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[摘 要]随着我国经济持续快速發展，城市轨道交通发展也越来越迅速，城市轨道交通的发展也刺激了刚性接触网的发展，使其在城市交通轨道牵引系统的应用越来越广泛。电力机车的弓网系统通常给其提供能量来源，并能保证列车能够不间断地、安全地运行，这方面对人们无疑十分重要，但在列车实际运营过程中，接触网的各种失效现象还时有发生，对弓网系统之间的正常取流带来不利影响；并且由于刚性接触网定位点的刚度较大，使刚性接触网整体呈现出刚性小、弹性小的现象，造成其运营过程中出现了损耗严重等诸多问题。
[关键词]受电弓；碳滑板；磨耗异常；优化分析
中图分类号：U225.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）35-0374-02
1.前言
在我国，率先使用架空刚性悬挂接触网所建成的地铁线路是广州市地铁二号线，经过列车的长时间运行，充分说明了架空刚性悬挂接触网的优良性能。但是，随着地铁的运行时间逐渐增长，在使用过程中也出现了一些问题，这些问题突出表现在中间接头的螺纹具有一定的滑牙现象，而且现象比较严重，此外，还出现了接触线非正常磨耗的情況，以及绝缘子也出现了一定的偏差。虽然我们知道碳滑板具有不均匀磨耗的情况，而且这种情况是从地铁一开始运行就会出现的，而且在运行过程中这个问题也会一直加重，一般来说，碳滑板在出现磨耗情况之后会在受电弓两个位置各出现四个比较深的凹槽，而且凹槽的深度还会随着运行时间的增长不断扩大。
2.碳滑板磨耗现象
2.1 碳滑板磨耗特点
一般来说，一旦地铁投入到使用，碳滑板都会出现不均匀磨耗的情况。碳滑板的位置一般是放置在距离中心点200mm左右的位置，两个碳滑板都会出现一个深凹槽，而且其凹凸表面的高度差是比较大的，具体情况如图一所示。按照车辆《维修手册》要求，碳滑板凹凸表面高低差参数超过5mm即应进行更换，根据对实际在运行的地铁进行统计，碳滑板由于高度差过大而不得不进行更换的比例能够占到所使用的碳滑板的总量的五分之四以上。之所以碳滑板在使用过程中会出现不均匀的情况，其主要的原因是圆弧不够平滑，从而使得弓网的接触不是很好，尤其在列车打火以及拉弧的时候表现的尤为明显，并且会因为碳滑板的磨耗情况，减少其使用寿命。
2.2 接触线拉弧烧损
跨距设计的不合理，小曲线半径刚性定位线夹选择的不合理都会导致汇流排卡滞变形和接触线脱槽，道岔和锚段关节不平滑、受电弓过分段等会导致接触线拉弧烧损。具体分析如下：
要使得受电弓具有良好的使用效果，其必要条件是使得悬挂刚体的连续不平衡的程度越小越好。而能够决定刚体的不平衡程度的主要因素是刚体的刚度以及挠度。如果悬挂刚体的类型是汇流排定型，如果单纯的增大其跨距会使得挠度也随之增加，不利于其良好受流。受电弓无离线取流（离线拉弧的基本条件也是刚性悬挂允许的连续不平滑程度。所以根据运行经验和理论计算，悬挂跨距越大，悬挂点与该跨中的正驰度也将越大，同时增大了碳滑板的异常磨耗程度和拉弧，跨距最大值一般不超过10m，建议采用8m的标准跨距。
现在国内经常使用的刚性接触网定位夹一般包括FF公司技术国内生产的定位线夹本体、中铁电气化局宝鸡器材厂研发的定位线夹本体和其对应的连接螺栓就可以360°旋转的定位线夹。若在小曲线半径处采用不能360度旋转的刚性定位线夹，则会因汇流排热胀冷缩而长期受力卡滞以及在受电弓水平矢量冲击等因素的共同影响下，极其容易造成汇流排变形。汇流排变形导致弓网接触不平滑、硬点打弓离线拉弧，并在安装刚性接触网的过程中也存在硬弯接触线的情况。国内有些新厂家生产的汇流排的膨胀因子与接触线膨胀因子由于不匹配及汇流排钳口夹紧力不合格的原因，列车运行过程中汇流排受到热胀冷缩的影响造成接触线脱槽；隧道有时存在漏水情况，其下方汇流排在未安装汇流排防护罩的情况下会导致水垢的产生，随着开通运营汇流排流速的增大及接触线拉弧烧损加快，汇流排钳口有异物，或者是接触线在汇流排钳口内安装不到位等，这些原因都会导致接触线与汇流排衔接处发生拉弧。
