弓網(wǎng)系統(tǒng)滑板磨損特性分析與剩余壽命預(yù)測(cè)

李 斌，隋 意，王智勇，仲麗曉

（1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105； 2. 國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司 威縣供電分公司，河北 邢臺(tái)054700）

0 引言

電氣化鐵路的快速發(fā)展對(duì)高速列車安全穩(wěn)定運(yùn)行提出越來越高的要求.受電弓滑板和接觸網(wǎng)導(dǎo)線組成的弓網(wǎng)系統(tǒng)是電力機(jī)車的重要組成部分.滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線通過滑動(dòng)電接觸為電力機(jī)車提供動(dòng)力.影響其載流摩擦磨損特性的因素主要有列車時(shí)速、波動(dòng)影響壓力載荷、電流、頻率、環(huán)境等[1].因此，研究滑板的磨損特性、降低滑板的磨耗率、延長(zhǎng)其使用壽命，對(duì)提高弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性具有重要意義.

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)受電弓滑板壽命預(yù)測(cè)的研究還較少，而對(duì)于研究受電弓滑板的可靠性、接觸表面氧化過程和損害機(jī)理等方面的較多.DING T[2]等發(fā)現(xiàn)電接觸中存在溫升和電弧放電，接觸面的溫升和電弧放電強(qiáng)度隨電流增加而增加.碳帶磨損量的增加主要是接觸面的高溫和電弧放電現(xiàn)象引起的.高溫引起的熱磨損對(duì)受電弓接觸帶的使用壽命有明顯影響，電弧腐蝕影響更大.BRAUNOVIC M[3]等基于觸點(diǎn)內(nèi)形成氧化膜的厚度與氧化物的濃度成線性關(guān)系，建立了閉合電接觸壽命評(píng)估模型.BUCCA G[4]等認(rèn)為弓網(wǎng)需要保持一定的接觸壓力，如果壓力過大，會(huì)導(dǎo)致碳滑板的磨損加劇，反之，使受流不穩(wěn)定，縮短碳滑板的使用壽命.胡文平[5]等建立元件的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用累計(jì)加權(quán)法，將元件的磨損量作為判別壽命的依據(jù).江親瑜[6]等將離散數(shù)學(xué)方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，運(yùn)用數(shù)值仿真方法建立磨損的數(shù)值仿真模型，提出磨損壽命概率估計(jì)的概念.久保田喜雄[7]等研究出的浸金屬碳滑板，有效降低了與接觸線之間的損耗，從而延長(zhǎng)受電弓滑動(dòng)電接觸的使用壽命，替代了金屬系燒結(jié)滑板，被電氣化鐵路廣泛采用.

本研究利用滑動(dòng)電接觸實(shí)驗(yàn)機(jī)，在不同條件下進(jìn)行載流摩擦實(shí)驗(yàn)，研究滑板磨損量與剩余壽命的關(guān)系，建立基于概率分布的受電弓滑板磨損壽命預(yù)測(cè)模型，并驗(yàn)證模型的正確性.另外，研究在不同接觸壓力波動(dòng)幅度下受電弓滑板的磨損特性.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

為研究載流摩擦磨損對(duì)于受電弓滑板壽命的影響，實(shí)驗(yàn)所用的實(shí)驗(yàn)機(jī)加入波動(dòng)載荷裝置，用來模擬波動(dòng)載荷下弓網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際的接觸情況，見圖1.

圖1 滑板磨損實(shí)驗(yàn)機(jī) Fig.1 sliders wear testing machine

通過高精度BSM電子天平計(jì)量滑板磨損前后的質(zhì)量變化，確定滑板的磨損量.同時(shí)，采用精度為0.01 mm、量程為15 mm的數(shù)字電子標(biāo)尺實(shí)時(shí)在線測(cè)量受電弓滑板厚度的磨損量.通過受電弓滑板的不同磨損量來預(yù)測(cè)滑板的剩余使用壽命.采用浸金屬碳滑板，接觸線采用CT110銅接導(dǎo)線，表1、表2分別給出了滑板在實(shí)際使用中的磨耗性能和磨耗比性能.實(shí)驗(yàn)機(jī)的弓網(wǎng)接觸壓力波動(dòng)頻率為2 Hz，波動(dòng)載荷分別在（70±10）N和（70±20）N條件下進(jìn)行磨損特性實(shí)驗(yàn).

