弓網(wǎng)電接觸系統(tǒng)服役性能的縱向磁場優(yōu)化

何志江 楊澤鋒,2 王 虹 魏文賦 吳廣寧

弓網(wǎng)電接觸系統(tǒng)服役性能的縱向磁場優(yōu)化

何志江1楊澤鋒1,2王 虹1魏文賦1吳廣寧1

（1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 611765 2. 成都國佳電氣工程有限公司 成都 610093）

弓網(wǎng)接觸副是高速列車獲取能量的唯一路徑，決定了列車能量傳遞的安全與穩(wěn)定。弓網(wǎng)運行條件苛刻，需同時面對全天候復(fù)雜環(huán)境、高速滑動振動、大容量電能傳輸?shù)忍魬?zhàn)，接觸副出現(xiàn)過度磨耗與異常磨損?，F(xiàn)有的弓網(wǎng)磨耗調(diào)控措施往往僅提升機械電氣某單一方面性能，而綜合性能難以同時滿足大容量和長時服役需求。考慮到磁場在調(diào)控接觸界面氧化與磨粒分布等方面的效應(yīng)，提出引入縱向磁場的弓網(wǎng)磨耗主動調(diào)控思路。該文通過改變磁場參數(shù)，研究了磁場強度與極性對弓網(wǎng)接觸副載流摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：縱向磁場可有效降低摩擦系數(shù)的數(shù)值及波動性，且在載流工況下效果更顯著；隨著磁感應(yīng)強度的增加，摩擦系數(shù)先降低后上升，磨損量則持續(xù)降低；不同極性磁場均有減緩摩擦磨損的作用。研究結(jié)果對需調(diào)版解決弓網(wǎng)異常磨耗問題的主動調(diào)控方法，以及提升弓網(wǎng)運行的穩(wěn)定性具有指導(dǎo)意義。

高速鐵路 磁場優(yōu)化 弓網(wǎng)系統(tǒng) 載流摩擦 抗磨減摩

0 引言

截至2020年底，我國高速鐵路運營總里程已達(dá)3.8萬km，居世界第一。高鐵已成為人民日常生活、國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中必不可少的一部分。高速列車通過車頂受電弓與接觸網(wǎng)（簡稱弓網(wǎng)）之間的滑動電接觸獲取電能，弓網(wǎng)關(guān)系是高速鐵路三大基礎(chǔ)關(guān)系之一，決定了列車能量傳遞的安全與穩(wěn)定。實際運行時，弓網(wǎng)接觸副運行條件嚴(yán)苛，需同時面對全天候環(huán)境、高速滑動振動、大功率電能傳輸?shù)忍魬?zhàn)。車速和功率提升后，弓網(wǎng)機械電氣耦合加劇，弓網(wǎng)磨耗加劇，甚至出現(xiàn)異常磨損，服役壽命受到嚴(yán)重影響[1-5]。目前，國內(nèi)外針對弓網(wǎng)異常磨耗調(diào)控措施的研究主要集中在新型滑板材料研制和弓網(wǎng)機械匹配關(guān)系改善兩方面。其中，前者往往僅提升機械電氣某單一方面性能，綜合性能難以同時兼顧大容量電能傳輸和長服役壽命的工程實際需求；后者則在本質(zhì)上仍屬于被動保護(hù)，通過優(yōu)化接觸載荷與材料配副降低弓網(wǎng)離線率，在一定程度上可改善特定線路的服役狀況，而對不同工況線路的普適性仍需加強[6-9]。因此，有必要開拓思路，探索新型有效、便捷的弓網(wǎng)主動保護(hù)措施。

