上海城市軌道交通受電弓碳滑塊脫膠故障分析

董雪春

(上海申凱公共交通運(yùn)營(yíng)管理有限公司, 200070, 上?！喂こ處?

碳滑塊是城市軌道交通列車從供電接觸網(wǎng)獲取電能的設(shè)備，其別名也可稱為碳滑板、碳滑條、碳棒等。近幾年，上海城市軌道交通發(fā)生了多起碳滑塊脫膠故障，對(duì)正線的有序運(yùn)營(yíng)造成了一定影響。基于此，本文對(duì)碳滑塊脫膠故障的原因進(jìn)行分析研究，并給出相關(guān)建議及整改措施。

1 碳滑塊脫膠故障

碳滑塊按照材質(zhì)可分為浸金屬和純碳兩類。從產(chǎn)地上看，上海城市軌道交通目前使用的碳滑塊可分為國(guó)產(chǎn)的碳滑塊和進(jìn)口的碳滑塊，以與原品牌受電弓設(shè)計(jì)制造相匹配為配置原則。碳滑塊碳條和鋁托架的粘合一般有兩種工藝：一是錫接，二是膠水粘接。

碳滑塊在無(wú)裂紋、無(wú)異常磨耗情況下一般須使用到剩余厚度為3 mm時(shí)方予以更換。但是，近幾年上海城市軌道交通在使用過(guò)程中多次發(fā)生了國(guó)產(chǎn)碳滑塊未到更換標(biāo)準(zhǔn)而脫膠的故障，其典型故障類型如圖1中箭頭處所示。

圖1 碳滑塊脫膠故障圖Fig.1 Picture of carbon contact strips degumming failure

從圖1可見(jiàn)：碳條與鋁托架之間存在明顯的間隙，二者已完全脫膠分離，無(wú)法承擔(dān)正常的受流取電功能。該情況下如列車?yán)^續(xù)運(yùn)行，碳條會(huì)在短時(shí)間內(nèi)完全脫離鋁托架，造成接觸網(wǎng)與碳滑塊鋁托架發(fā)生接觸摩擦。由于碳滑塊鋁托架與接觸網(wǎng)均采用金屬材質(zhì)，且接觸網(wǎng)硬度大于碳滑塊鋁托架硬度，碳滑塊鋁托架將因接觸摩擦而在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生斷裂，該情況下極有可能引發(fā)弓網(wǎng)事故，進(jìn)而造成正線停運(yùn)搶險(xiǎn)，因此，受電弓碳滑塊脫膠故障問(wèn)題不容小覷。

2 碳滑塊剪切強(qiáng)度試驗(yàn)

從碳滑塊的故障形式看，碳滑塊脫膠故障的可能主因是碳滑條剪切強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)，或受大電流沖擊短時(shí)間集中發(fā)熱后導(dǎo)致粘合失效。在發(fā)生碳滑塊脫膠故障后，調(diào)取了列車控制系統(tǒng)的記錄，并查看了供電SCADA(電力監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集)系統(tǒng)的記錄，并未發(fā)現(xiàn)故障時(shí)間段內(nèi)存在大電流沖擊的情況，故排除了因大電流沖擊導(dǎo)致碳滑塊脫膠的可能性。

2.1 碳滑塊試塊的選取

為尋找碳滑塊脫膠故障的具體原因，對(duì)不同品牌的碳滑塊進(jìn)行了剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，并對(duì)其檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。測(cè)試前，從整根碳滑塊中間取寬度為30±3 mm的試塊，對(duì)試塊兩側(cè)的包邊進(jìn)行加工去除，防止產(chǎn)生因包邊引起剪切強(qiáng)度測(cè)量不準(zhǔn)的問(wèn)題。不同品牌的碳滑塊試塊如圖2所示，為方便對(duì)比區(qū)分，對(duì)不同品牌的碳滑塊分別進(jìn)行了編號(hào)。

圖2 碳滑塊試塊Fig.2 Carbon contact strips test block sample

2.2 碳滑塊剪切強(qiáng)度檢測(cè)試驗(yàn)

選取3家不同品牌廠家(A、B、C)的碳滑塊進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，對(duì)比其在室溫(20～30 ℃)及高溫(150 ℃)兩種工況下的剪切強(qiáng)度。試驗(yàn)參考了TB/T1842.3—2016《受電弓滑板 第3部分：碳滑板》[1]、EN 50405：2015《鐵路設(shè)施 受流系統(tǒng) 受電弓碳滑塊的試驗(yàn)方法》[2]中對(duì)于碳滑塊剪切強(qiáng)度的相關(guān)要求。

碳滑塊試塊加載如圖3所示。將剪切力測(cè)試專用裝置安裝在配有環(huán)境溫度試驗(yàn)箱的電子力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)的加載平臺(tái)上，將碳滑塊試塊置于剪切力測(cè)試專用裝置上。

