高速列車受電弓與接觸網(wǎng)載流摩擦研究★

王茹玉，張治國(guó)

（西安交通工程學(xué)院，陜西 西安 710300）

1 研究的目的和意義

隨著鐵道電氣化的發(fā)展，電力機(jī)車的行駛速度大大提升，電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)中的受電弓和接觸網(wǎng)系統(tǒng)就成為一個(gè)制約列車運(yùn)行速度的重要環(huán)節(jié)。受電弓滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線通過(guò)滑動(dòng)接觸獲取電能并且將電能傳遞給電力機(jī)車以保證列車的正常運(yùn)行，良好的受流質(zhì)量是列車高速、安全可靠運(yùn)行的前提。接觸網(wǎng)導(dǎo)線與受電弓構(gòu)成的是一個(gè)相互接觸的彈性系統(tǒng)，在列車高速運(yùn)行過(guò)程中兩者的接觸壓力是時(shí)刻變化的。隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，這種波動(dòng)壓力載荷現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重的影響列車受流質(zhì)量以及摩擦副的使用壽命，從而影響列車的高速運(yùn)行的速度，研究這種波動(dòng)接觸壓力下的滑動(dòng)接觸載流摩擦特性對(duì)于列車安全可靠運(yùn)行以及進(jìn)一步提高運(yùn)行速度都有著重要的研究意義。同時(shí)，許多不同材質(zhì)的受電弓滑板和不同型號(hào)的接觸線相繼應(yīng)用于高速列車的發(fā)展上，因此可以在其中找出弓網(wǎng)材料之間摩擦產(chǎn)生磨損最小的改良辦法，從而提高弓網(wǎng)系統(tǒng)載流摩擦磨損所損耗的弓網(wǎng)使用壽命[1]。

2 弓網(wǎng)系統(tǒng)

受電弓主要就是從接觸網(wǎng)上獲取電能的設(shè)備，為高速列車供電，可以說(shuō)受電弓直接影響著列車的運(yùn)行情況。

高速鐵路的受電是通過(guò)接觸網(wǎng)和受電弓緊密接觸而實(shí)現(xiàn)的，受電弓的受電是否正常是決定弓網(wǎng)關(guān)系的重要技術(shù)指標(biāo)。一個(gè)工作可靠的受電弓和接觸網(wǎng)系統(tǒng)是確保高速動(dòng)車良好取流的根本條件[2]。

在高速運(yùn)行下，弓網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)于受電產(chǎn)生的影響，摩擦方面主要表現(xiàn)在受電弓滑板與接觸導(dǎo)線間的接觸壓力，在受電弓滑板與接觸導(dǎo)線相互接觸時(shí)，受電弓對(duì)接處導(dǎo)線有一個(gè)抬升力，可以使導(dǎo)線產(chǎn)生抬升量，兩者不接觸時(shí)，接觸導(dǎo)線由于自身重力產(chǎn)生一個(gè)下垂力進(jìn)而產(chǎn)生下垂量，靜態(tài)的時(shí)候抬升力就等于接觸壓力，當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)受電弓沿接觸導(dǎo)線移動(dòng)時(shí)受電弓的高度就開始迅速變化并且受電弓還受到了高速空氣動(dòng)力的作用。將會(huì)引起接觸壓力的變化，所引起的后果有出現(xiàn)電弧、使受電弓或接觸線燒傷，壓力變小時(shí)會(huì)造成受電弓離線，壓力變大使接觸導(dǎo)線過(guò)分升高，當(dāng)然這些都會(huì)使受電弓滑板與接觸導(dǎo)線的摩擦增大。

3 載流摩擦磨損

載流摩擦磨損是指在電流通過(guò)的情況下，摩擦副在電場(chǎng)中的摩擦磨損行為。電力系統(tǒng)是電氣化鐵路中的，電力傳輸?shù)馁|(zhì)量會(huì)直接影響到機(jī)車的運(yùn)行速度和牽引力接觸線與受電弓滑板之間的摩擦狀態(tài)是衡量受流標(biāo)準(zhǔn)的重要指標(biāo)[3]。

與載流摩擦副相比，普通摩擦副多了一個(gè)接觸系統(tǒng)，包括電接觸系統(tǒng)和摩擦接觸系統(tǒng)。這兩個(gè)系統(tǒng)不是單一的疊加，它們是相互影響、共同作用的，沒(méi)有一個(gè)單一的系統(tǒng)可以相比。

