高速列車弓網(wǎng)載流磨損匹配性研究*

徐超

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)計量研究所，北京 100081）

高速列車作為重要的交通運(yùn)輸工具，具有運(yùn)量大、能耗小、成本相對較低等優(yōu)點(diǎn)，在促進(jìn)人流的快速轉(zhuǎn)移等方面具有重要作用。列車速度越高，其在節(jié)省旅途時間的同時，更能提高工作效率，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有很好的促進(jìn)作用［1-4］。

高速列車主要通過受電弓滑板和接觸網(wǎng)導(dǎo)線的滑動摩擦受流取電，因此弓網(wǎng)關(guān)系是高速列車能夠運(yùn)行的重要技術(shù)，開展更高速度弓網(wǎng)關(guān)系的研究是列車再提速的前提。目前國內(nèi)外的列車運(yùn)行速度均在350 km/h以下，對400 km/h及以上高速列車的研究報道很少，高速下弓網(wǎng)關(guān)系的匹配性研究還缺少相關(guān)理論和數(shù)據(jù)支撐［5-10］。

文中基于我國的500 km/h高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗臺，開展速度400、450、500 km/h下不同型號接觸線與不同受電弓滑板的載流磨損匹配性試驗，研究不同速度下的弓網(wǎng)摩擦副的載流磨損匹配性，為更高速度列車的運(yùn)行提供技術(shù)支撐和理論指導(dǎo)。

1 試驗

1.1 試驗設(shè)備

高速弓網(wǎng)載流磨損匹配性研究在我國的500 km/h高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗臺上進(jìn)行，試驗設(shè)備如圖1所示。

圖1 高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗臺

1.2 試驗材料和試驗參數(shù)

試驗材料選型依據(jù)我國現(xiàn)有的接觸線和受電弓滑板的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2809—2017《電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線》、TJ/CL 328—2014《動車組碳滑板暫行技術(shù)條件》等的要求，并參考我國現(xiàn)有350 km/h高速列車的接觸線和滑板型號以及服役現(xiàn)狀，分別選用CTS150和CTMH150這2種型號的接觸線，對磨材料則選用純碳滑板和浸金屬碳滑板2種型號。

弓網(wǎng)匹配性載流磨損試驗的弓網(wǎng)接觸壓力和電流等試驗參數(shù)根據(jù)我國高速列車的服役工況以及經(jīng)驗公式進(jìn)行計算，弓網(wǎng)載流磨損試驗參數(shù)見表1。

表1 弓網(wǎng)載流磨損試驗參數(shù)

1.3 試驗過程及方法

試驗過程包括試驗前測量—試驗—試驗后測量等過程。具體試驗方法如下：

弓網(wǎng)載流磨損試驗前需要首先測量試驗用接觸線和滑板的質(zhì)量，然后將試驗用的接觸線、滑板根據(jù)表1中的試驗參數(shù)安裝到高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗臺上，啟動高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗臺，監(jiān)控相關(guān)試驗參數(shù)，開始試驗。試驗完成后，拆卸試樣，按試驗前的方法測量接觸線的磨后直徑、滑板的磨后質(zhì)量，計算磨耗速率。

文中試驗數(shù)據(jù)測量采用靜態(tài)測量方法，試驗中通過如下參數(shù)表征接觸線和滑板的載流磨損性能：接觸線面積實測磨耗比（mm2/萬弓架次），滑板質(zhì)量實測磨耗比（g/萬機(jī)車公里）。這些參數(shù)通過式（1）、式（2）計算得出：

式中：Wzl為滑板重量實測磨耗比，g/萬機(jī)車公里；Wjcx為接觸線面積實測磨耗比，mm2/萬弓架次；mcs為滑板初始質(zhì)量，g；mmh為滑板磨耗后質(zhì)量，g；Ljc為機(jī)車?yán)锍?，萬機(jī)車公里；Axcs為接觸線初始截面積，mm2；Axmh為 接 觸 線 磨 耗 后 截 面 積，mm2；nsdg為受電弓通過接觸線次數(shù)，萬弓架次。

試驗過程中，為了比對不同參數(shù)對載流磨損的影響，本次試驗將400 km/h下CTS150接觸線和純碳滑板的載流磨損試驗實測數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，其他參數(shù)下的實測磨耗比與此試驗數(shù)據(jù)的比值作為相對磨耗比（%）進(jìn)行對比，后續(xù)所述的磨耗比均為相對磨耗比。