表1 滑板使用中的磨耗性能 Tab. 1 wear properties of sliders

表2 滑板磨耗比性能 Tab.2 abrasion ratio properties of sliders

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 壓力波動(dòng)幅度下滑板磨損特性分析

在滑動(dòng)速度為120 km/h，波動(dòng)載荷幅值分別為（70±10）N和（70±20）N條件下進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，通過分析滑板形貌、熱成像溫度、電弧等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)受電弓滑板的磨損特性進(jìn)行分析.

采用XJP-6A型金相顯微鏡得到在不同實(shí)驗(yàn)條件下的受電弓滑板表面形貌，見圖2.

圖2 波動(dòng)幅度為10 N 、20 N時(shí)滑板表面形貌 Fig.2 surface morphology of slider plate when the fluctuation amplitude is 10 N and 20 N

由圖2（a）中看出其接觸表面相對(duì)平整，但是由于二者發(fā)生磨粒磨損的原因，其滑板表面可見明顯的機(jī)械摩擦劃痕.可見在接觸壓力波動(dòng)幅度為10 N時(shí)，受電弓滑板表面疲勞磨損不明顯.由圖2（b）可見其表面局部位置發(fā)生明顯的撕裂裂紋，表面出現(xiàn)深溝和侵蝕坑，主要是由于電弧侵蝕造成的滑板表面磨損增大.

在不同接觸壓力波動(dòng)幅度條件下，對(duì)受電弓滑板表面溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用非接觸式FLIR T420型熱像儀測(cè)量滑板溫度，見圖3.圖3（a）中滑板表面最高溫度為78.8 °C，圖3（b）中滑板表面最高達(dá)113 °C.由此可見，受電弓滑板表面的最高溫度隨著接觸壓力波動(dòng)幅度的增加而升高，結(jié)合滑板所對(duì)應(yīng)的形貌圖可知其磨損有所增大.

圖3 不同壓力波動(dòng)幅度下滑板溫度 Fig.3 temperature of pantograph sliders at different pressure fluctuations

在不同接觸壓力波動(dòng)幅度條件下，利用AOS S-PRI plus型高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)在線拍攝接觸導(dǎo)線與受電弓滑板間產(chǎn)生的電弧照片.壓力波動(dòng)幅度分別10 N和20 N時(shí)的電弧放電照片，見圖4.圖4中隨著接觸壓力波動(dòng)幅度的增大，弓網(wǎng)間電弧放電現(xiàn)象有所增強(qiáng)，由于電弧侵蝕現(xiàn)象造成受電弓滑板表面形貌侵蝕痕跡變多，會(huì)出現(xiàn)電弧侵蝕坑等，從而增大滑板的磨損.

圖4 不同壓力波動(dòng)幅度下電弧 Fig.4 arc at different pressure fluctuations

通過實(shí)驗(yàn)可知，隨著弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸壓力波動(dòng)幅度的增加，受電弓滑板接觸表面出現(xiàn)深溝和侵蝕坑等現(xiàn)象，滑板的溫度隨之增加，其電弧放電現(xiàn)象增強(qiáng)，使滑板的磨損率提高，導(dǎo)致磨損嚴(yán)重，必然減小滑板的磨損壽命，影響機(jī)車穩(wěn)定高效運(yùn)行.因此，在實(shí)際運(yùn)行中列車應(yīng)該盡量減小弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸壓力波動(dòng)幅度，減少滑板磨損.

2.2 不同條件下滑板磨損分析

當(dāng)實(shí)驗(yàn)機(jī)運(yùn)行速度為100 km/h時(shí)，在波動(dòng)載荷幅值為（35±5）N條件下進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，圖5為實(shí)測(cè)摩擦力和電流實(shí)時(shí)變化.

圖5 摩擦力和電流隨時(shí)間的變化 Fig.5 changes of friction and current with time

由圖5可見，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，摩擦力不恒定，是隨時(shí)間不斷發(fā)生變化的.一般將滑板的磨損過程分為磨合期、穩(wěn)定磨損期、劇烈磨損期，圖5中摩擦力從較小的初始值迅速增大，經(jīng)過一段初始磨合期后進(jìn)入穩(wěn)定磨損期.

