司机室侧）如图5/6所示。

        （图5）                             （图6）
        （三）主车8017从车7169。处理情况：主车8017，下载数据分析为A节ADD自动降弓，检查滑板拉弧，有裂纹，试验滑板有漏风，更换滑板。从控7169机车检查B节滑板裂、漏风，ADD动作受电弓自降，更换滑板，测升弓压力70N，试验良好，检查A节滑板有烧损现象，更换滑板，如图7、8所示。

        （图7）                           （图8）
        （六）神华号机车受电弓滑板故障处理情况
        结合神华号8013、8002、8017、7169机车发生故障的时间，对机车故障后入段处理的检查情况和处理情况如下表2所示：
        表2 机车故障入段处理数据表

        通过以上检查情况发现，途中发生自动降弓动作的受电弓滑板均有拉弧、裂纹、漏风现象，另一台受电弓虽未发生自动降弓动作，但也有滑板烧损现象，库内均对4台机车的8个受电弓滑板进行了更换。
        综合故障现象与机车检查情况分析，运行中由于雨雪天气拉弧严重，机车受电弓滑板拉弧受损漏风，导致机车触发ADD降弓动作停车。机车入库检查滑板有拉弧、有裂纹、漏风自降，更换滑板试验正常。结合其他相同现象原因导致的自动降弓情况，判断由于在雨雪天气、低温环境下，接触网上会产生冰瘤，机车在运行中受电弓与接触网不能密切接触，同时受到接触网上冻结的冰块撞击，导致受电弓滑板与接触网产生严重拉弧，滑板条在外界撞击和拉弧的情况导致内部快降风管断裂破损，触发ADD自动降弓动作停车。
        二、神华号机车雨雪天气滑板磨损异常优化措施
        为减少、避免神华号机车在雨雪天气滑板磨损异常，结合朔黄铁路线路、设备、自然条件等情况，从近期到未来的几种解决方案进行探究。主要目的是减少设备损耗和途停，确保重载运输大动脉的安全畅通，保障国家能源运输效率的稳步增长。
        当前的解决方案是充分利用现有受电弓（图9）设备，进行小范围升级改造，从而实现减少或避免雨雪天气造成神华号机车受电弓滑板接触不良而造成的机故途停。其中分为受电弓滑板改造方案、小范围改造方案和双源机车改造方案。

        图9 受电弓设备布局图
        （一）建立联合预警机制
        利用现有数据平台，结合天气预报信息，建立神池南折返段、肃宁北、黄骅港折返段三地联合预警机制，提前24小时对机车受电弓滑板进行预防性检查或更换。根据不同天气对受电弓滑板造成的影响分类建立响应机制，保证机车受电弓滑板在不同天气下的性能良好。具体建议如下：
        表3 电弓滑板影响机制表

        （二）受电弓滑板改造
        1.受电弓滑板型号变更
        当前朔黄铁路管内神华号（HXD1型）交流机车使用的受电弓型号全部是TSG15B型，2月14日因冻雨天气发生自动降弓的3起途停均为神华号（HXD1型）交流机车。而当前SS4B机车使用的受电弓型号是CED180和TSG15G受电弓，经过与维修人员调研发现，TSG15G受电弓除较为稳定外，其弓角加装了限位阀，安全性能更为全面，所以建议神华号（HXD1型）受电弓全部统一更换成TSG15G受电弓。此种方案简单、易行、成本低，且配件的互换性强，能避免各地复杂的配件型号备料。
        2.受电弓滑板滑条厚度增加
        通过增加现有受电弓滑板滑条厚度的方式，增加其使用寿命，延长拉弧造成的电腐蚀，从而减少自动降弓装置动作的发生。增加受电弓滑板条的厚度并不是越厚越好，因机车运行中的横向晃动和接触网导线的之字定位方式，造成受电弓滑板在一定范围内磨损，如受电弓滑板滑条过厚，日常运行中磨损会使长期磨损部分与受电弓弓脚处形成较大落差，进而引发受电弓刮弓或滑板弹跳的次生故障。
        建议厚度增加5mm，达到45mm。
        3.受电弓滑板滑条材质增强
        当前受电弓滑板条主要是石墨条滑板，较纯碳滑板其导电性、耐磨性均有所提升。后续可探索石墨和其他金属的复合材料，提升自身耐磨性的同时，增加受流能力。
        （三）改造主断路器闭合程序
        因冻雨天气接触网导线存在冰溜和冰层附着，一方面造成机车受电弓滑板与接触网导线接触不良引起拉弧，另一方面因冲击力增大，使受电弓滑板滑条冲击震动增大，引起受电弓滑板滑条断裂。
        结合机车高压电器设备布置情况，利用机车主电路、控制电路逻辑关系，通过改变机车主断路器开断控制程序的方式，实现隔离运行方向前侧受电弓高压部分的方式，在拉弧严重的情况下机车升双弓运行，前受电弓担当打冰、清除异物功能。同时还能在大风天气起到对接触网导线的稳定作用。
        具体的改造方案如下：
        如图10所示，在正常模式下两节机车中至少要有1节机车的高压隔离开关处于断开位置。此时，接触网电流通过受电弓，经真空主断路器，通过机车牵引变压器原边绕组的高压端子给机车供电，再由机车的牵引变压器原边低压端子经接地碳刷、轮对、钢轨，返回变电所。在此模式下，两节机车的真空断路器分别控制各自机车的供电。