在傳統(tǒng)機械摩擦系統(tǒng)中，已嘗試引入磁場優(yōu)化摩擦系統(tǒng)的服役水平。例如，在加工業(yè)中通過磁化線圈給切削刀具施加磁場以減少刀具磨損；在采礦業(yè)中將球磨機中的普通高錳鋼襯板替換為磁性襯板，可延長核心部件使用壽命，減少維修與更換成本等[10-11]。Y. Iida等[12]指出磁場通過促進(jìn)位錯向表面的聚集，提升了接觸表面的硬度，從而提高了刀具的耐磨性；K. Kumagai等[13-14]指出磁場將磨粒吸附到接觸表面，避免了金屬的直接接觸和粘著磨損，從而降低了磨損量；K. J. Chin等[15-16]指出磁場能提升接觸區(qū)域的氧壓，促進(jìn)表面和磨粒的氧化，從而實現(xiàn)摩擦磨損量的降低。但在載流接觸副中，磁場對表面膜生成、磨粒分布等的作用，除了對摩擦磨損性能產(chǎn)生影響外，還會對電接觸特性造成一定影響[17]。磁場對這兩種影響的競爭關(guān)系尚無研究，相關(guān)機理尚不明確。綜上所述，前期的研究主要集中于磁場對純機械接觸副摩擦磨損性能的影響，對于弓網(wǎng)系統(tǒng)這種載流滑動電接觸副，磁場在其摩擦磨損過程中起的作用是值得研究的新問題。

本文搭建了弓網(wǎng)滑動電接觸模擬實驗平臺，研究了外加磁場對載流摩擦磨損的影響作用。具體表現(xiàn)為通過改變磁感應(yīng)強度、磁場極性，研究了不同參數(shù)對弓網(wǎng)接觸副摩擦系數(shù)與磨損率、電接觸特性、表面形貌及接觸溫升等的影響規(guī)律，并對磁場影響的機理進(jìn)行了分析。研究結(jié)果可為優(yōu)化弓網(wǎng)載流摩擦磨損、提升弓網(wǎng)運行的穩(wěn)定性提供借鑒。

1 試驗簡介

1.1 試驗設(shè)備

為更貼合鐵路弓網(wǎng)接觸副運行方式，本文采用自制的直線往復(fù)式載流摩擦磨損試驗臺，示意圖如圖1所示，具體接觸形式如圖2所示。

圖1 弓網(wǎng)載流摩擦磨損試驗臺示意圖

圖2 弓網(wǎng)接觸副及其接觸區(qū)域示意圖

試驗設(shè)備主要有載流摩擦試驗臺、磁場施加裝置、恒流電源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。銅接觸線由線夾固定于兩柱之間，滑板由夾具固定于接觸線下方。接觸線與滑臺呈一定角度傾斜布置，以模擬實際鐵路弓網(wǎng)的“之”字形運動。磁場施加裝置安裝于滑板下方，通過調(diào)節(jié)永磁鐵與滑板間的距離，可提供0～0.15T的穩(wěn)定磁場。在線性滑軌的帶動下，滑板與接觸線接觸，并做往復(fù)直線運動。夾具下方安裝兩個力傳感器分別測量運行過程中的切向載荷和法向載荷。傳感器下方的氣缸可提供20～200N連續(xù)可調(diào)的法向載荷。電源可提供0～300A連續(xù)可調(diào)的直流電。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實時采集切向載荷、法向載荷、電壓和電流的數(shù)值。

1.2 試驗材料及方法

試驗所用摩擦副為實際鐵路使用的純銅接觸線和純碳滑板。其中，接觸線中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%，雜質(zhì)主要為O，選取長度為1m；滑板中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.8 %，雜質(zhì)主要為O和S，試樣規(guī)格為100mm×35mm×35mm。

試驗前分別用300號和2000號的砂紙將滑板和接觸線表面打磨平整。隨后進(jìn)行不同工況試驗，試驗條件見表1。用精度為0.1mg的電子天平測量試驗前后滑板質(zhì)量，計算磨損程度。由于接觸線磨耗較小且不易拆卸，本次試驗暫不考慮其磨耗。試驗過程中，選取整個行程的一端作為拍攝角度，用三腳架固定手持式紅外成像儀對接觸區(qū)域進(jìn)行拍攝，以表征滑板表面溫度，其中紅外設(shè)備測溫量程為0～500℃，精度為±1℃，拍攝幀率設(shè)置為15幀/s。試驗后用光學(xué)顯微鏡對滑板表面形貌進(jìn)行觀察，并利用X射線能譜（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS）分析其表面成分。最后，通過算法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各工況下平均摩擦系數(shù)與平均接觸電阻。同時，為消除系統(tǒng)運行中產(chǎn)生的低頻摩擦振動分量，在處理前先對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波[18]。為減小誤差，所得結(jié)果均為3次相同工況試驗的平均值。

