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摘 要 针对深圳5号线受电弓铝合金弓角开裂问题，从弓角开裂原因、解决措施，再到弓角材料对接触网磨耗影响等方面进行说明，得出焊接结构的铝合金弓角不宜应用于刚性悬挂的接触网及刚性接触网下建议采用碳钢弓角或强度更高的不锈钢弓角的结论。
关键词 弓角 碳滑板 接触网 冲击振动
一、现状
2011年8月，上线运行6个月左右的深圳地铁5号线车辆用TSG18E型受电弓铝合金弓角出现开裂现象。经全面普查，交车上线运行的160个铝合金弓角中，有20个左右出现开裂。开裂位置都是在滑板支架（材料为5A06-0）与连接板（材料为6082T6，原板厚为6㎜）的焊缝热影响区，且裂纹沿着焊缝边缘（熔合线）扩展；如图1、图2所示。
二、铝合金弓角开裂原因
（一）焊缝质量问题
为更好的分析产品开裂原因，受电弓生产厂家南车株机对现有的已焊产品焊缝进行了破坏性试验。宏观金相图片显示：焊缝母材均有熔深，但有根部未熔合的现象，如图3、图4所示。
（二）材料的选择
根据BS EN 755-2-2008《铝和铝合金挤出杆材及棒材管材和型材机械性能开裂连接板》表47，可知材料6082T6高强度铝合金具有很高机械强度，如上表所示。根据以往工作试件测试经验，铝合金材料焊接之后，焊缝强度约为母材强度的60%～65%左右，且增加了材料的脆性，这导致其抗疲劳能力也相应的减弱。
（三）接触网问题
深圳1号线采用柔性网供电，受电弓弓头采用铝合金弓角，运用超过20个月，没有发生开裂等问题。
深圳5号线隧道内为刚性网，隧道外为柔性网，受电弓弓头采用铝合金弓角，上线正式运用仅3个月，已发生20个左右弓角开裂的现象。
车辆运行时，当接触网采用柔性接触网时，受电弓运用时产生的弓网间的冲击振动能被接触网柔性悬挂系统及受电弓本身的弹性元件所吸收，这样受电弓收到的冲击与振动相对于刚性接触网就较小；
当接触网采用刚性接触网，受电弓运用时会受到来自于接触网的高频冲击振动，部分冲击加速度甚至超过50g。由于接触网采用刚性悬挂，无法缓冲吸收冲击振动产生的高频破坏力，此力完全被受电弓缓冲吸收。这就要求受电弓的结构件具有非常高的强度及韧性，以缓冲吸收弓网之间的冲击力。
三、解决措施
经上述原因分析，南车株机认为导致弓角开裂的主要原因是由于刚性悬挂接触网下此结构的铝合金弓角强度不够。为更好的解决此问题，南车株机根据受电弓应用经验建议将焊接结构弓角材料由铝合金更改为强度较高的碳钢。
（一）受电弓弓角设计依据及作用
根据UIC 608-2003《国际联运用电力机车和电力动车受电弓应遵循的条件》，要求受电弓弓角包络线应平滑，保证接触网平滑过渡到碳滑板中心。
受电弓弓头由碳滑板及弓角两部分组成，碳滑板主要是用来集取接触网电流，使用过程中接触网主要集中在碳滑板中心€？50mm的范围内工作；弓角的作用主要是保证机车通过道岔时，受电弓能够平稳通过接触网的交叉点，避免出现接触网挂受电弓的现象。
（二）受电弓弓角采用材料的现状
目前，国际上地铁受电弓的厂家主要有 Siemens Melecs公司、Schunk公司及Stammenn公司。
Siemens Melecs受电弓弓角材质采用碳钢Q235A，国内外具有广泛的应用业绩；
Schunk 公司的受电弓弓角在国内主要采用铝合金材料；
Stammenn公司受电弓供应国内的受电弓弓角主要为铝合金材料。