圖3 碳滑塊試塊加載圖Fig.3 Carbon contact strips test block loading

分別實(shí)施室溫剪切測(cè)試、高溫剪切測(cè)試2個(gè)檢測(cè)方案。當(dāng)測(cè)溫探頭顯示溫度達(dá)到目標(biāo)測(cè)試溫度時(shí)，即對(duì)碳滑塊試塊進(jìn)行垂向加載，在其表面施加持續(xù)的垂向力，直至碳條與鋁托架分離。計(jì)算機(jī)記錄了垂向力加載的全過(guò)程，并在測(cè)試完成后自動(dòng)計(jì)算出碳滑塊失效時(shí)的最大剪切力和剪切強(qiáng)度。試驗(yàn)后的試塊斷面如圖4所示。

圖4 碳滑塊試塊試驗(yàn)后斷面圖Fig.4 Cross section of carbon contact strips test block sample after test

根據(jù)試驗(yàn)內(nèi)容及制定的檢測(cè)方案，各廠家碳滑塊試塊剪切力測(cè)試結(jié)果如表1所示。按照文獻(xiàn)[1]的規(guī)定，失效時(shí)試塊的剪切強(qiáng)度若大于等于5 MPa，則符合該標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 碳滑塊試塊剪切力檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test results of carbon contact strips test block sample

由表1可知：

1) 廠家A的碳滑塊試塊在室溫與高溫工況下均未達(dá)到EN 50405：2015及TB/T 1842.3—2016中剪切強(qiáng)度大于等于5 MPa的要求。

2) 廠家C的碳滑塊試塊在室溫與高溫工況下均能滿足EN 50405：2015與TB/T 1842.3—2016中對(duì)剪切強(qiáng)度的要求。

3) 廠家B的碳滑塊試塊在室溫工況下滿足EN 50405：2015與TB/T1842.3—2016中對(duì)剪切強(qiáng)度的要求，但在高溫工況下不滿足這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)剪切強(qiáng)度的要求。

經(jīng)確認(rèn)，實(shí)際發(fā)生脫膠故障的碳滑塊均由廠家A生產(chǎn)。通過(guò)上述檢測(cè)分析，碳滑塊失效的主要原因?yàn)榧羟袕?qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(即TB/T 1842.3—2016的要求)：其剪切強(qiáng)度在高溫工況下低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的1/4，在室溫工況下低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求的1/2。此外，廠家B采用的碳滑塊為錫接形式，在高溫工況下錫接形式碳滑塊的剪切強(qiáng)度也存在偏低情況。

3 實(shí)地考察碳滑塊的加工制造工藝

為進(jìn)一步深入了解碳滑塊剪切強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)的原因，上海城市軌道交通組織技術(shù)人員對(duì)廠家A進(jìn)行了實(shí)地考察，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研碳滑塊的加工制造工藝。

廠家A的碳滑塊為自加工組裝產(chǎn)品，其碳條、鋁托架、膠水、固定螺栓、固定螺帽皆為采購(gòu)件。這些物資采購(gòu)到廠后再根據(jù)現(xiàn)有的工藝要求進(jìn)行加工并組裝。其碳滑塊的主要加工步驟如下：①根據(jù)碳滑塊所需長(zhǎng)度對(duì)采購(gòu)的碳條進(jìn)行裁剪切割，對(duì)碳條兩端斜面進(jìn)行打磨；②對(duì)碳條粘合表面使用砂輪機(jī)手工找平并打磨(見(jiàn)圖5)后，將碳條置于1個(gè)平面上觀察其是否透光，通過(guò)是否透光來(lái)判斷打磨面是否已經(jīng)平整；③對(duì)碳條的下表面進(jìn)行噴銅處理(見(jiàn)圖6)，以提高其導(dǎo)電性能；④在鋁托架上布設(shè)已裁剪的孔狀銅網(wǎng)，在銅網(wǎng)上涂抹專用膠水，將碳條按壓在有膠水的鋁托架上(見(jiàn)圖7)，并采用工藝夾夾緊；⑤將已組裝完畢的碳滑塊置于高溫烘箱內(nèi)進(jìn)行固化；⑥將經(jīng)過(guò)烘箱固化的碳滑塊取出，放于陰涼處晾干；⑦去除碳滑塊外表面的多余膠水，在碳滑塊兩側(cè)涂上工藝膠進(jìn)行裝飾，以提升碳滑塊的整體美觀度；⑧在鋁托架下表面開(kāi)孔，安裝T型固定螺栓；⑨使用目視方法對(duì)碳滑塊外觀進(jìn)行檢查；⑩碳滑塊塑料膜包裹后裝箱出廠。

