地铁碳滑板磨耗分析及解决措施

地铁碳滑板磨耗分析及解决措施

李德禄

西安中铁轨道交通有限公司， 陕西 西安 710038

摘要：近年来，我国社会不断进步，地铁作为发展成熟的公共交通工具已经融入到人们的日常生活里，而随着地铁列车大量投入运营，近年来我国地铁刚性弓网系统出现了严重的接触线和受电弓滑板磨耗问题，地铁线路的弓网异常磨耗不仅加重了地铁系统运维成本，严重时甚至危及列车的安全运行。因此研究弓网载流摩擦磨损，对于探究弓网异常磨损的机制，提高弓网受流质量，保证地铁列车运行安全，节约运营维护成本至关重要。

关键词：地铁碳滑板；磨耗分析；解决措施

引言

随着我国铁路行业的不断发展，弓网系统所能承受的载流量不断增加，有效的浸金属碳滑板电接触能够保证电流的稳定传输和可靠的信号传输，对于设备的性能和可靠性至关重要。然而环境因素对浸金属碳滑板磨损产生重要的影响，例如刚性接触网中受电弓滑板磨损速度快，形变处会对接触网造成冲击，产生拉弧、大离线、啃蚀接触线等诸多危害，严重时还会造成弓网事故，因此滑板磨耗严重时需要及时更换。

1实验设计

1.1摩擦磨损等效实验装置

利用摩擦磨损等效实验装置，模拟刚性接触网与受电弓“之”字运动。将接触线固定在旋转圆盘上，碳滑板安装在滑板安装装置上，为模拟列车行进过程中的接触线前进方式，采用一种利用旋转圆盘带动接触线运动的方法。具体设计中，将接触线安装于直径为2.5m的大圆盘上，通过旋转圆盘驱动接触线移动。该设计考虑到在实际运行过程中接触线不会频繁与滑板接触取电，并且避免了频繁的摩擦磨损。为了提高接触线的使用寿命，选择了较大长度的接触线，总长度为7.85m。这样设计的接触线长度足够长，能够在载流摩擦时减少频繁的接触摩擦，从而避免接触线温度过高。

同时，等效实验装置利用直线电机带动浸金属碳滑板移动来模拟线路拉出值，并配置电流电压传感器等检测接触电压和电流，采用红外测温相机以及紫外光传感器实现滑板温度、放电现象监测。利用除湿机控制方法来调节室内空气湿度。在本设计中，转轮除湿机的控制模块与空气湿度传感器相连接，实现了自动化的除湿过程，根据环境湿度的变化调节除湿机的运行状态。通过连接空气湿度传感器和控制模块，可以实时监测室内湿度水平，并根据设定的湿度范围自动控制除湿机的运行。当环境湿度超过预设范围时，控制模块启动除湿机，通过吸收空气中的水分以降低空气湿度，直至湿度降至设定范围内。当环境湿度低于预设范围时，除湿机停止运行并进入待机状态避免过度除湿。该除湿控制方法具有简单、可靠的特点，通过实时监测和控制除湿机的运行，能够在室内环境中保持合适的湿度水平。

1.2实验参数

实验采用浸金属碳滑板与纯铜接触线组成载流摩擦副。采用单因素变量法设计多组试验，根据城轨地铁实际运行数据制定实验参数，控制实验运行320km，得到相对湿度分别为40%、45%、50%、55%、60%、65%时浸金属碳滑板接触点温升情况以及燃弧情况。

2试验结果及分析

2.1有机硅树脂对不烧铝碳滑板常规性能的影响

有机硅树脂的加入能有效地减少不烧铝碳滑板中温体积密度与显气孔率的波动，提高不烧铝碳滑板的中温稳定性。随着温度的升高，未加有机硅树脂的不烧铝碳滑板试样显气孔率呈先升高后降低的趋势，主要原因为酚醛树脂在300～600℃的温度范围内发生了热降解。酚醛树脂的热降解过程可分为3个阶段：首先温度升至300℃左右时，酚醛树脂中的羟基等端基小分子开始脱去和交联固化；随后温度上升至450℃时，酚醛树脂中的亚甲基开始发生氧化反应进行热降解；最后温度上升至600℃时，酚羟基开始脱水环化并生成碳。随着温度的升高，酚醛树脂逐渐裂解、氧化，在试样内部留下大量气孔，增加试样显气孔率的同时降低了试样体积密度。在酚醛树脂热解温度下新的金属结合相还未生成，导致试样在600℃时气孔率达到最大值，中温强度显著降低；当温度升至700℃以上时（金属铝的熔点660℃），液态金属与周围环境中的O2、N2等发生反应生成新的陶瓷相结合，新生相填充在试样颗粒与颗粒之间，气孔通道被封闭，试样的显气孔率显著降低，体积密度增加。