四、弓角材料对接触网磨耗影响的分析
考虑到用户担心碳钢弓角对接触网磨损严重，现说明如下：
（一）广州地铁弓角的使用现状
经咨询广州1号线及广州2号线供电接触网技术人员，其表示广州1号线（碳钢材料弓角）自1997年上线运行以来，还没有整体更换过接触网，在近几年的使用中，只是在广州东站附近更换过一个铆段的接触网，但更换的原因与受电弓弓角材料无关；广州2号线（铝合金材料弓角，与深圳地铁一号线受电弓相同）自2003年开通以来，先后更换了十多个铆段的接触网，其表示与受电弓弓角材料也无关。用户表示接触网的更换频次主要与接触网的布置、接触网的悬挂方式及受电弓与接触网的动态跟随性有关。
（二）理论分析
根据实验室数据，钢对银铜导线的磨耗率为：0.028～0.042mm2/万弓架次，分别以平均磨耗值0.035mm2/万弓架次及最大磨耗值0.042mm2/万弓架次计算接触网使用寿命。
接触网导线断面允许磨耗量为33%，如果采用110型银铜导线，即接触导线断面允许磨耗量为36.3mm2。
如果深圳地铁车辆在线运行为15列，每列车的每天运行次数为10次，则某一个线岔处每天通过的受电弓架次为300。
按0.035mm2/万弓架次计算，线岔处接触导线的寿命为94.72年。
按0.042mm2/万弓架次计算，线岔处接触导线的寿命为78.93年。
经过上述计算分析可知，弓角材料对道岔处接触网的正常使用寿命影响是微乎其微的。
五、结论
经过上述分析可知，焊接结构的铝合金弓角不宜应用于刚性悬挂的接触网。刚性接触网下建议采用碳钢弓角或强度更高的不锈钢弓角。
参考文献：
[1]安孝廉.编.受电器[M].北京：中国铁道出版社，1984.
[2]BS EN 755-2-2008铝和铝合金挤出杆材及棒材管材和型材机械性能.
[3]UIC 608-2003 国际联运用电力机车和电力动车受电弓应遵循的条件.
（作者单位：南车株洲电力机车有限公司）
关键词 弓角 碳滑板 接触网 冲击振动
一、现状
2011年8月，上线运行6个月左右的深圳地铁5号线车辆用TSG18E型受电弓铝合金弓角出现开裂现象。经全面普查，交车上线运行的160个铝合金弓角中，有20个左右出现开裂。开裂位置都是在滑板支架（材料为5A06-0）与连接板（材料为6082T6，原板厚为6㎜）的焊缝热影响区，且裂纹沿着焊缝边缘（熔合线）扩展；如图1、图2所示。
二、铝合金弓角开裂原因
（一）焊缝质量问题
为更好的分析产品开裂原因，受电弓生产厂家南车株机对现有的已焊产品焊缝进行了破坏性试验。宏观金相图片显示：焊缝母材均有熔深，但有根部未熔合的现象，如图3、图4所示。
（二）材料的选择
根据BS EN 755-2-2008《铝和铝合金挤出杆材及棒材管材和型材机械性能开裂连接板》表47，可知材料6082T6高强度铝合金具有很高机械强度，如上表所示。根据以往工作试件测试经验，铝合金材料焊接之后，焊缝强度约为母材强度的60%～65%左右，且增加了材料的脆性，这导致其抗疲劳能力也相应的减弱。
（三）接触网问题
深圳1号线采用柔性网供电，受电弓弓头采用铝合金弓角，运用超过20个月，没有发生开裂等问题。
深圳5号线隧道内为刚性网，隧道外为柔性网，受电弓弓头采用铝合金弓角，上线正式运用仅3个月，已发生20个左右弓角开裂的现象。
车辆运行时，当接触网采用柔性接触网时，受电弓运用时产生的弓网间的冲击振动能被接触网柔性悬挂系统及受电弓本身的弹性元件所吸收，这样受电弓收到的冲击与振动相对于刚性接触网就较小；