3.不均匀磨耗的原因
下面，我们来分析一下碳滑板不均匀磨耗产生的原因，主要有以下几点：
①正线接触网“之”字形布局异常；
②受电弓结构问题；
③碳滑板材料、工艺及电气参数匹配等问题
3.1 接触网“之”字布局异常
通过对正在运行的地铁进行实际考察，我们可以发现接触刚性碳滑板的“之”字布局是存在异常情况的，具体如图2所示。
从检测报告看出，上图呈波纹状，不符合正态分布的要求，接触网“之”形曲线波峰位置一般在和碳滑板相接触比较多的地方，而波谷的位置一般在与碳滑板接触较少的地方，这种现象就导致了接触网只能够和碳滑板一部分区域发生接触滑动，而在其他位置不会出现接触滑动。
我们通过对比碳滑板的磨耗表面凹槽，发现情况基本是吻合的。因此，我们可以得出碳滑板的不均匀磨耗和“之”字形布置的不均匀性是有直接联系的，也就是说，接触网“之”字形分布密度曲线的不平滑直接导致了碳滑板磨耗的不均匀，曲线上易形成凹槽的区段是碳滑板与接触网接触时间较长的位置，接触时间短的位置则易形成凸块儿。
3.2 刚性接触网抬升值低
一般来说，车辆受电弓的升弓应该存在的范围应该是120N，其范围波动最大不能够超过10N，但是，由于正线接触网的材料是刚性材料，所能够抬升的范围比较小，因此这就会造成比较大的物理磨耗。人们为求证导致碳滑板磨耗过快的原因是否由接触网抬升值低而引起的，将其受电弓保持力调整为75N，并进行运行跟踪测试，试验结果表明，碳滑板磨耗率反而变大。因此，刚性接触网抬升值低而造成的物理磨耗并不是列车受电弓碳滑板异常磨耗的主要原因。
3.3 碳滑板材料及电气参数匹配
碳滑板的材料、工艺和电气参数匹配存在着直接关系，从国外购买的碳滑板和我国自主生产的碳滑板的参数也是存在一定差距的。国产碳滑CY280含铜量较少，故电阻率高、电流承载低，导致电腐蚀非常严重，试样检测表明其硬度也明显低于进口碳滑板，目前Stemmann和Pantrac仍在使用过程中，此两滑板磨耗速度基本相同。由此可见，选择合适的材料及合适的电气参数的碳滑板严重影响碳滑板的使用寿命。
4.优化措施
综合以上的分析和试验，需从以下几点进行改进：
（1）保证正线接触网“之”字布局分布密度的均匀性，使接触网相对于碳滑板中心点的偏移量呈正态分布；
（2）改进碳滑板材料和电气参数，使其满足实际使用要求。我们建议厂家选用热胀冷缩性良好的汇流排，在安装的过程中应该尽量使得汇排流的位置与定位线夹所结合的位置处于同一平面以内并且表面不能存在灰尘等杂质，其目的就是为了保证在使用过程中不会出现卡滞现象，此外，在安装结束之后，在定位的地方应该放置标签，防止因松动产生不在同一平面的卡滞。
（3）要加强清理工作，污染严重的区段可减少清理周期。环境恶劣区段采用硅橡胶绝缘子，其抗污性能极强，当然特殊区段绝缘体必须要重点清扫。对接触网线索的调整要考虑温度变化对其的影响。铁路附近出现的可能危害接触网供电安全的大小型建筑物等要及时联系处理，以确保列车在恶劣天气下对接触网能保持安全的距离，尤其加强对上跨建筑物上的清理工作。
结束语
随着近些年城市道路交通发展迅速，由于客流量的增加与弓网关系不断恶化，碳滑板的磨耗情况也越来越严重，无论是从成本考虑，还是其他方面，对弓网关系的调整都显得很有必要。在这篇文章中，我们主要介绍了刚性接触网碳滑板的异常磨耗现象并提出了相应的优化设计，希望对以后减少碳滑板的磨耗情况具有一定指导意义。
参考文献
[1] 刘国良.广州地铁二号线列车受电弓碳滑板异常磨耗分析[J].电力机车与城轨车辆，2012，31（2.）.
