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王琰
摘 要：通过对上海地铁16号线列车的受流器碳滑块的实际磨耗情况进行统计分析，发现碳滑块在使用中存在一定的偏磨现象，造成碳滑块的使用寿命减少，为解决该问题，本文通过系统分析和建模等方法，结合接触轨的线路条件，对可能造成碳滑块偏磨的各类因素进行罗列研究，并对碳滑块-接触轨动态关系进行分析，寻求解决碳滑块偏磨的方案。
关键词：受流器；碳滑块；偏磨
中图分类号：U264 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）03-0049-02
上海地铁16号线是上海首次采用第三轨供电的城轨线路。列车通过安装在转向架上的受流器与第三轨接触进行受流。受流器的碳滑块与三轨接触磨耗，属于损耗件。在使用中发现碳滑块出现偏磨以及边缘裂纹碎块等问题，造成碳滑块更换周期缩短，成本上升。本文结合实际运行情况对早期碳滑块磨耗的估算，磨耗到限模型的分析，受流器各项参数变化的影响等进行研究，寻求解决偏磨的方案及其意义。
1 上海地铁16号线电动列车受流器配属及简介
上海地铁16号线列车是三节编组的A型车，受流器采用的是德国stemman公司生产的下接触式气动受流器。每个转向架两侧各配备有一台受流器和一个熔断器。
受流器由背板、底架及其安装件和摆臂三部分组成。
背板为转向构架和受流器之间的接口，直接与转向架连接。其上装有两块齿板，确保受流器的水平调整并允许调整高度，以补偿车轮磨损。
底架用于容纳摆臂轴承、扭簧和闭锁机构等部件。底架后方安装有齿板与背板相互啮合来对集电靴高度进行调节和定位。
摆臂负责受流器的受流，其由绝缘臂，轴承转动机构，缓冲装置，集电靴组成。碳滑块受流后通过安装在支架上的高压线缆将高压送入熔断器。
2 受流器碳滑块的运营磨耗统计及分析
2.1 受流器碳滑块早期磨耗预估与实际磨耗情况
在16号线开通初期，为了辅助碳滑块的采购与库备，对12列投入运营列车的碳滑块磨耗厚度与列车行驶公里数进行了数据分析，发现受流器左右两侧的碳滑块平均磨耗量为2.089毫米/万公里和1.9559毫米/万公里。
另外，由于全新的碳滑块顶部有突起的圆弧，接触时接触面较小，磨耗相对较快，而在圆弧磨耗完毕后，接触面基本不变，磨耗趋于平缓，根据圆弧区域厚度5mm作估算，左侧碳滑块约在15.5万公里后接近极限，右侧碳滑块约在16.2万公里后接近极限。
根据碳滑块实际的更换情况进行了统计，在一年中总计更换的163块碳滑块中，有98块为列车左侧碳滑块，65块为列车右侧碳滑块，平均更换公里数为：左侧为183470km，右侧为194526km，总体平均为185243km。
根据碳滑块跟换时的公里数进行分析可以得出碳滑块实际使用寿命可以达到在17W-19W公里之间，相比早期的15-16万公里的估算，碳滑块的使用寿命更长。具体的跟换公里数分布图可见图1。
2.2 受流器碳滑块磨耗情况分析
对于跟换下来的163块碳滑块，153块是属于磨耗到限，另外有17块属于外侧出现裂纹，碎块现象而无法继续使用。
根据现场观察裂纹，碎块现象，发现是由于碳滑块厚度磨耗到一定程度时，在升靴或经过三轨的端部弯头时与接触轨发生撞击，根据碰撞程度不同，造成裂纹、碎块，甚至可能将碳滑块的厚度极限标记线一同破坏，直接造成碳滑块无法使用。由于正线三轨断轨处较多，集电靴在过端部弯头时撞击不可避免，且基本是实在即将磨耗到限的情况下发生裂纹，对实际生产成本影响不大。
在对磨耗到限的153块碳滑块进行检查时发现，所有碳滑块均存在明显的偏磨现象，在外侧磨耗达到极限时，内侧磨耗的剩余量依然还有3mm左右。如图2所示。
这种情况导致无法最大限度地利用碳滑块的磨耗区域，如果可以解决单侧偏磨的问题，提高碳滑块的使用寿命，可以降低生产成本，提高经济效益。
3 受流器碳滑块的偏磨分析
3.1 碳滑块的偏磨情况概述
对于磨耗到限的碳滑块进行分析，发现当碳滑块外侧磨耗到达极限时（或极限标记线被破坏时），碳滑块的内侧依旧保留着部分剩余的磨耗区域，根据多个碳滑块的实际磨耗结果，对目前碳滑块的最终磨耗形状进行建模，如图3所示。
