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弓网异常磨耗分析及优化方案研究

发表时间：2020/11/11 来源：《基层建设》2020年第21期作者：罗永俊

[导读] 摘要：长沙地铁2号线一期工程北起望城坡，南至光达站，全长21.926km，2014年4月正式开通试运营。

        长沙地铁运营有限公司湖南长沙 41000
        摘要：长沙地铁2号线一期工程北起望城坡，南至光达站，全长21.926km，2014年4月正式开通试运营。一期工程投入运营4年以来，在运营中暴露出一些问题，刚性接触网接触导线异常磨耗严重就是其中之一，2017年已先后对一期工程的Y102、Y46、Y44、Z30、Z83、Z100等10余个锚段进行了导线换线作业。有鉴于存在的问题，笔者对一期工程中出现的异常磨耗特征进行了归纳总结并分析了原因，提出了整改措施建议，希望能对后续线路在设计和磨耗管理中起到一定的参考意义。
        关键词：刚性接触网；受电弓；异常磨耗；接触线；弓网关系
        1 弓网异常磨耗的表现形式
        1.1 长沙地铁1号线、2号线接触网运营情况
        通过对长沙地铁1号线、2号线运营以来至2018年4月来，统计异常磨耗锚段接触线数据如下表1，整体数据来看2号线出现异常磨耗锚段的比例比1号线高出19.3%。
        1.2 1号线、2号线接触线磨耗位置特征情况
        通过对2号接触线异常磨耗位置、磨耗长度与线隧道特征对比，发现接触线存在磨耗不均匀的现象,主要集中在在列车加速区段、曲线区段、减振道床区段异,接触线磨耗较快,且工作面不光滑,有凹凸不平的现象和有电弧烧损的痕迹。
        1.3 接触线磨耗速率情况
        通过对已更换锚段接触线的磨耗速率变化情况的跟踪，发现接触线磨损从30%磨到50%大概只需6个月，而前期30%的磨损持续了30个月。即接触线出现局部磨耗严重时个别点或区段的接触线会很快被磨耗到接近汇流排。
        1.4 1号线、2号线碳滑板磨耗情况
        长沙1号线与2号线电客车采用同一种型号的受电弓，均为TSG18G1（碳滑板型号也一致），牵引电机及逆变器控制基本一致。但1号线碳滑板平均磨耗率约为0.545mm/万公里，而2号线碳滑板平均磨耗率约为2.466mm/万公里，2号线碳滑板的平均磨耗率远远高于1。且1号线碳滑板的工作面很平整，而2号线碳滑板磨耗后工作面的形状不规则、起伏不平，在碳滑板中心及距中心左右约250mm处有凹槽。
        2 弓网异常磨耗原因分析
        2.1 受电弓磨耗异常原因分析
        2.1.1 受电弓碳滑板表面磨耗凹凸不平原因分析