2 試驗結(jié)果與分析

CTS150、CTMH150銅合金接觸線與純碳滑板和浸金屬碳滑板是目前常用的弓網(wǎng)摩擦副。隨著列車速度的逐漸提高，接觸線和滑板單位時間內(nèi)的磨耗量增加，弓網(wǎng)之間的動態(tài)作用力、溫升等均會發(fā)生變化，其磨耗比也隨之變化。不同列車運(yùn)行速度下，選用合適的匹配摩擦副材料對降低運(yùn)維成本、保證列車運(yùn)行可靠性具有重要作用。文中分別通過試驗對比研究了速度400、450、500 km/h下接觸線和受電弓滑板的載流磨損匹配性能。

2.1 400 km/h速度匹配性

在400 km/h下CTS150、CTMH150銅合金接觸線與純碳滑板和浸金屬碳滑板的相對磨耗比如圖2所示。

分析CTS150接觸線與受電弓滑板的載流磨損匹配性，從圖2中可以看出，在400 km/h速度下，CTS150接觸線與滑板進(jìn)行載流磨損過程中，無論接觸線面積磨耗比，還是滑板質(zhì)量磨耗比，其基本都是先在500萬機(jī)車公里時達(dá)到最大值，后續(xù)載流磨損基本趨于穩(wěn)定或平緩下降狀態(tài)，說明500萬機(jī)車公里時載流磨耗的1個磨耗狀態(tài)的臨界點(diǎn)。

圖2 400 km/h接觸線和滑板的磨耗比

同時對比發(fā)現(xiàn)，CTS150接觸線與純碳滑板和浸金屬碳滑板的穩(wěn)定后的磨耗比表現(xiàn)出相反的磨耗規(guī)律。載流磨耗3 000萬機(jī)車公里穩(wěn)定后，CTS150與浸金屬碳滑板匹配時的接觸線面積磨耗比是與純碳滑板磨耗時的35%，而CTS150與浸金屬碳滑板匹配時的滑板質(zhì)量磨耗比則是與純碳滑板磨耗時的約5倍。從單純的磨耗數(shù)據(jù)中，不易判斷CTS150接觸線與純碳滑板、浸金屬碳滑板哪種匹配性更好；但是考慮到實際服役過程中，接觸線的使用年限一般為30年，一旦接觸線安裝好后30年內(nèi)基本不需要更換，并且其更換帶來的成本更高；而滑板一般幾個月可以更換一次，并且更換方便。因此，CTS150接觸線的匹配滑板要從運(yùn)維成本以及試驗數(shù)據(jù)綜合考慮。

此外，對比CTMH150接觸線與受電弓滑板的載流磨損匹配性發(fā)現(xiàn)，400 km/h速度下CTMH150接觸線與浸金屬碳滑板匹配時，其接觸線面積磨耗比隨著磨耗機(jī)車公里呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，而滑板質(zhì)量磨耗比則是同樣在500萬機(jī)車公里時出現(xiàn)最大值，隨后逐漸降低。CTMH150接觸線與純碳滑板匹配時，其接觸線面積磨耗比和滑板質(zhì)量磨耗比均是在500萬機(jī)車公里時出現(xiàn)最大值，此后隨著磨耗機(jī)車公里逐漸降低或趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

對比發(fā)現(xiàn)，400 km/h速度下載流磨耗3 000萬機(jī)車公里后，CTMH150接觸線與純碳滑板和浸金屬碳滑板的磨耗比則表現(xiàn)出相近的磨耗規(guī)律，即CTMH150接觸線與純碳滑板匹配時的接觸線和滑板磨耗比均小于其與浸金屬碳滑板匹配時的磨耗比。從圖2中可以看出，載流磨耗3 000萬機(jī)車公里后，CTMH150接觸線與純碳滑板匹配時的接觸線面積磨耗比為與浸金屬碳滑板匹配時的69%，而滑板質(zhì)量磨耗比則為23%。說明400 km/h速度下CTMH150接觸線與純碳滑板具有更好的匹配性。

分析4種匹配工況下的滑板質(zhì)量磨耗比，發(fā)現(xiàn)無論哪種接觸線與浸金屬碳滑板匹配時，其滑板重量磨耗比均明顯高于與純碳滑板匹配時的磨耗。

2.2 450 km/h速度匹配性

在450 km/h下，CTS150、CTMH150銅 合 金 接觸線與純碳滑板和浸金屬碳滑板4種匹配工況下的載流磨損性能如圖3所示。

圖3 450 km/h接觸線和滑板的磨耗比

450 km/h下，CTS150接觸線與受電弓滑板的載流磨損匹配性，發(fā)現(xiàn)接觸線面積磨耗比和滑板質(zhì)量磨耗比大部分均是隨著磨耗機(jī)車公里先增加至最高值，然后逐漸趨于穩(wěn)定或緩慢降低，其中滑板質(zhì)量磨耗比的臨界點(diǎn)為500萬機(jī)車公里，而接觸線面積磨耗比的臨界點(diǎn)則在500萬～1 000萬機(jī)車公里之間。分析發(fā)現(xiàn)，CTS150接觸線與浸金屬碳滑板的接觸線面積磨耗比是隨著磨耗機(jī)車公里逐漸增加的。