        图10 高压隔离开关处于断开位置布局图
        改造后的方案（图11）为升双弓后两节高压隔离开关均处于闭合状态，运行方向对应的前节主断路器断开，隔离前节受电弓，使其不再向机车受流，充当机械打冰的作用。

        图11升双弓后两节高压隔离开关闭合图
        此种改造方案只需对机车控制电路逻辑关系进行改造即可，成本较低，且可根据不同地点的线路天气情况，由乘务员进行灵活操作，操作简单、安全、便捷。另一方面，因神华号机车的高压部分采取内部互通式，只需闭合一节主断路器即可实现全车的高压互通，所以，此种方案下能保证机车动力不受损失。
        当前电动汽车已经开始大众化，对于电能的运用与储存的方式也取得了很大的进步，近期华为5G时代智能驾驶的电动汽车采用石墨烯电池储存方式，其特点为充电时间短，续航里程长。随着新能源的继续开发与运用，在中期可以采取双源机车的改造方案。
        （四）双源机车改造
        双源机车在我国已经成功生产并使用，目前主要有“油—电”和“电—电”两种，“油—电”式（图12）即柴油机与动力电池作为机车动力源，“电—电”式即接触网与动力电池作为机车动力源，在厂矿及调车场运用较多。

        图12双源机车“油—电”式改造图
        朔黄铁路神华号八轴电力机车在原有A、B节之间加装C节，改造为神华号十二轴电力机车，使机车功率提升4800KW。C节机车车顶未设受电弓，车体内部设备较少。中期随着电力储存方式的不断发展，可考虑在神华号十二轴机车上增加超级调动、动力电池、石墨烯电池等方式进行储能。因节能环保和机车车体布局的限制，“油—电”式动力不做考虑。
        当遇有复杂天气不适合机车升弓运行时，采取电池电能运行，当天气转好或电能不足时继续采取升弓运行。如复杂天气范围较大时可采取两种供电方式相互交替的方式进行，同样能大幅度的减少因受电弓滑板与接触网导线接触不良而造成的设备损坏或途停。
        解决冻雨及其他天气不良带来的机车受电弓滑板与接触网导线接触不良，造成的设备损坏或机故途停，在未来可参考无线受流的方案。目前手机无线充电已经普遍，汽车无线充电也已问世，其无线充电的方式均为感应式受流。
        （五）改变受流方式
        改变机车受流方式的解决方案主要是通过互感原理，使原接触网的交流电传递到电力机车上，机车车顶不在需要现在受电弓方式受流所需的高压设备。相应的接触网、机车内部逆变器等也需要进行改造，改造的成本较大。
        结合当前无线充电的方式和朔黄铁路线路情况，对改变受流方式有底部受流、侧方受流和车顶受流三种方案。
        底部受流即类似手机无线充电的方式，采取道心底部和机车走行部铺设感应线圈的方式。此种方案不能实现，一是对于铁路轴重大、高密度、列车长度长的运行性质而言，列车的冲击震动大，对设备损耗将更大。二是道床要进行定期维护，对底部受流方式对道床维护和用电安全均存在困难。三是机车受流距离限制，机车轮对、二系悬挂装置、牵引杆、牵引电机等均有标准的高度要求，而感应受流对两线圈间的距离要求较近。
        侧方受流即采取线路一侧和机车两侧安装互感线圈的方式，此种方案的弊端在于一是受机车横向晃动和装载超限货物的影响较大，容易发生剐碰。二是成本较大，双线铁路需在线路两侧和机车两侧安装感应线圈，以满足机车掉头运行和反方向行车的需求，所以此种方式也不需考虑。
        目前来看最优的受流方式是采取车顶受流的方式，即机车车顶和接触网安装互感线圈，此种方式的优点一是可以充分利用现有的接触网杆减少改造成本。二是用电安全能都得以保障。三是不受机车晃动的影响。
        改变受流方式的建议优点是避免了滑动摩擦造成接触，避免了车顶设备的磨耗和不良天气的设备故障或途停。当前面临的困难是感应式受流的效率较低，特别是大功率重载机车运行中的电流较大，受流效率要求较高。
        结论
        通过对近期3列典型自动降弓装置动作造成的区间停车案例进行分析，结合朔黄线线路情况和运输特点，对减少冻雨及其他不良天气时造成受电弓滑板与接触网导线接触不良引起的设备故障、途停的近期和中期方案进行探究。并根据行业外的相似技术进行大胆设想，对远期如何避免冻雨及其他不良天气时造成受电弓滑板与接触网导线接触不良引起的设备故障、途停方案进行思考。现阶段如不采取技术改造的方式，通过建立三地联合预警和更换受电弓滑板型号的方式进行保障，也可以根据运量情况，酌情对部分机车进行技术改造，验证相关技术改造方案的实际使用情况。远期随着科技的进一步发展，无接触式受流方式实现后将彻底消除冻雨及其他不良天气时造成受电弓滑板与接触网导线接触不良引起的设备故障、途停。
        参考文献：
        [1]丁涛.几种受电弓滑板/接触线材料载流摩擦磨损行为的比较[J].润滑与密封，2014，10（15）
        [2]杨红娟.振动对弓网电滑动摩擦磨损性能影响的试验研究[D].西南交通大学，2014.
        [3]胡艳.滑动速度对碳滑板载流摩擦磨损性能的影响[J].实验技术与管理，2020，02（06）
        作者简介：
        于百齐（1988.07.30），性别：男，民族：汉，籍贯：河北省唐山市单位：朔黄铁路发展有限责任公司机辆分公司，学历：本科，职称：助理工程师。