圖5 碳條打磨Fig.5 Carbon rod grinding

圖6 碳條噴銅處理Fig.6 Carbon rod copper spraying treatment

圖7 碳條待粘接Fig.7 Carbon rod to be bonded

4 對(duì)碳滑塊加工制造工藝的分析

對(duì)上文的生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行分析，廠家A在碳滑塊的加工制造工藝上存在如下問(wèn)題：

1) 碳條粘合表面采用砂輪機(jī)手工找平的加工方式無(wú)法保證其整體平整度，也無(wú)法有效控制其打磨精度。僅采用是否透光這一措施來(lái)判別碳條下表面是否平整，評(píng)估的方法欠妥當(dāng)。碳條粘合表面的不平整將直接導(dǎo)致碳條與鋁托架兩個(gè)粘結(jié)面之間的膠水涂抹不勻，某些區(qū)域粘結(jié)面存在無(wú)膠或少膠的問(wèn)題，這是導(dǎo)致碳滑塊某些區(qū)域試塊剪切強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)的主要原因。此外，在碳滑塊的日常使用過(guò)程中，由于電流的通過(guò)會(huì)引起碳條與鋁托架粘接處發(fā)熱，而無(wú)膠或少膠區(qū)域容易造成電流集中并產(chǎn)生高溫，從而引發(fā)部分區(qū)域的脫膠故障，然后脫膠區(qū)域由點(diǎn)及面進(jìn)一步擴(kuò)大，最終導(dǎo)致碳滑塊發(fā)生整體脫膠。

2) 在產(chǎn)品的各道生產(chǎn)流程中，無(wú)相關(guān)的檢測(cè)工藝和量化標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的質(zhì)量控制環(huán)節(jié)及標(biāo)準(zhǔn)缺失。

3) 采用自調(diào)比例膠水進(jìn)行粘接，膠水調(diào)和的具體工藝及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)缺失。

4) 僅對(duì)碳滑塊成品進(jìn)行外觀檢查，無(wú)電阻率全檢及剪切強(qiáng)度抽檢措施，成品質(zhì)量把控環(huán)節(jié)過(guò)于薄弱，未遵循產(chǎn)品生產(chǎn)PDCA(計(jì)劃-執(zhí)行-檢查-處理)循環(huán)法則。

根據(jù)上述調(diào)查結(jié)果，上海城市軌道交通全面停用了廠家A生產(chǎn)的碳滑塊，對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)該廠家生產(chǎn)的所有碳滑塊產(chǎn)品進(jìn)行退貨處理，并選取了其他優(yōu)質(zhì)的碳滑塊生產(chǎn)廠商，進(jìn)行產(chǎn)品替代。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)檢測(cè)分析和實(shí)地調(diào)查，得到了碳滑塊脫膠故障的主要原因——廠家制造工藝不完善及質(zhì)量把控措施缺失導(dǎo)致碳滑塊的剪切強(qiáng)度不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。為防止類似問(wèn)題發(fā)生，對(duì)受電弓碳滑塊的運(yùn)營(yíng)使用方提出如下建議：

1) 建立碳滑塊入庫(kù)檢查標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于同一批次的碳滑塊，應(yīng)抽檢其剪切強(qiáng)度。若出現(xiàn)不達(dá)標(biāo)情況，則應(yīng)擴(kuò)大檢測(cè)范圍。如同一批次的碳滑塊不達(dá)標(biāo)比例超過(guò)一定的標(biāo)準(zhǔn)，則該批次產(chǎn)品應(yīng)全部退貨。

2) 對(duì)于采用膠水粘接的碳滑塊，為保證其膠水的可靠性，建議碳滑塊的使用有效期設(shè)為自生產(chǎn)日起的3年內(nèi)。對(duì)于超過(guò)3年仍未使用的碳滑塊，應(yīng)作廢棄處理。對(duì)于已裝車使用的碳滑塊，如其生產(chǎn)日期已超過(guò)3年但未達(dá)到磨耗更換標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)進(jìn)行預(yù)防性更換。此外，在日常管理過(guò)程中還應(yīng)做好碳滑塊裝車后及備件入庫(kù)后的使用期限跟蹤等工作。

3) 如圖8所示，建議進(jìn)一步優(yōu)化碳滑塊的設(shè)計(jì)方案，即在碳條兩側(cè)進(jìn)行斜面打磨，并對(duì)鋁托架兩側(cè)進(jìn)行梯形翻邊。這樣可保證在鋁托架和碳條間的膠水失效后仍能依靠鋁托架翻邊對(duì)碳條進(jìn)行臨時(shí)固定，防止碳條在短時(shí)間內(nèi)脫落。

尺寸單位：mm圖8 碳滑塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案Fig.8 Optimal design scheme of carbon contact strips