[关键词]受电弓；碳滑板；磨耗异常；优化分析
中图分类号：U225.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）35-0374-02
1.前言
在我国，率先使用架空刚性悬挂接触网所建成的地铁线路是广州市地铁二号线，经过列车的长时间运行，充分说明了架空刚性悬挂接触网的优良性能。但是，随着地铁的运行时间逐渐增长，在使用过程中也出现了一些问题，这些问题突出表现在中间接头的螺纹具有一定的滑牙现象，而且现象比较严重，此外，还出现了接触线非正常磨耗的情況，以及绝缘子也出现了一定的偏差。虽然我们知道碳滑板具有不均匀磨耗的情况，而且这种情况是从地铁一开始运行就会出现的，而且在运行过程中这个问题也会一直加重，一般来说，碳滑板在出现磨耗情况之后会在受电弓两个位置各出现四个比较深的凹槽，而且凹槽的深度还会随着运行时间的增长不断扩大。
2.碳滑板磨耗现象
2.1 碳滑板磨耗特点
一般来说，一旦地铁投入到使用，碳滑板都会出现不均匀磨耗的情况。碳滑板的位置一般是放置在距离中心点200mm左右的位置，两个碳滑板都会出现一个深凹槽，而且其凹凸表面的高度差是比较大的，具体情况如图一所示。按照车辆《维修手册》要求，碳滑板凹凸表面高低差参数超过5mm即应进行更换，根据对实际在运行的地铁进行统计，碳滑板由于高度差过大而不得不进行更换的比例能够占到所使用的碳滑板的总量的五分之四以上。之所以碳滑板在使用过程中会出现不均匀的情况，其主要的原因是圆弧不够平滑，从而使得弓网的接触不是很好，尤其在列车打火以及拉弧的时候表现的尤为明显，并且会因为碳滑板的磨耗情况，减少其使用寿命。
2.2 接触线拉弧烧损
跨距设计的不合理，小曲线半径刚性定位线夹选择的不合理都会导致汇流排卡滞变形和接触线脱槽，道岔和锚段关节不平滑、受电弓过分段等会导致接触线拉弧烧损。具体分析如下：
要使得受电弓具有良好的使用效果，其必要条件是使得悬挂刚体的连续不平衡的程度越小越好。而能够决定刚体的不平衡程度的主要因素是刚体的刚度以及挠度。如果悬挂刚体的类型是汇流排定型，如果单纯的增大其跨距会使得挠度也随之增加，不利于其良好受流。受电弓无离线取流（离线拉弧的基本条件也是刚性悬挂允许的连续不平滑程度。所以根据运行经验和理论计算，悬挂跨距越大，悬挂点与该跨中的正驰度也将越大，同时增大了碳滑板的异常磨耗程度和拉弧，跨距最大值一般不超过10m，建议采用8m的标准跨距。
现在国内经常使用的刚性接触网定位夹一般包括FF公司技术国内生产的定位线夹本体、中铁电气化局宝鸡器材厂研发的定位线夹本体和其对应的连接螺栓就可以360°旋转的定位线夹。若在小曲线半径处采用不能360度旋转的刚性定位线夹，则会因汇流排热胀冷缩而长期受力卡滞以及在受电弓水平矢量冲击等因素的共同影响下，极其容易造成汇流排变形。汇流排变形导致弓网接触不平滑、硬点打弓离线拉弧，并在安装刚性接触网的过程中也存在硬弯接触线的情况。国内有些新厂家生产的汇流排的膨胀因子与接触线膨胀因子由于不匹配及汇流排钳口夹紧力不合格的原因，列车运行过程中汇流排受到热胀冷缩的影响造成接触线脱槽；隧道有时存在漏水情况，其下方汇流排在未安装汇流排防护罩的情况下会导致水垢的产生，随着开通运营汇流排流速的增大及接触线拉弧烧损加快，汇流排钳口有异物，或者是接触线在汇流排钳口内安装不到位等，这些原因都会导致接触线与汇流排衔接处发生拉弧。
3.不均匀磨耗的原因
