弓網(wǎng)接觸界面熱效應(yīng)與磨損量的數(shù)值模擬*

火文輝，李忠學(xué)

(蘭州交通大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

0 引言

隨著高速列車運行速度的進(jìn)一步提高，弓網(wǎng)磨損問題越來越突出，已逐漸成為制約列車安全運行和進(jìn)一步提速的關(guān)鍵問題之一。影響弓網(wǎng)摩擦磨損的主要因素有電流、速度、接觸壓力等。張婧琳通過試驗分析指出，在這三個影響因素中，電流對摩擦副的摩擦磨損性能影響最顯著［1］。趙燕霞通過試驗分析指出，磨損量隨速度的增大有增大的趨勢，并且也指出接觸壓力的波動幅度對材料載流摩擦磨損性能有顯著影響，接觸壓力的波動越大，影響越明顯［2］。通過大量的載流摩擦磨損試驗發(fā)現(xiàn)，在一定的條件下，磨損量與溫度有較強的線性正相關(guān)性［1，3-4］。由于接觸線與滑板材質(zhì)不同，磨損量主要體現(xiàn)在滑板的摩擦磨損。筆者應(yīng)用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件［5］分析了電流、速度與接觸壓力對弓網(wǎng)接觸界面滑板的摩擦磨損的影響。

1 弓網(wǎng)載流摩擦磨損熱傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型

弓網(wǎng)接觸界面熱效應(yīng)［10］主要是由焦耳熱、摩擦熱以及電弧熱綜合作用的結(jié)果。弓網(wǎng)系統(tǒng)是假定物性參數(shù)為常數(shù)、第二類邊界條件下為半無限大物體的熱傳導(dǎo)問題，弓網(wǎng)接觸界面的溫度場可以從以下方面確定［1］:

電流通過時產(chǎn)生的焦耳熱:

相對滑動摩擦?xí)r產(chǎn)生的摩擦熱:

傳熱過程的控制方程為:

式中:J為電流密度;E為電場強度;Ff為摩擦力;v為受電弓滑板相對于接觸線的等效滑動速度;ρ為密度;Cp為比熱容;T為溫度;t為時間;k為熱傳導(dǎo)系數(shù);Q為單位體積總熱功率。

2 弓網(wǎng)載流摩擦磨損溫度場的有限元分析

2．1 弓網(wǎng)載流摩擦磨損溫度場的有限元數(shù)值計算

利用COMSOLMultiphysics有限元分析軟件［5］中的“焦耳熱”物理模塊分析在不同速度、電流、接觸壓力的作用條件下弓網(wǎng)接觸界面的溫度場［8-9］。首先建立弓網(wǎng)接觸界面溫度場的有限元模型，這里采用自由剖分三角形網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。弓網(wǎng)接觸界面溫度場主要是通過焦耳熱模型建立和摩擦功引起的摩擦熱添加的，而這里是忽略弓網(wǎng)間產(chǎn)生的電弧熱。

1 弓網(wǎng)接觸界面溫度場的有限元模型

在“焦耳熱”物理場模塊中，定解條件包括邊界條件和初始條件。邊界條件中，將電勢設(shè)定為25 kV;電流密度選用80，100 A，……，200 A系列參數(shù);接觸電阻的選用經(jīng)驗公式［6］:

式中:F為接觸壓力;R為接觸電阻;k為跟接觸形式、接觸壓力以及實際接觸點數(shù)目等相關(guān)的指數(shù)。而初始條件是假設(shè)滑板和接觸線的初始溫度與環(huán)境空氣溫度相同為20℃，電壓初始值為0 V。

在仿真過程中首先進(jìn)行了全局定義，各材料的屬性見表1。

表1 各材料參數(shù)

2．2 仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)提取

通過建模分析可以看出弓網(wǎng)接觸界面摩擦磨損后熱量的分布情況(見圖2)。通過仿真分析，可以得出不同速度、電流條件下，弓網(wǎng)接觸界面所對應(yīng)的溫度值(見表2)。

圖2 熱量分布情況

表2 不同速度、電流所對應(yīng)的溫度值(℃)

3 正交試驗的統(tǒng)計模型和數(shù)據(jù)分析

正交試驗設(shè)計是研究多因素試驗一種方法，它是從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進(jìn)行試驗，是部分因子設(shè)計的主要方法，具有很高的效率。

影響磨損量的因素主要包括電流(I)、速度(v)和接觸壓力(F)，并且通過實驗選擇了如下的試驗范圍:I:80～200 A，v:100～250 km/h，F(xiàn):80～160 N。

電流因素取 4個水平:80 A，120 A，160 A，200 A;速度因素取 4 個水平:100 km/h，150 km/h，200 km/h，250 km/h;接觸壓力因素取5個水平:80 N，100 N，120 N，140 N，160 N。

3．1 實驗分析

根據(jù)方案可以得出正交表如表3所列。表3中“T”行給出的是電流與速度在不同情況下的溫度之和，“m”行是均值，R值是均值的極差。通過溫度與電流、速度的關(guān)系圖(見圖3)可以看出:速度在200 km/h以上時，電流在120～160 A時的磨損比較大，在其他范圍內(nèi)磨損較小。