不考慮磨合階段，弓網(wǎng)系統(tǒng)工作處于穩(wěn)定磨損期，采用控制變量法，當(dāng)接觸壓力70 N時(shí)進(jìn)行有、無電流介入時(shí)滑板磨損率隨速度變化實(shí)驗(yàn).圖6為滑板磨損率分別在有電流和無電流介入時(shí)隨速度變化情況.

圖6 磨損率與速度關(guān)系 Fig.6 wear rate change in relation to velocity

由圖6可見，磨損率隨速度的增大而增大，相同速度條件下電磨損率高于機(jī)械磨損率.因?yàn)殡娏鳟a(chǎn)生的焦耳熱會(huì)使接觸區(qū)發(fā)生微形變，降低材料的機(jī)械強(qiáng)度，在接觸壓力和滑動(dòng)速度的雙重作用下，使磨損率增加；特別是電弧放電的高溫作用，會(huì)對(duì)滑板表面產(chǎn)生嚴(yán)重的電弧侵蝕效應(yīng)，使磨損率急劇增加.圖6中電磨損率在滑動(dòng)速度為20 km/h時(shí)有一個(gè)最低值，在速度大于100 km/h時(shí)明顯上升，滑板在列車高速時(shí)磨耗的速度加快.

當(dāng)考慮磨合期時(shí)，分別測(cè)得滑板在工作10 min、30 min、60 min、120 min和300 min實(shí)驗(yàn)條件下，其磨損量與時(shí)間關(guān)系曲線，見圖7.

圖7 磨損量與時(shí)間關(guān)系 Fig.7 relationship of wear volume with time

由圖7可見，在相同時(shí)間內(nèi)，速度為60 km/h比100 km/h的磨損量大.其主要原因是由于低速度下滑板與接觸線之間的磨合期較長(zhǎng)，磨損相對(duì)嚴(yán)重，導(dǎo)致磨損量較大.

3 滑板的磨損壽命預(yù)測(cè)模型

3.1 基于可靠性磨損壽命預(yù)測(cè)模型

決定受電弓滑板剩余使用壽命的主要因素是弓網(wǎng)系統(tǒng)的摩擦磨損，其磨損速率與列車時(shí)速、接觸電流、波動(dòng)載荷和材料等相關(guān).因此，對(duì)受電弓滑板表面磨損性能和使用壽命的預(yù)測(cè)，主要考慮系統(tǒng)處于穩(wěn)定磨損期時(shí)的相關(guān)參數(shù)及其特征值，在該階段滑板的磨損量與時(shí)間成線性關(guān)系.當(dāng)系統(tǒng)在穩(wěn)定磨損期時(shí)，其磨損速率變化不大，其值主要取決于載荷即摩擦表面正壓力、運(yùn)行速度、滑板和接觸網(wǎng)導(dǎo)線構(gòu)成的摩擦副表面材料特性，以及機(jī)械加工潤(rùn)滑處理情況等[8]. 在一定可靠度下受電弓滑板的磨損壽命預(yù)測(cè)模型為

式中，u為磨損速率，10-4g/km；k為摩擦因數(shù)；p為摩擦表面正壓力，N；v為運(yùn)行速度，km/h；m值為0.5～3，取1；n為速度因子，受相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的影響，對(duì)于多數(shù)摩擦副可取為1[8].

設(shè)滑板的總磨損量為WΣ（t），則其可靠度為

式中，WΣmax為最大允許磨損量，g；t為工作時(shí)間，h；σW1、μW1為磨合階段磨損量標(biāo)準(zhǔn)差與均值，g；σu、μu為穩(wěn)定磨損階段磨損量的標(biāo)準(zhǔn)差與均值，10-4g/km；Φ為正態(tài)分布密度函數(shù).

當(dāng)受電弓滑板的磨損可靠度R給定時(shí)，由于此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定磨損階段，磨損速度變化不大，設(shè)u為定值，標(biāo)準(zhǔn)差σu趨于零，則滑板的磨損壽命t為

式中，z為安全指數(shù)，

3.2 滑板磨損壽命概率分布模型

文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]研究得到，在一定時(shí)間內(nèi)摩擦器件的磨損量壽命分布模型一般近似符合正態(tài)分布，當(dāng)工作于穩(wěn)定磨損期時(shí)，其磨損量和時(shí)間基本上成線性關(guān)系.這里僅研究弓網(wǎng)系統(tǒng)受電弓滑板工作在穩(wěn)定磨損期（不考慮磨合期），磨損量隨時(shí)間的函數(shù)變化關(guān)系式為