        接触网设置拉出值的目地就是为了减少受电弓的不均匀磨耗，拉出值设计一般原则为，悬挂点的拉出值除了关节悬挂点、极大值点和中心锚结等处已知外，其他悬挂点的拉出值需根据汇流排的布置形式，采用合适的拉出值算法计算得出。对1、2号线接触网拉出值的落点进行统计（见图表2），发现接触线偏移值的分布密度呈波纹状，并不服从正态分布。且图形的两边还很陡峭和处于波峰位置，这就说明，碳滑板的不同地方与接触线相接触磨擦的概率不是相同的，有的地方会大些，如图形中波峰对应的地方，这些地方的碳滑板被磨耗的机会就会大些，运行时间一长，此处的碳滑板就会出现凹槽现象，有些地方会小些，波谷对应的地方，这些地方的碳滑板被磨耗的机会就会小些，此处的碳滑板就会出现相对凸起的情况，也就是说，在接触线偏移值分布密度情况下，受电弓碳滑板被磨耗后的形状必定会出现凹凸不平形状。
        2.1.2 2号线碳滑板磨耗较1号线严重原因分析
        长沙地铁2号线拉出值采用正弦波形式设计，1号线拉出值采用折线值形式设计。两者区别如下：正弦波与折线形布置方式均会带来受电弓碳滑板不均匀磨耗的问题，究其原因主要是由正弦波的特性决定的，从零点开始，其斜率越来越小，在正弦曲线的波峰和波谷，即两侧最大拉出值处，拉出值变化率最小，而且连续跨距长。因此运行时间一长，列车受电弓碳滑板两侧最大拉出值处磨耗的几率较大，而且连续磨耗的时间越长，直接导致此处列车受电弓碳滑板磨损严重。而1号线采用的折线布置方式，即将一个锚段内汇流排基本成折线布置，折线间以圆弧相连，圆弧半径不小于汇流排最小人工弯曲半径。由于汇流排主要以直线形式出现，且与受电弓中心对称布置，因此可以说在此种布置方式下接触线拉出值在受电弓上的分布基本平均，每段碳滑板的机械磨耗基本相当。
        再将这两种布置方案的磨耗情况放在一起比较，可以直观明显看出拆线形布置拉出值的落点密度分布相对均匀，故1号线的碳滑板的磨耗情况相对好些，此种方案基本消除了碳滑板上的磨损凹槽，磨耗情况得到了很大的改善。
        2.2 接触线异常磨耗原因分析
        刚性接触悬挂接触线磨耗不均匀，且个别地方还有电弧烧损和波磨的现象，其主要原因是受电弓碳滑板工作面的凹凸不平造成的。受电弓碳滑板工作面凹凸不平的形状,会使运行中弓网间的接触压力发生变化，尤其是在隧道特征明显变化时，弓网间压力的变化会更大。弓网间接触压力变化大时，可能造成的后果是弓网间的火花会明显增多、增大，甚至会出现拉弧现象。尤其是在低电压、大电流的地铁牵引供电系统中，这种现象就更明显。通过对观看安装在2号线64B车的弓网监测装置视频资料，发现受电弓在通过出站加速区段时伴随着严重的燃弧现象。
        从原理上分析燃弧打火必须满足两个条件，一是存在空气间隙，二是要有一定的电压差。
        从弓网滑动接触运行的角度分析，出现弓网打火是受电弓与接触线接触不良，形成弓网间隙。而造成弓网间隙的原因一是隧道特征不良导致轮轨关系不佳，引起车辆震动，导致弓网接触压力变化引起弓网的跟随性变差，并产生振动间隙，接触网波磨现象也证明了弓网在接触过程中存在间隙）；二是碳滑板表面存在凹凸不平的现象，导致受电弓受拉出值布置的影响在横向移动过程中出现接触不良现象，导致形成弓网间隙。
        通过对2017年7月16日47-48电客车ATO模式运行在不同区间的牵引极位与牵引电流的研究分析，发现电客车在出站加速区段、变坡等区段的牵引取流增大，同时由于车辆震动引起弓网间隙，导致弓网电流传输路线减少，故形成弓网电压差，所以弓网滑动取流过程中出现弓网接触不良的现象是导致弓网燃弧的根本原因。
        3 解决方法
        3.1 新线设计时，合理布置接触线的偏移值，使其分布密度尽量均匀
        综合考虑整条线路接触线相对于受电弓中心的偏移值布置，使全线接触线相对于受电弓中心偏移值分布密度，基本服从正态分布规律。从上面的分析可知，无论是接触线的不均匀磨耗，还是受电弓碳滑板凹凸的形状，都是由于架空刚性悬挂接触线相对于受电弓中心偏移值的分布不合理、不科学造成的。要从根本上解决此问题，在接触网设计时，要对整条线的接触线相对于受电弓中心的偏移值进行综合考虑，使整条线接触线相对于受电弓中心的偏移值分布密度服从正态分布规律，或基本服从正态分布规律。只有这样，运行中受电弓碳滑板被磨耗后的形状才能达到理想的形状。
        3.2 对于既有线路重新调整接触线的偏移值，使其分布密度服从正态分布规律
        对于既有线路,最有效的解决办法是，重新调整接触线相对于受电弓中心的偏移值，使其分布密度服从正态分布规律，或基本服从正态分布规律，但由于各种原因，接触线偏移值的调整很困难的话，可以采取以下临时措施。
        （1）加强受电弓的检查，当碳滑板凹凸超过2～3mm时，对碳滑板进行打磨，使其工作面平滑。
        （2）部分调整碳滑板凹槽较深处所对应点接触悬线的偏移值，减少此处碳滑板被磨耗的概率，使碳滑板尽可能地受到均匀的磨耗。
        （3）加强接触网的巡视检查，发现接触线被磨耗得非常严重时，进行局部或整个锚段更换接触线。
        参考文献
        [1]谭冬华.架空刚性接触悬挂弓网磨耗异常的原因分析与解决办法[J].电气化铁道，2007.
        [2]曾纯昌.刚性悬挂拉出值布置对受流质量的影响.都市块轨交通,2013,2(2).
        [3]喻展.刚性接触网磨耗分析广州都市快轨交通,2009.10.