当接触网采用刚性接触网，受电弓运用时会受到来自于接触网的高频冲击振动，部分冲击加速度甚至超过50g。由于接触网采用刚性悬挂，无法缓冲吸收冲击振动产生的高频破坏力，此力完全被受电弓缓冲吸收。这就要求受电弓的结构件具有非常高的强度及韧性，以缓冲吸收弓网之间的冲击力。
三、解决措施
经上述原因分析，南车株机认为导致弓角开裂的主要原因是由于刚性悬挂接触网下此结构的铝合金弓角强度不够。为更好的解决此问题，南车株机根据受电弓应用经验建议将焊接结构弓角材料由铝合金更改为强度较高的碳钢。
（一）受电弓弓角设计依据及作用
根据UIC 608-2003《国际联运用电力机车和电力动车受电弓应遵循的条件》，要求受电弓弓角包络线应平滑，保证接触网平滑过渡到碳滑板中心。
受电弓弓头由碳滑板及弓角两部分组成，碳滑板主要是用来集取接触网电流，使用过程中接触网主要集中在碳滑板中心€？50mm的范围内工作；弓角的作用主要是保证机车通过道岔时，受电弓能够平稳通过接触网的交叉点，避免出现接触网挂受电弓的现象。
（二）受电弓弓角采用材料的现状
目前，国际上地铁受电弓的厂家主要有 Siemens Melecs公司、Schunk公司及Stammenn公司。
Siemens Melecs受电弓弓角材质采用碳钢Q235A，国内外具有广泛的应用业绩；
Schunk 公司的受电弓弓角在国内主要采用铝合金材料；
Stammenn公司受电弓供应国内的受电弓弓角主要为铝合金材料。
四、弓角材料对接触网磨耗影响的分析
考虑到用户担心碳钢弓角对接触网磨损严重，现说明如下：
（一）广州地铁弓角的使用现状
经咨询广州1号线及广州2号线供电接触网技术人员，其表示广州1号线（碳钢材料弓角）自1997年上线运行以来，还没有整体更换过接触网，在近几年的使用中，只是在广州东站附近更换过一个铆段的接触网，但更换的原因与受电弓弓角材料无关；广州2号线（铝合金材料弓角，与深圳地铁一号线受电弓相同）自2003年开通以来，先后更换了十多个铆段的接触网，其表示与受电弓弓角材料也无关。用户表示接触网的更换频次主要与接触网的布置、接触网的悬挂方式及受电弓与接触网的动态跟随性有关。
（二）理论分析
根据实验室数据，钢对银铜导线的磨耗率为：0.028～0.042mm2/万弓架次，分别以平均磨耗值0.035mm2/万弓架次及最大磨耗值0.042mm2/万弓架次计算接触网使用寿命。
接触网导线断面允许磨耗量为33%，如果采用110型银铜导线，即接触导线断面允许磨耗量为36.3mm2。
如果深圳地铁车辆在线运行为15列，每列车的每天运行次数为10次，则某一个线岔处每天通过的受电弓架次为300。
按0.035mm2/万弓架次计算，线岔处接触导线的寿命为94.72年。
按0.042mm2/万弓架次计算，线岔处接触导线的寿命为78.93年。
经过上述计算分析可知，弓角材料对道岔处接触网的正常使用寿命影响是微乎其微的。
五、结论
经过上述分析可知，焊接结构的铝合金弓角不宜应用于刚性悬挂的接触网。刚性接触网下建议采用碳钢弓角或强度更高的不锈钢弓角。
参考文献：
[1]安孝廉.编.受电器[M].北京：中国铁道出版社，1984.
[2]BS EN 755-2-2008铝和铝合金挤出杆材及棒材管材和型材机械性能.
[3]UIC 608-2003 国际联运用电力机车和电力动车受电弓应遵循的条件.
（作者单位：南车株洲电力机车有限公司）