3.2 受流器的接触状态分析
在实际使用中，列车受流器与接触轨属于下接触型式，通过转轴摆臂的型式实现升降靴，受流器的碳滑块在正常工作状态时与三轨接触属于完全的正接触，如图4所示。
对新安装的碳滑块的磨耗状态进行跟踪，测量发现碳滑块在前期两侧磨耗量一致，磨耗面基本处于水平状态，受流器在前期正常工作时并不会导致明显偏磨。
3.3 受流器碳滑塊偏磨成因的分析
为了找出碳滑块偏摩的原因，首先对正线的三轨安装布置进行分析。
16号线接触轨采用下接触受流方式，材质为钢铝复合轨，通过整体绝缘支架进行固定安装在列车前进方向右侧的道床上，除道岔处设置断轨区外，正线高速区段也设置有断轨，断轨采用接触轨自然断开方式，两断轨间电气不连接，断口长度约为12.5m。接触轨中心距离线路中心1550mm，轨面距走形轨的轨面垂直距离200mm。
若受流器与接触轨一直在距走形轨200mm的正常高度下接触工作，碳滑块应该处于均匀磨耗状态。可列车在行驶过程中，由于接触轨并非一直连续，而是存在一定数量的断轨，为了使集电靴在进入及退出接触轨区域时，获得缓冲，在断轨处设置了端部弯头，根据受流器升起后的自由高度为280mm，并考虑特殊情况下转向架与接触轨的位移量，将端部弯头高度定位305mm以上。
因为存在端部弯头，在进入或退出一段连续的接触轨时，碳滑块的接触位置不再是其正上方，而是偏向了端部。并且，由于集电靴摆臂机构的作用，使得碳滑块的外侧与端部弯头部分接触，可能会造成下图5的偏磨现象。
但正线三轨的端部弯头加上其过渡线的总长度，占正线全长的比例低于5%。并不是造成图5偏磨的主要原因。
考虑到受流器碳滑块在不同的磨耗程度时，其与接触轨的接触情况也会存在差异。
当受流器上的碳滑块为新品时（忽略制造公差），受流器高度公差（±2）为0时，碳滑块接触情况如图6所示，碳滑块摆臂理论处于水平位置。（忽略接触轨公差）
那么当受流器碳滑块外侧磨耗到限（5mm）时，受流器高度公差为0时，碳滑块的内侧厚度为变为7.05mm。碳滑块接触情况如下图6所示。
通过图6可知，根据目前的受流器和接触轨高度的设计，随着受流器碳滑块的不断磨耗，其内外侧的磨耗量也会逐渐不同，最终在受流器碳滑块外侧磨耗到限时（5mm），内侧仍有2mm左右的余量并未磨耗，与目前实际的使用情况相符。
4 受流器碳滑块偏磨的解决方案
4.1 解决碳滑块偏磨的方案介绍及分析
根据受流器碳滑块的偏磨原因分析，提出了三种解决方案的设想。
方案一：更改碳滑块设计，将磨耗区域重新设计，内外侧的磨耗同时到极限。
将碳滑块的内侧磨耗刻度线向上移动1.8mm，碳滑块的形状以及碳滑块的安装底座的尺寸都需相应调整，并对内外侧做出明显的区分标记，以便于更换人员区分。
方案二：优化碳滑块安装方式，使碳滑块本身向外侧倾斜一定角度。
相当于安装碳滑块时，将碳滑块内侧抬高1.8mm，如此，当磨耗到极限时，碳滑块恰好磨耗到水平状态。
方案三：调节集电靴基架高度，在碳滑块磨耗到极限时，集电靴摆臂基本处于水平位置。
由于基架与齿板每一齿的调节量为4mm，为方便检查，将碳滑块向上抬升12mm，得到如下磨耗结果。碳滑块在磨耗到限时左右偏差仅为0.3mm左右，如图7。
4.2 三种解决方案可行性分析总结
经过系统的分析得知上述三个方案均各有利弊，方案一可行性较低，需要重新对受流器碳滑块和安装座进行重新设计和生产，成本较高。
方案二可作为相应的优化整改方案进行验证，合理选择垫块的材质选择以及安装方式，需要考虑到整体性能不受影响，及垫块的安装不会影响其导电性能。
方案三则需要重新核准列车的限界以及各种极端工况下受流器与第三轨是否能后接触以及不会在端部弯头处产生碰撞。若在列车设计初期考虑到该问题，便能够在设计中考虑到以上因素，通过受流器摆臂支点高度与第三轨高度的设计匹配，避免产生偏磨。
5 结语
本文总结了上海16号线车辆运营后受流器碳滑块的磨耗量及其出现的碳滑块的偏磨问题，通过系统的分析提出导致其偏磨的原因以及相应的几种解决设想，对于未来减少或解决受流器碳滑块的偏磨问题具有一定的意义。
参考文献
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