研究計(jì)算：以400 km/h 高速列車為例。根據(jù)高速列車的服役工況以及經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，以磨合里程定位1 000 km 進(jìn)行計(jì)算，如表1 所示，滑板及其對(duì)應(yīng)接觸網(wǎng)類型和數(shù)據(jù)。

表1 滑板、接觸網(wǎng)類型、數(shù)據(jù)

式中：y0為滑板初始質(zhì)量，g；y1為滑板磨損后質(zhì)量，g；h0為初始高度，mm；h1為磨損后高度，mm；s0為初始截面積，mm2；s1為磨耗截面積，mm2；a 為滑板質(zhì)量磨耗比；b 為接觸線高度磨耗量；c 為接觸線橫截面積磨耗比；d 為萬(wàn)機(jī)車公里；e 為萬(wàn)弓架次。

根據(jù)數(shù)據(jù)得到的結(jié)論所示，表2 所示為浸金屬碳滑板各種接觸線型號(hào)的質(zhì)量磨耗比、高度磨耗比以及橫截面積磨耗比。表3 所示為純碳滑板的各種接觸線型號(hào)的質(zhì)量磨耗比、高度磨耗比以及橫截面積磨耗比。綜上所述，純碳滑板的所有磨耗都比較小，最好的組合就是純碳滑板和CTS150 型接觸線。

表2 浸金屬碳滑板

表3 純碳滑板

4 降低受電弓滑板與接觸網(wǎng)載流磨損的措施

4.1 受電弓滑板的檢修和降低受電弓滑板磨損的方法

4.1.1 受電弓滑板的檢修[4]

1）滑板有沒(méi)有磨損和裂痕，如果有磨損和裂痕或者局部的磨損使剩余厚度為2～3 mm 時(shí)，我們就需要換掉受電弓滑板。

2）換掉受電弓滑板安裝新的滑板時(shí)，滑板和弓角必須滿足安裝條件。

3）在車頂安裝時(shí)，我們需要對(duì)集電頭提前裝配和調(diào)整。

4）在受電弓滑板的檢修時(shí)，我們還要注意兩個(gè)問(wèn)題：集電頭部分有沒(méi)有損壞和彈簧盒的彈性是不是較為良好。

4.1.2 滑板的更換

1）滑板更換時(shí)必須兩個(gè)為一組更換。

2）拆卸滑板上的連接螺母，卸下滑板測(cè)量滑板的厚度，如果有磨損和裂痕或者局部的磨損使剩余厚度為2～3 mm 時(shí)，受電弓滑板需要及時(shí)更換。

3）安裝時(shí)滑板應(yīng)對(duì)應(yīng)好位置，調(diào)整螺栓的松緊，使其緊固力矩平衡，達(dá)到要求。

4.1.3 降低受電弓滑板磨損的方法

1）滑板的磨損形態(tài)。接觸線上設(shè)置了偏移主要是為了防止受電弓滑板在同一個(gè)地方滑動(dòng)摩擦然后磨損。受電弓滑板的磨損行磨損形態(tài)與接觸線所設(shè)置的偏移位置相對(duì)應(yīng)，這樣所接觸的地方摩擦磨損就會(huì)加大。

2）外部潤(rùn)滑。金屬系滑板可以防止黏附磨損這樣可以有效的可以降低受電弓滑板與接觸線的磨損。固體潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑脂對(duì)于防止黏附磨損的特別有效的方法。潤(rùn)滑脂從填充點(diǎn)起隨著距離的延長(zhǎng)這樣潤(rùn)滑脂的著附量就會(huì)減少，如果從基地算起20 km 左右范圍內(nèi)都是有效的附著量。為了延長(zhǎng)使用距離就用了更為有效的固體潤(rùn)滑劑，它是使用在燒結(jié)硬質(zhì)合金滑板縫隙里的。

3）降低磨損的方法。由于現(xiàn)在新型受電弓的研發(fā)和動(dòng)作特性的提高還有削減受電弓的數(shù)量使受電的電流容量增加滑板的使用條件也會(huì)隨之發(fā)生改變現(xiàn)在主要研發(fā)方向是提高自身潤(rùn)滑和耐電弧性當(dāng)然，為了降低接觸線的損磨滑板，多使用碳系滑板也會(huì)解決磨損問(wèn)題。

4.2 接觸網(wǎng)的檢修和降低接觸線黏附磨損的方法

4.2.1 接觸網(wǎng)的檢修

1）停電檢修：列車運(yùn)行圖要預(yù)留一定的時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)不可以將運(yùn)行中的軌道線路區(qū)間的接觸網(wǎng)停電檢修。