下面，我们来分析一下碳滑板不均匀磨耗产生的原因，主要有以下几点：
①正线接触网“之”字形布局异常；
②受电弓结构问题；
③碳滑板材料、工艺及电气参数匹配等问题
3.1 接触网“之”字布局异常
通过对正在运行的地铁进行实际考察，我们可以发现接触刚性碳滑板的“之”字布局是存在异常情况的，具体如图2所示。
从检测报告看出，上图呈波纹状，不符合正态分布的要求，接触网“之”形曲线波峰位置一般在和碳滑板相接触比较多的地方，而波谷的位置一般在与碳滑板接触较少的地方，这种现象就导致了接触网只能够和碳滑板一部分区域发生接触滑动，而在其他位置不会出现接触滑动。
我们通过对比碳滑板的磨耗表面凹槽，发现情况基本是吻合的。因此，我们可以得出碳滑板的不均匀磨耗和“之”字形布置的不均匀性是有直接联系的，也就是说，接触网“之”字形分布密度曲线的不平滑直接导致了碳滑板磨耗的不均匀，曲线上易形成凹槽的区段是碳滑板与接触网接触时间较长的位置，接触时间短的位置则易形成凸块儿。
3.2 刚性接触网抬升值低
一般来说，车辆受电弓的升弓应该存在的范围应该是120N，其范围波动最大不能够超过10N，但是，由于正线接触网的材料是刚性材料，所能够抬升的范围比较小，因此这就会造成比较大的物理磨耗。人们为求证导致碳滑板磨耗过快的原因是否由接触网抬升值低而引起的，将其受电弓保持力调整为75N，并进行运行跟踪测试，试验结果表明，碳滑板磨耗率反而变大。因此，刚性接触网抬升值低而造成的物理磨耗并不是列车受电弓碳滑板异常磨耗的主要原因。
3.3 碳滑板材料及电气参数匹配
碳滑板的材料、工艺和电气参数匹配存在着直接关系，从国外购买的碳滑板和我国自主生产的碳滑板的参数也是存在一定差距的。国产碳滑CY280含铜量较少，故电阻率高、电流承载低，导致电腐蚀非常严重，试样检测表明其硬度也明显低于进口碳滑板，目前Stemmann和Pantrac仍在使用过程中，此两滑板磨耗速度基本相同。由此可见，选择合适的材料及合适的电气参数的碳滑板严重影响碳滑板的使用寿命。
4.优化措施
综合以上的分析和试验，需从以下几点进行改进：
（1）保证正线接触网“之”字布局分布密度的均匀性，使接触网相对于碳滑板中心点的偏移量呈正态分布；
（2）改进碳滑板材料和电气参数，使其满足实际使用要求。我们建议厂家选用热胀冷缩性良好的汇流排，在安装的过程中应该尽量使得汇排流的位置与定位线夹所结合的位置处于同一平面以内并且表面不能存在灰尘等杂质，其目的就是为了保证在使用过程中不会出现卡滞现象，此外，在安装结束之后，在定位的地方应该放置标签，防止因松动产生不在同一平面的卡滞。
（3）要加强清理工作，污染严重的区段可减少清理周期。环境恶劣区段采用硅橡胶绝缘子，其抗污性能极强，当然特殊区段绝缘体必须要重点清扫。对接触网线索的调整要考虑温度变化对其的影响。铁路附近出现的可能危害接触网供电安全的大小型建筑物等要及时联系处理，以确保列车在恶劣天气下对接触网能保持安全的距离，尤其加强对上跨建筑物上的清理工作。
结束语
随着近些年城市道路交通发展迅速，由于客流量的增加与弓网关系不断恶化，碳滑板的磨耗情况也越来越严重，无论是从成本考虑，还是其他方面，对弓网关系的调整都显得很有必要。在这篇文章中，我们主要介绍了刚性接触网碳滑板的异常磨耗现象并提出了相应的优化设计，希望对以后减少碳滑板的磨耗情况具有一定指导意义。
参考文献
[1] 刘国良.广州地铁二号线列车受电弓碳滑板异常磨耗分析[J].电力机车与城轨车辆，2012，31（2.）.