表3 正交表

圖3 溫度與兩個因素關(guān)系圖

3．2 各因素對弓網(wǎng)接觸界面溫度場的影響

3．2．1 速度對弓網(wǎng)接觸界面溫度場的影響

當(dāng)接觸壓力 110 N，電流為 80 A、100 A、120 A、140 A、160 A、180 A 和 200 A 時，弓網(wǎng)接觸界面的溫度隨速度的變化情況如圖4所示?？梢钥闯?在一定的接觸壓力，不同電流條件下，弓網(wǎng)接觸界面的溫度隨速度的增大呈現(xiàn)緩慢的增加。

圖4 不同電流條件下弓網(wǎng)接觸界面溫度隨速度變化情況

3．2．2 電流對弓網(wǎng)接觸界面溫度場的影響

當(dāng)施加110N的接觸壓力，以不同速度20 km/h、60 km/h、100 km/h、140 km/h、180 km/h、220 km/h和260 km/h相對滑動時，弓網(wǎng)接觸界面的溫度隨電流的變化情況如圖5所示。

圖5 不同速度條件下弓網(wǎng)接觸界面溫度隨電流變化情況

可以看出:在一定的接觸壓力，不同速度條件下，弓網(wǎng)接觸界面的溫度隨電流的增大而增大。

3．2．3 接觸壓力對弓網(wǎng)接觸界面溫度場的影響

當(dāng)電流120A，速度分別為20 km/h、100 km/h、180 km/h、和260 km/h時，接觸壓力與溫度的關(guān)系如圖6所示?？梢钥闯?弓網(wǎng)間電流一定，不同速度條件下，弓網(wǎng)接觸界面溫度隨著接觸壓力的增大，呈現(xiàn)緩慢升高的變化趨勢。

圖6 不同速度條件下弓網(wǎng)接觸界面的溫度隨接觸壓力的變化情況

當(dāng)速度為220 km/h，電流分別為80 A、120 A、160 A、200 A時，接觸壓力與溫度的關(guān)系如圖7所示。可以看出:在相對滑動速度一定，不同的電流條件下，弓網(wǎng)接觸界面溫度隨著接觸壓力的增大而增大。

圖7 不同電流條件下弓網(wǎng)接觸界面溫度隨接觸壓力的變化情況

4 結(jié)論

從上面的分析結(jié)果來看，影響弓網(wǎng)接觸界面溫度變化的最主要因素是電流，其次是速度與接觸壓力。在一定的接觸壓力，不同電流條件下，弓網(wǎng)接觸界面的溫度隨速度的增大呈現(xiàn)緩慢的增加。在一定的接觸壓力，不同速度條件下，弓網(wǎng)接觸界面的溫度隨電流的增大而增大。弓網(wǎng)間電流一定，不同速度條件下，弓網(wǎng)接觸界面溫度隨著接觸壓力的增大，呈現(xiàn)緩慢升高的變化趨勢。在相對滑動速度一定，不同的電流條件下，弓網(wǎng)接觸界面溫度隨著接觸壓力的增大而增大。又因為磨損量與溫度之間存在正相關(guān)的對應(yīng)關(guān)系［7］，所以，隨著電流的增大，磨損量增大;滑動速度與接觸壓力對磨損量也有一定的影響，當(dāng)接觸壓力一定時，相對滑動速度越大，磨損量越大。

［1］ 張婧琳．Cu/QCr0．5載流條件下摩擦磨損性能的研究［D］．洛陽:河南科技大學(xué)，2010．

［2］ 趙燕霞．柔性接觸條件對載流摩擦磨損特性的影響［D］．洛陽:河南科技大學(xué)，2011．

［3］ 董 霖．載流摩擦磨損機理研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2008．

［4］ 卜 ?。疁囟葘W(wǎng)系統(tǒng)載流磨損的影響［D］．成都:西南交通大學(xué)，2010．

［5］ William B．J．Zimmerman．COMSOL Multiphysics有限元法多物理場建模與分析［M］．北京:中仿科技公司，2007．

［6］ 郭鳳儀，陳忠華．電接觸理論及其應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:中國電力出版社，2008．

［7］ 曹偉武，徐開義，趙憲萍，等．磨損量隨受熱面溫度變化關(guān)系的試驗研究［J］．動力工程，1997，17(4):46-48(60)．

［8］ 李傳喜．降低弓網(wǎng)磨損的受電弓主動控制系統(tǒng)的設(shè)計［D］．成都:西華大學(xué)，2013．

［9］ Ding T，Chen G X．Friction and Wear Behavior of Pantograph Strips Sliding Against Copper Contact Wire with Electric Current［J］．AASRIProcedia，2012(2):288-292．

［10］ 王萬崗，吳廣寧．弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸電阻特性［J］．中南大學(xué)學(xué)報，2012，43(10):3857-3864．