表1 試驗條件

Tab.1 The test conditions

定義磨損率為

式中，1為試驗前滑板質(zhì)量，mg；2為試驗后滑板質(zhì)量，mg；為相對滑動距離，km。

式中，τi為動態(tài)切向力，N；ni為動態(tài)法向力，N。

定義平均接觸電阻為

式中，U為接觸副間動態(tài)電壓，V；I為動態(tài)電流，A。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 磁場對實時摩擦系數(shù)及溫升的影響

圖3為不同工況下摩擦系數(shù)實時變化曲線及其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。圖3a為無電流無外加磁場、無電流有外加磁場、有電流無外加磁場、有電流有外加磁場四種工況下摩擦系數(shù)隨時間的實時變化曲線；圖3b為各工況摩擦系數(shù)曲線對應(yīng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。其中，標(biāo)準(zhǔn)差表征對應(yīng)曲線的波動性。從圖中可以看出，無電流無外加磁場工況下，摩擦系數(shù)在0.11～0.15之間變化，具有一定波動性。

圖3 不同工況下摩擦系數(shù)實時變化曲線及其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差

通入40A電流后，摩擦系數(shù)的波動性明顯增大，在0.14～0.22之間變化。在起初的3min內(nèi)，電流帶來的溫升軟化了銅接觸線，這使得相比于無電流工況摩擦系數(shù)略微降低[19]，如圖3a初始階段中局部放大部分。在之后的32min內(nèi)，摩擦系數(shù)經(jīng)歷了兩次明顯增加。第一次發(fā)生在3min，摩擦系數(shù)由0.14提升至0.17，隨后進(jìn)入穩(wěn)定波動階段。此次摩擦系數(shù)提升的主要原因是，在載流摩擦副運行過程中，當(dāng)接觸狀態(tài)變差，將在接觸區(qū)域間隙產(chǎn)生電弧及電火花，其對碳滑板表面的燒蝕作用將使接觸表面變粗糙，增加摩擦過程中的犁削分量及接觸微凸體的變形分量，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)增加[20]。第二次發(fā)生在24min，摩擦系數(shù)由0.17增加至0.21，隨后進(jìn)入穩(wěn)定波動階段。摩擦系數(shù)再次提升的原因可能是電接觸的實際接觸面積極小，為離散的接觸斑點[17]（見圖2），而燒蝕造成的接觸面變粗糙將進(jìn)一步減小實際接觸面積。當(dāng)大電流通過這些小接觸斑點時，會出現(xiàn)局部溫度過高現(xiàn)象，如圖4所示，接觸區(qū)域出現(xiàn)了肉眼可見的紅色高溫斑點。利用紅外成像儀可以測出，此時接觸區(qū)域最高溫度已經(jīng)接近300℃。長時間的過高溫度將弱化滑板的機械性能，引起開裂、掉塊等現(xiàn)象，使得表面粗糙度進(jìn)一步增加[21]，摩擦系數(shù)增大，且較第一次提升幅度更大。

圖4 接觸區(qū)域局部溫度過高現(xiàn)象

在載流工況下加入垂直于接觸面、強度為0.1 T的穩(wěn)恒磁場，摩擦系數(shù)明顯減小，在0.12附近穩(wěn)定波動。觀察試驗后接觸表面，發(fā)現(xiàn)與無外加磁場工況相比，磁場工況下接觸線表面的黑色碳轉(zhuǎn)移層更加明顯，而滑板表面銅轉(zhuǎn)移量明顯減少，且轉(zhuǎn)移的銅由明顯的亮黃色變?yōu)榘岛谏?。碳具有良好的自潤滑性，碳轉(zhuǎn)移量的增加促進(jìn)了接觸副間的潤滑作用；氧化銅與碳之間的分子間作用力遠(yuǎn)小于銅與碳之間的分子間作用力，銅轉(zhuǎn)移量的減少及其氧化程度的提升減緩了接觸副間的粘著效應(yīng)[22]，這兩者的共同作用是導(dǎo)致摩擦系數(shù)及其波動性下降的主要原因。

為探究電流在磁場減摩中的作用，進(jìn)行了無電流與有外加磁場的對照試驗。該工況下摩擦系數(shù)在0.11～0.16之間變化，具有一定波動性。其摩擦系數(shù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差與無電流、無外加磁場工況基本一致，表明磁場能否對弓網(wǎng)接觸副起減摩作用與有無電流具有強相關(guān)性。