建立滑板磨損量的概率密度分布函數(shù)[11]為

對(duì)于式（5），當(dāng)受電弓滑板磨損量V和時(shí)間t在一定范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)計(jì)算受電弓滑板磨損速率u的均值μu和標(biāo)準(zhǔn)差σu，利用Matlab 軟件繪制滑板磨損量的概率密度分布函數(shù)f（V，t）三維曲線，見圖8.由圖可見，函數(shù)f（V，t）是連續(xù)且光滑的，近似符合正態(tài)分布.在一般情況下，一定時(shí)間t內(nèi)受電弓滑板的磨損量V不能接近零，更不能為無窮大.

圖8 滑板磨損量概率三維分布f（V，t） Fig.8 three-dimensional distribution of the probability f（V，t） of wear volume

將滑板的最大允許磨損量設(shè)為Vm，在磨損時(shí)間為（tmin，tmax）區(qū)間內(nèi)將其均分為n份（其中n→∞），取在無窮小的時(shí)間段值，滑板磨損概率[12-15]為t=ti時(shí)連續(xù)且光滑的函數(shù)值f（Vm，ti），表示為

當(dāng)n→∞時(shí)，得到

當(dāng)受電弓滑板的磨損量設(shè)定為Vm時(shí)，有

式中，（tmin，tmax）包含（t1，t2）.

將式（9）積分，得到滑板的磨損壽命概率分布函數(shù)為

式中，Vm是事先設(shè)計(jì)滑板時(shí)給出的最大允許磨損量，mg；tmin和tmax可通過滑板磨損速率u的均值和標(biāo)準(zhǔn)差求得，對(duì)于滑板給定磨損壽命t，其可靠度為

當(dāng)設(shè)定可靠度時(shí)，即R（t）=r（0≤r≤1），則滑板的剩余壽命t為

3.3 受電弓滑板磨損壽命預(yù)測(cè)分析

當(dāng)受電弓滑板工作于穩(wěn)定磨損期時(shí)，設(shè)當(dāng)可靠度R（t）分別取0.80、0.90、0.95和0.99時(shí)，滑板厚度最大允許磨損量Vm=10 mm，根據(jù)建立的給定可靠度下滑板磨損剩余壽命預(yù)測(cè)模型，利用Matlab軟件得到滑板壽命預(yù)測(cè)值與理論計(jì)算壽命結(jié)果對(duì)比分析，見表3.

表3 滑板壽命預(yù)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比 Tab. 3 comparison of life prediction value and theoretical calculation value of pantograph slider

從結(jié)果對(duì)比來看，本文建立的受電弓滑板磨損壽命預(yù)測(cè)值與可靠壽命理論計(jì)算值較接近，所建預(yù)測(cè)模型具有一定的準(zhǔn)確性.

4 結(jié)論

本文利用滑動(dòng)電接觸實(shí)驗(yàn)機(jī)，以純銅接觸網(wǎng)導(dǎo)線和碳滑板為研究對(duì)象，開展了不同條件下載流的摩擦實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和對(duì)滑板磨損壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)研究，得出如下結(jié)論：

（1）在不同接觸壓力波動(dòng)幅度下，通過滑板形貌、熱成像溫度、電弧等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)受電弓滑板的磨損特性進(jìn)行分析可知，接觸壓力波動(dòng)幅度越大，滑板磨損越嚴(yán)重.

（2）通過對(duì)受電弓滑板磨損量的研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)給定可靠度時(shí)，根據(jù)弓網(wǎng)系統(tǒng)電接觸剩余壽命與磨損量隨時(shí)間的變化關(guān)系式，能夠計(jì)算滑板的剩余使用壽命.

（3）考慮到滑板磨損受不同因素的影響，具有不確定性和分散性，建立了滑板在穩(wěn)定磨損階段基于可靠度磨損壽命預(yù)測(cè)模型，通過預(yù)測(cè)滑板壽命與計(jì)算壽命的對(duì)比分析，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型的正確性.通過預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)滑板剩余使用壽命，減少滑板的更換頻率，提高使用壽命，節(jié)約運(yùn)行成本，同時(shí)也為列車安全運(yùn)行提供一定的理論指導(dǎo).