針對CTS150接觸線，在載流磨耗3 000萬機(jī)車公里并趨于穩(wěn)定時，其與純碳滑板匹配時的接觸線面積磨耗比為與浸金屬碳滑板匹配時的34%，而滑板質(zhì)量磨耗比則為與浸金屬碳滑板匹配時的15%，說明CTS150接觸線與純碳滑板匹配時具有較好載流磨損性能。

而CTMH150接觸線在載流磨耗3 000萬機(jī)車公里后，其與純碳滑板匹配時的接觸線面積磨耗比、滑板質(zhì)量磨耗比分別為與浸金屬碳滑板匹配時的55%和10%。

450 km/h下，無 論CTS150還 是CTMH150接觸線，其與純碳滑板匹配時均具有較低的接觸線面積磨耗比和滑板質(zhì)量磨耗比，說明純碳滑板在450 km/h下具有較好載流磨損匹配性，而CTS150接觸線具有更低的接觸線磨耗量。

2.3 500 km/h速度匹配性

在500 km/h下，CTS150、CTMH150銅 合 金 接觸線分別與純碳滑板和浸金屬碳滑板進(jìn)行載流磨耗過程中的接觸線面積磨耗比和滑板質(zhì)量磨耗比如圖4所示。500 km/h時接觸線磨耗比和滑板磨耗比隨載流磨耗公里增加表現(xiàn)出不同變化規(guī)律。

圖4 500 km/h接觸線和滑板的磨耗比

500 km/h時接觸線面積磨耗比的總體趨勢均是隨著磨耗公里逐漸增加，而接觸線與純碳滑板對磨時的滑板質(zhì)量磨耗比則是先升高至最高點(diǎn)后再逐漸降低，500萬機(jī)車公里是其臨界點(diǎn)；接觸線與浸金屬碳滑板的滑板質(zhì)量磨耗比的總體趨勢是逐漸增加。其中，CTS150接觸線與浸金屬碳滑板載流磨耗過程中在2 000萬機(jī)車公里時出現(xiàn)一個低值，隨后總體逐漸升高。

同時對比發(fā)現(xiàn)，載流磨耗3 000萬機(jī)車公里后，CTS150和CTMH150與純碳滑板匹配時的接觸線和滑板磨耗比均低于其與浸金屬匹配時的磨耗比。其中，CTS150與純碳滑板對磨時的接觸線面積磨耗比、滑板質(zhì)量磨耗比分別為與浸金屬碳滑板的21%和11%；而CTMH150接觸線與純碳滑板對磨時的接觸線面積磨耗比、滑板質(zhì)量磨耗比則分別為與浸金屬碳滑板的24%和14%。發(fā)現(xiàn)CTS150接觸線與純碳滑板匹配時具有更低的接觸線面積磨耗比和滑板質(zhì)量磨耗比。

3 結(jié)論

在高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗臺上對比研究了速度400、450、500 km/h下CTS150、CTMH150銅合金接觸線與受電弓純碳滑板和浸金屬碳滑板對磨時的載流磨損匹配性，得出如下結(jié)論：

（1）速度400、450 km/h下，接觸線和滑板磨耗比基本均是隨著磨耗里程先增加至最高點(diǎn)，隨后逐漸趨于穩(wěn)定或者降低，其中500萬機(jī)車公里是滑板質(zhì)量磨耗比的臨界點(diǎn)，500萬～1 000萬機(jī)車公里是接觸線面積磨耗比的臨界點(diǎn)。

（2）速度500 km/h下，接觸線面積磨耗比隨磨耗公里總體趨勢是一直增加，滑板質(zhì)量磨耗比的變化趨勢則與滑板材料有關(guān)。

（3）速度450、500 km/h下，純碳滑板與接觸線對磨時無論是接觸線還是滑板均相比浸金屬碳滑板具有更低的磨耗比；400 km/h時的滑板磨耗比則更低。

（4）速度450、500 km/h下，CTS150接觸線與純碳滑板對磨時具有更低的磨耗比。