隨后利用紅外成像儀對實驗后的滑板進(jìn)行拍攝測溫，結(jié)果如圖5所示。其中，圖5a為無電流、無外加磁場，白色虛線框內(nèi)為滑板；圖5b為有電流、無外加磁場；圖5c為有電流、有外加磁場。無電流、無磁場工況的平均溫度為20.4℃。此時滑板熱量僅由機械摩擦產(chǎn)生，與室溫相差不大。電流引入后，平均溫度為46.5℃，較無載流工況提升近1倍。此時滑板熱量為摩擦熱、焦耳熱和電弧熱三者的疊加[23]。加入0.1T磁場后，平均溫度為51.5℃，相較無磁場載流工況提升近10%，表明外加磁場對溫度提升具有一定促進(jìn)作用。溫升增加的主要原因有兩方面：一方面，磁場促進(jìn)了氧化膜的生成，而銅氧化物的電阻率遠(yuǎn)大于金屬銅[17]，使得接觸電阻提升，增加了溫升中焦耳熱部分；另一方面，接觸區(qū)域的磁感應(yīng)強度分布并不均勻，其中微凸峰接觸區(qū)的磁感應(yīng)強度較大，而未接觸區(qū)的磁感應(yīng)強度較小。在接觸線相對于滑板運動時，接觸線表面微凸峰區(qū)域產(chǎn)生了一定頻率的動態(tài)磁化現(xiàn)象。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，接觸線內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電流[11,24]，這將進(jìn)一步提升滑板表面溫升。對比圖5c與圖5a、圖5b可以發(fā)現(xiàn)，外加磁場后，滑板表面溫度分布的不均勻程度增加。這可能是因為氧化膜在載流摩擦中處于“生成—破裂—再生成”的動態(tài)過程，使得滑板表面并未被氧化膜完全覆蓋，故焦耳熱分布不均勻。同時，動態(tài)磁化產(chǎn)生的感應(yīng)電流并非均勻分布，也增加了表面溫升分布的不均勻程度。結(jié)合以上不同工況下滑板表面紅外分析，可以得出電流與減摩作用具有強相關(guān)性的原因是金屬銅的氧化對溫度很敏感，無載流工況下過低的溫度會嚴(yán)重限制銅接觸線表面及銅磨粒的氧化速率，從而抑制了磁場的減摩作用。

圖5 不同工況下滑板表面溫度

2.2 磁感應(yīng)強度對摩擦磨損性能的影響

為了進(jìn)一步探究磁場對摩擦磨損性能的影響機理，開展了不同磁感應(yīng)強度的試驗，摩擦磨損性能隨磁感應(yīng)強度變化如圖6所示。

圖6 摩擦磨損性能隨磁感應(yīng)強度變化

由圖6可以看出，隨著磁感應(yīng)強度的增加，磨損率不斷降低，且下降速率先加快后減緩。這一趨勢可以利用磁場對界面氧化、磨粒分布和位錯移動的影響進(jìn)行解釋。首先，大氣中氧氣具有良好的順磁性，氮氣等其余氣體則具有抗磁性[13]。外加磁場將氧氣聚集于磁感應(yīng)強度較高的微凸峰接觸區(qū)，提升了該區(qū)域氧氣濃度[11]。同時，外加磁場能促進(jìn)接觸線內(nèi)部銅離子的擴(kuò)散速率，降低銅表面的氧化激活能，從而促進(jìn)氧化膜的形成。氧化膜在高溫、重載等極端環(huán)境下具有降低摩擦磨損的作用[25]。主要表現(xiàn)為，氧化膜隔離了實際接觸，降低了粘著效應(yīng)；氧化膜可以抑制銅材料的轉(zhuǎn)移，防止磨粒堆積變大，減緩了磨粒磨損；氧化膜可以固定碳原子，促進(jìn)碳聚集于接觸線表面，形成致密穩(wěn)定的碳保護(hù)層。這也是接觸線表面碳轉(zhuǎn)移增加，滑板表面銅轉(zhuǎn)移減少且顏色由亮變暗的原因。其次，在載流工況下，接觸副摩擦產(chǎn)生的銅磨粒帶電。在磁場中可以將它簡化為一段通電導(dǎo)線，將受到電動力作用[26]。通過左手定則可以判斷出，磨粒所受的電動力是向著遠(yuǎn)離接觸區(qū)的方向。這使得磨粒能及時排出接觸區(qū)域，減緩了磨粒磨損。最后，外加磁場的引入會改變金屬材料內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力，使位錯增加并聚集于表面。當(dāng)磁感應(yīng)強度過大時，位錯向表面移動，逐漸聚集形成微裂紋，增加了銅接觸線表面的粗糙程度，阻礙了磁場的減磨作用。因此，隨著磁感應(yīng)強度增加，磁場的減磨效果趨于穩(wěn)定。