2）間接的帶電檢修：列車在運(yùn)行的期間，我們檢修的時(shí)候需要選在運(yùn)行間隙用絕緣工具將接觸線拉高，以免出現(xiàn)危險(xiǎn)狀況。絕緣子需要用處理過(guò)的水沖洗，再用測(cè)量?jī)x測(cè)量出參數(shù)。

3）直接的帶電檢修：隧道、橋梁和其他路段以及絕緣子擦洗等維護(hù)工程中，不允許使用絕緣梯車帶電作業(yè)。

4.2.2 降低接觸線黏附磨損

1）兩固體間通過(guò)膜接觸避免直接接觸。這種方法主要就是潤(rùn)滑。但是由于受電系統(tǒng)通過(guò)非導(dǎo)電性膜接觸會(huì)影響導(dǎo)電性，所以不能完全采用潤(rùn)滑的方式。在一些低速區(qū)段設(shè)置了接觸線自動(dòng)涂抹潤(rùn)滑油的裝置，這樣可以有效降低接觸線的磨損；反之，在高速區(qū)段設(shè)置這樣的裝置會(huì)增加接觸線的磨損。所在干凈的固體摩擦面直接接觸也會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦[5]。

2）使用硬質(zhì)材料不使固體內(nèi)部產(chǎn)生剪切。這樣可以減少自身摩擦，但是在黏附比較強(qiáng)的時(shí)候也是有可能造成另外一種固體材料的損傷。受電系統(tǒng)也不能完全依靠于潤(rùn)滑，也不能依靠增加機(jī)械強(qiáng)度減少磨損。

3）滑動(dòng)部位材料的組合，應(yīng)使用相互不易粘附的材料。這種方法對(duì)于不全部依靠潤(rùn)滑的受電系統(tǒng)很重要。同種固體材料比較容易產(chǎn)生黏附摩擦，在以往的設(shè)計(jì)中都會(huì)出現(xiàn)，在機(jī)械設(shè)計(jì)中“同質(zhì)合金”的摩擦處需要回避使用同種金屬。

4.3 降低弓網(wǎng)系統(tǒng)摩擦磨損的方法

1）需要提高受電弓滑板材料的自潤(rùn)滑性和降低受電弓接觸網(wǎng)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。載流摩擦磨損主要就是焦耳熱和電孤熱，但是現(xiàn)在弓網(wǎng)滑動(dòng)摩擦大，摩擦系數(shù)也會(huì)增加，摩擦力所做的功也會(huì)增大，產(chǎn)生的摩擦熱也會(huì)隨著增大。這樣滑板材料的溫度也會(huì)升高，這樣就會(huì)加劇摩擦磨損的產(chǎn)生。除了降低焦耳熱和電孤熱還需要降低受電弓接觸網(wǎng)之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，從而提高材料的耐磨性。為了降低損耗，現(xiàn)在受電弓滑板主要是使用碳滑板，碳的自潤(rùn)滑性和減磨性比較好，對(duì)接觸線磨損較小，不容易發(fā)生熔焊的現(xiàn)象。還有一種浸金屬碳滑板它擁有金屬滑板和碳滑板的優(yōu)良性能。這兩種滑板是應(yīng)用在高速列車上的主要滑板。

2）采用相互符合的受電弓接觸網(wǎng)的材料。不同材質(zhì)的受電弓接觸網(wǎng)在高速滑動(dòng)的情況下摩擦磨損的程度也不同，所以最好選用受電弓接觸網(wǎng)的材質(zhì)相互匹配，這樣機(jī)械性能和電氣性能也能夠很好的匹配。匹配度較高的是銅制接觸網(wǎng)導(dǎo)線與碳滑板或浸金屬滑板。所以要在不同材質(zhì)的弓網(wǎng)間進(jìn)行匹配實(shí)驗(yàn)，從而選出匹配度最高的。

3）提高弓網(wǎng)工作面上的特性匹配。要從弓網(wǎng)工作面的硬度、輪廓和外貌等參數(shù)匹配出能夠提高弓網(wǎng)接觸的狀態(tài)和抑制電孤的產(chǎn)生?，F(xiàn)在所研究的可以通過(guò)改變工作面的接觸狀態(tài)減少弓網(wǎng)滑動(dòng)摩擦磨損。

4）減輕受電弓滑板的重量。在設(shè)計(jì)高速列車受電弓的時(shí)候，我們對(duì)于受電弓滑板的設(shè)計(jì)一定要盡量做到的是重量盡可能的最小，主要是為了改善受電弓滑板的隨動(dòng)性，減少受電弓滑板的離線情況。