在温度升高至700℃以上时，金属铝的熔化堵塞气孔导致显气孔率下降，此时不烧铝碳滑板的结合体系完成了由有机硅树脂结合向金属结合的过渡，显著减少了不烧铝碳滑板中温强度低谷的出现，使不烧铝碳滑板具有较好的中温性能。有机硅树脂相比于酚醛树脂，其热解温度高、抗氧化性能好，以有机硅树脂为结合剂的不烧铝碳滑板在中温条件下具有较高的体积密度与较低的气孔率，600℃左右能有效减少不烧铝碳滑板强度低谷的出现，完成树脂结合向金属结合的过渡；随着有机硅树脂量的增加，不烧铝碳滑板的中温强度也随之增加，但过高的有机硅树脂加入会导致泥料分散性过高，容易出现层裂现象，在中温条件下，有机硅树脂加入量为1%时具有较好的综合性能。

2.2不烧铝碳滑板的显微形貌

随着有机硅树脂含量的增加，可以明显观察到晶须，有机硅树脂加入对晶须的生成具有促进作用。当温度上升至600℃时，有机硅树脂表面氧化生成硅酸酐，随着温度的继续升高，有机硅树脂开始逐渐裂解氧化，在原位留下不定形C以及SiO

2，此温度下，金属铝也开始熔化，并与空气中的O2、N2以及有机硅树脂热解产物反应生成晶须，晶须的生成能较为显著地增强铝碳耐火材料中温物理性能。晶须中的Si元素含量较高，表明晶须的生成与有机硅树脂在中温条件下热分解产物和不烧铝碳滑板基体部分相互反应有关。

3防范措施

依据碳滑板磨耗数据及其他城市地铁的运营经验，制定碳滑板作业技术规范，编制作业工艺卡，优化更换标准及检修周期，制定碳滑板表面打磨标准，结合隧道内的温湿度数据及碳滑板的磨耗量，及时调整防范措施。

3.1结合磨耗等级，制定更换标准

为确保上线电客车的安全运营，实现备件合理化应用，划分碳滑板磨耗余量预警等级，并依据磨耗情况及生产作业有针对性开展受电弓专项检查及碳滑板更换。结合弓网检测棚成像状态，监测碳滑板磨耗剩余量。

3.2规范检修标准，制定打磨工艺

当碳滑板出现偏磨时，弓网之间摩擦角度改变，容易导致碳滑板掉块、接触线表面粗糙程度增加、磨耗量增大。增加受电弓碳滑板接触表面及侧边倒角打磨工作，倒角角度为45°，宽度为2ｍｍ，新更换的碳滑板需进行接触面打磨。

3.3碳滑板材质

碳滑板材质也是造成受电弓碳滑板异常磨耗的一个原因，不同受电弓碳滑板材质的磨耗情况也不同，受电弓碳滑板的硬度直接决定了其磨耗速率。由于地铁运行过程中，碳滑板与接触网导线之间会存在撞击现象，硬度不够碳滑板会出现掉块、裂纹等缺陷，影响碳滑板正常的接触受流。

通过采用优质材料，可以降低碳滑板的异常磨耗，碳滑板洛氏硬度要小于120HRC。实践证明，浸金属碳滑板比碳粉滑板的平均磨耗率低，更换周期要长。例如：摩根碳滑板是一种碳铜片组合材料，抗弯强度为75 MPa，电阻率为4 μΩ·m。

3.4受电弓弓头结构

受电弓弓头结构如果出现问题，会导致只有一侧碳滑板与接触网导线接触，该碳滑板面会由于大电流而温度升高。在地铁运行过程中，碳滑板接触面会产生极大的电偏磨，严重者将造成碳滑板条断裂。滑板条断裂后，地铁运行冲击力变为部分滑板条承担，最终导致受电弓碳滑板条脱落。一般情况下，环线受电弓动态跟随性较差，易导致碳滑板偏磨问题发生。

在受流过程中，接触网和受电弓是一个有机整体。接触网应具有稳定可靠的结构、弹性均匀的悬挂。受电弓弓头应转动灵活、动作敏捷，使其具有良好的动态跟随性。另外，受电弓在正常工作过程中，弓头应尽量作竖直上下运动，弓轴方向上的轨迹偏差范围控制在30 mm之内，平衡杆应尽量平动。

结语

持续做好受电弓碳滑板检查数据统计、分析，结合历史磨耗量预测碳滑板磨耗偏大时间，及时调整磨耗预警等级。同时积极与接触网专业对接，共享数据、共同探寻弓网关系解决方案。在隧道内加装环境温湿度传感器。实时掌握隧道温湿度变化情况，及时调整预防措施。环境湿度是影响碳滑板磨耗的重要因素，增加喷淋装置使隧道内处于相对湿度60％以上恒湿状态，降低空气干燥对碳滑板磨耗的影响。

参考文献

［１］罗湘雄，林沛扬，陈名华．广州地铁９号线车辆受电弓碳滑板异常磨耗原因分析及改进措施［Ｊ］．城市轨道交通研究，２０２３，２６（７）：２５６．

［２］王红艳．北京地铁６号线西延线受电弓碳滑板异常磨耗原因及其解决方法［Ｊ］．城市轨道交通研究，２０２３，２６（６）：４４．

［３］张政飞．受电弓碳滑板异常磨耗的原因分析与对策［Ｊ］．郑州铁路职业技术学院学报，２０２２，３４（４）：５７．