與磨損率不同，隨著磁感應(yīng)強度的增加，摩擦系數(shù)呈“V”形變化。初始階段摩擦系數(shù)緩慢下降，在0.1T達(dá)到最小值0.136 1后，迅速上升。摩擦系數(shù)的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象可以通過競爭機制進(jìn)行解釋。一方面，前文提出的磁場促進(jìn)氧化膜生成和磁場降低接觸面間磨粒數(shù)量，減緩了粘著效應(yīng)和磨粒磨損，起到了減摩作用。另一方面，過高的磁感應(yīng)強度促進(jìn)了接觸線表面微裂紋的形成，提升了銅的表面粗糙度，使得接觸斑點數(shù)量和實際接觸面積增加，起到了加劇摩擦的作用。由于電流的軟化效應(yīng)可以減緩磁化表面微裂紋的形成，故磁感應(yīng)強度較小時減摩的作用在競爭中占據(jù)主導(dǎo)地位；當(dāng)磁感應(yīng)強度大于0.1T后，磁化表面微裂紋對加劇表面粗糙度的影響逐漸不可忽視，即加劇摩擦的作用在競爭中開始占據(jù)主導(dǎo)地位。最終形成了摩擦系數(shù)的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象。

2.3 磁場極性對摩擦磨損性能的影響

接觸副摩擦磨損性能隨磁場極性的變化如圖7所示，可以看出0.1T的N極、S極磁場均起到了減緩摩擦、降低磨損的作用，而不同磁場極性的降低程度基本相同。磁場對表面氧化的影響只取決于磁感應(yīng)強度的大小，與磁場極性沒有直接關(guān)系。而銅磨粒在磁場中受到的電動力與磁場極性直接相關(guān)。通過左手定則可以判斷出，雖然不同磁場極性下磨粒所受的電動力方向相反，但都是向著遠(yuǎn)離接觸區(qū)的方向，對摩擦磨損均起到抑制作用。因此不同磁場極性對摩擦系數(shù)和磨損率的降低效果差異不大。

2.4 磁場對電接觸特性的影響

由前文可知，磁場對氧化膜生成、材料轉(zhuǎn)移及磨粒分布會產(chǎn)生作用，這勢必也會對弓網(wǎng)接觸狀態(tài)產(chǎn)生一定影響[27-28]。為衡量磁場調(diào)控方法的可行性，應(yīng)對外加磁場后接觸副間電接觸特性進(jìn)行評估。接觸電阻是弓網(wǎng)電接觸性能最關(guān)鍵的表征參數(shù)，其大小可以衡量弓網(wǎng)間接觸狀態(tài)是否良好[29-31]。

圖7 不同磁場極性下摩擦磨損性能變化

進(jìn)行載流無外加磁場、載流N極磁場（0.1T）和載流S極磁場（0.1T）三種工況試驗，處理得到接觸電阻分別為29.56mΩ、31.02mΩ和30.23mΩ，這表明引入外加磁場后，接觸電阻略微增加。主要原因是磁場促進(jìn)了接觸表面氧化膜的生成，使得膜電阻增加，而膜電阻是接觸電阻的重要組成部分之一。同時，與2.3節(jié)類似，不同磁場極性下電接觸性能變化差異不大。對比2.2節(jié)，0.1T的外加磁場可使摩擦系數(shù)和磨損率分別降低29.62%和52.33%，而接觸電阻增加不超過5%，表明磁場調(diào)控方法具有可行性。

2.5 磁場對表面形貌的影響

不同工況（無電流、無外加磁場；有電流、無外加磁場；有電流、S極磁場；有電流、N極磁場）下滑板表面形貌及成分如圖8所示。其中，圖8a～圖8d為相機拍攝的滑板宏觀表面，可以看出無電流、無外加磁場時，滑板表面主要是機械摩擦產(chǎn)生的劃痕，存在明顯的銅材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。在引入40A電流后，滑板表面銅轉(zhuǎn)移量明顯增加，且出現(xiàn)了電弧燒蝕痕跡。燒蝕將增加滑板的磨損率，同時提升表面粗糙度。而大量的銅轉(zhuǎn)移，使得原本的碳-銅接觸部分轉(zhuǎn)變?yōu)殂~-銅接觸，加劇了接觸副間的粘著效應(yīng)。在載流情況下引入0.1T磁場后，滑板表面的銅轉(zhuǎn)移量明顯減少，且轉(zhuǎn)移的銅由無磁場的亮黃色轉(zhuǎn)變?yōu)榘岛谏?。圖8e、圖8f為光學(xué)顯微鏡拍攝的滑板微觀表面，具體位置分別為圖8b、圖8d中的區(qū)域A和B，可以看出在無外加磁場載流工況下，滑板表面損傷嚴(yán)重，存在明顯的燒蝕坑和銅轉(zhuǎn)移。而加入磁場后，表面較為平整，銅轉(zhuǎn)移量減少。隨后選

取有電流、無外加磁場和有電流、有外加磁場工況下，滑板表面有銅轉(zhuǎn)移的摩擦區(qū)域進(jìn)行EDS分析，結(jié)果如圖8g、圖8h所示，可以看出不管是否加磁場，滑板表面均含有C、O、S、Cu元素。而外加磁場后，顯示出更高的碳峰、氧峰及更低的銅峰，其中氧的質(zhì)量百分比提升2.83倍。這與滑板表面觀察到的宏觀變化一致，表明在載流工況下外加磁場使碳滑板表面氧化磨損占比增加，促進(jìn)了嚴(yán)重磨損向輕微磨損的轉(zhuǎn)變。主要原因是相對于原本存在的電氣燒蝕、粘著磨損、磨粒磨損三種損傷形式，氧化磨損對接觸表面的傷害程度更低[21-22,25]。

圖8 不同工況下表面形貌及成分變化

3 結(jié)論

1）對弓網(wǎng)滑動電接觸系統(tǒng)引入縱向磁場可有效降低接觸副的摩擦系數(shù)及其波動；雖然滑板整體溫升略有增大，但是受電弓滑板的載流摩擦磨損狀態(tài)顯著改善，因此磁場可作為一種有效延長滑板使用壽命的主動控制方法。

2）引入的磁感應(yīng)強度在0～0.15T范圍內(nèi)變化時，摩擦系數(shù)先下降后上升，在0.1T達(dá)到最小值0.136 1；受電弓滑板的磨損率則持續(xù)降低，在0.15T時減磨效果可達(dá)到78.9 %。

3）不同極性的磁場均有降低摩擦磨損的作用，且兩種極性下減磨效果差異不大。

4）接觸表面微觀分析表明，在載流工況下外加磁場后，氧化磨損與電氣磨損等綜合作用下的接觸表面的磨損狀況得到改善。

[1] Wu Guangning, Gao Guoqiang, Wei Wenfu, et al. The electrical contact of the pantograph-catenary system theory and application[M]. Berlin: Springer, 2019

[2] 張靜, 宋寶林, 謝松霖, 等. 基于狀態(tài)估計的高速受電弓魯棒預(yù)測控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(5): 1075-1083. Zhang Jing, Song Baolin, Xie Songlin, et al. Robust predictive control of high-speed pantograph based on state estimation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(5): 1075-1083.

[3] 吳廣寧, 周悅, 雷棟, 等. 弓網(wǎng)電接觸研究進(jìn)展[J]. 高電壓技術(shù), 2016, 42(11): 3495-3506. Wu Guangning, Zhou Yue, Lei Dong, et al. Research advances in electric contact between pantograph and catenary[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(11): 3495-3506.

[4] 胡怡, 魏文賦, 雷棟, 等. 弓網(wǎng)電弧等離子體光譜特性實驗[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2016, 31(24): 62-70. Hu Yi, Wei Wenfu, Lei Dong, et al. Experimental investigation on spectral characteristics of pantograph-catenary arc plasma[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(24): 62-70.

[5] 周昱涵, 楊澤鋒, 魯超, 等. 弓網(wǎng)系統(tǒng)離線電弧在低氣壓環(huán)境下運動特性研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2021, 41(15): 5412-5421. Zhou Yuhan, Yang Zefeng, Lu Chao, et al. Research on motion characteristics of offline arc in pantograph catenary system under low air pressure environment[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(15): 5412-5421.

[6] Liao Qianhua, Wei Wenfu, Zuo Haozi, et al. Interfacial bonding enhancement and properties improvement of carbon/copper composites based on nickel doping[J]. Composite Interfaces, 2021, 28(6): 637-649.

[7] Tu Chuanjun, Hong Lirui, Song Tenghui, et al. Superior mechanical properties of sulfonated graphene reinforced carbon-graphite composites[J]. Carbon, 2019, 148: 378-386.

[8] Zhang Weihua. The development of China's high-speed railway systems and a study of the dynamics of coupled systems in high-speed trains[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2014, 228(4): 367-377.

[9] 劉方林. 不同張力等級下電氣化鐵路弓網(wǎng)電能傳輸特性研究[J]. 電氣技術(shù), 2017, 18(12): 86-89. Liu Fanglin. Study on dynamic performance of electrified railway pantograph-catenary system under different tension classes[J]. Electrical Engineering, 2017, 18(12): 86-89.

[10] Bataineh O, Klamecki B, Koepke B G. Effect of pulsed magnetic treatment on drill wear[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2003, 134(2): 190-196.

[11] 韓紅彪. 直流磁場干摩擦的耦合作用機制研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué), 2016.

[12] Iida Y, Stolarski T A, Sato K. Surface damage resulting from rolling contact operating in magnetic field[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2007, 40(24): 7629-7637.

[13] Kumagai K, Suzuki K, Kamiya O. Study on reduction in wear due to magnetization[J]. Wear, 1993, 162/163/164: 196-201.

[14] 石紅信, 張永振, 孫超, 等. 中碳鋼/不銹鋼磁場摩擦中磨屑的行為和作用[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報, 2019, 39(2): 188-196. Shi Hongxin, Zhang Yongzhen, Sun Chao, et al. Behaviors and effect of the wear debris during friction between medium-carbon steel and stainless steel with the magnetic field[J]. Tribology, 2019, 39(2): 188-196.

[15] Chin K J, Zaidi H, Mathia T. Oxide film formation in magnetized sliding steel/steel contact—analysis of the contact stress field and film failure mode[J]. Wear, 2005, 259(1/2/3/4/5/6): 477-481.

[16] 王鳳梅, 謝敬佩, 李炎, 等. 外加磁場對W-20Cu/45鋼摩擦副干摩擦特性影響的實驗研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報, 2015, 35(3): 288-294. Wang Fengmei, Xie Jingpei, Li Yan, et al. Effects of magnetic field on dry tribological characteristics of W-20Cu/45 steel friction pairs[J]. Tribology, 2015, 35(3): 288-294.

[17] 陳忠華, 唐俊, 時光, 等. 弓網(wǎng)強電流滑動電接觸摩擦振動分析與建模[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(18): 3869-3877. Chen Zhonghua, Tang Jun, Shi Guang, et al. Analysis and modeling of high current sliding electrical contact friction dynamics in pantograph-catenary system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(18): 3869-3877.

[18] 李簫波, 魏文賦, 左浩梓, 等. 基于Mo2C晶粒增強的銅/石墨復(fù)合材料浸滲特性與優(yōu)化[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2021, 41(22): 7881-7889. Li Xiaobo, Wei Wenfu, Zuo Haozi, et al. Infiltration characteristics and optimization of copper/graphite composite reinforced by Mo2C grain[J]. Proceedings of the CSEE, 2021, 41(22): 7881-7889.

[19] Ding T, Chen G X, Wang X, et al. Friction and wear behavior of pure carbon strip sliding against copper contact wire under AC passage at high speeds[J]. Tribology International, 2011, 44(4): 437-444.

[20] Mei Guiming, Fu Wenming, Chen Guangxiong, et al. Effect of high-density current on the wear of carbon sliders against Cu-Ag wires[J]. Wear, 2020, 452/453: 203275.

[21] Ding T, Chen G X, Bu J, et al. Effect of temperature and arc discharge on friction and wear behaviours of carbon strip/copper contact wire in pantograph-catenary systems[J]. Wear, 2011, 271(9/10): 1629-1636.

[22] Braunovic M, Konchits V V, Myshkin N K. Electrical contacts: fundamentals, applications and technology[M]. Boca Raton: CRC Press, 2007

[23] 周悅, 魏文賦, 高國強, 等. 弓網(wǎng)電接觸系統(tǒng)滑板溫升特性研究[J]. 鐵道學(xué)報, 2019, 41(6): 74-80. Zhou Yue, Wei Wenfu, Gao Guoqiang, et al. Characteristics of temperature rise of pantograph strip in electric contact system between pantograph and catenary[J]. Journal of the China Railway Society, 2019, 41(6): 74-80.

[24] 韓紅彪, 劉何, 張永振, 等. 直流磁場下銷盤摩擦接觸區(qū)的電磁感應(yīng)現(xiàn)象[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報, 2015, 35(5): 557-563. Han Hongbiao, Liu He, Zhang Yongzhen, et al. The electromagnetic induction phenomena in friction contact area of pin and disk under DC magnetic field[J]. Tribology, 2015, 35(5): 557-563.

[25] 溫詩鑄黃平. 摩擦學(xué)原理[M]. 4版. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2012.

[26] 劉賢汭, 吳杰, 魏文賦, 等. 高速鐵路弓網(wǎng)接觸電動力特性[J]. 高電壓技術(shù), 2018, 44(11): 3770-3776. Liu Xianrui, Wu Jie, Wei Wenfu, et al. Characteristics of pantograph-catenary electro-dynamic contact force of high speed train[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(11): 3770-3776.

[27] 郭鳳儀, 馬同立, 陳忠華, 等. 不同載流條件下滑動電接觸特性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2009, 24(12): 18-23. Guo Fengyi, Ma Tongli, Chen Zhonghua, et al. Characteristics of the sliding electric contact under different currents[J]. Transactions of China Electro-technical Society, 2009, 24(12): 18-23.

[28] 陳忠華, 康立乾, 石英龍, 等. 弓網(wǎng)滑動電接觸電流穩(wěn)定性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2013, 28(10): 127-133. Chen Zhonghua, Kang Liqian, Shi Yinglong, et al. Study of current stability in pantograph-catenary sliding electric contact[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(10): 127-133.

[29] 劉方林. 電氣化鐵路動態(tài)弓網(wǎng)接觸電阻研究[J]. 電氣技術(shù), 2018, 19(9): 69-72. Liu Fanglin. Study on dynamic contact resistance between pantograph and catenary in electrified railway[J]. Electrical Engineering, 2018, 19(9): 69-72.

[30] 時光, 陳忠華, 郭鳳儀, 等. 波動載荷下弓網(wǎng)接觸電阻特性及建模研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(11): 2287-2295. Shi Guang, Chen Zhonghua, Guo Fengyi, et al. Research on characteristic of the contact resistance of pantograph-catenary under load fluctuation condition[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(11): 2287-2295.

[31] 陳忠華, 吳迪, 回立川, 等. 波動載荷下弓網(wǎng)滑動電接觸失效研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(21): 4492-4500. Chen Zhonghua, Wu Di, Hui Lichuan, et al. Research on failure of pantograph-catenary sliding electrical contact under fluctuation load[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(21): 4492-4500.

Axial Magnetic Field Optimization Method for Service Performance in Electric Contact System Between Pantograph and Catenary

He Zhijiang1Yang Zefeng1,2Wang Hong1Wei Wenfu1Wu Guangning1

（1. College of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 611765 China 2. Guojia Electrical Engineering Co. Ltd Chengdu 610093 China）

The C-Cu contacts in the pantograph-contact line systems are the only way for the train to obtain energy, which determines the safety and stability of energy transfer. The operating conditions of the pantograph and catenary are harsh, because they are necessary to face the challenges of all-weather complicated environment, high-speed sliding vibration, and large-capacity power transmission. This leads to excessive and abnormal wear. The existing wear control measures of the C-Cu contacts only improve a single aspect of mechanical or electrical performance. However, the comprehensive performance is difficult to meet the requirements of large capacity and long-term service simultaneously. Considering the effects of the magnetic field in regulating the oxidation of the contact interface and the abrasive particle distribution, a new idea of active control of the wear loss between the C-Cu contact interface with the axial magnetic field was proposed.

A linear reciprocating current-carrying friction test bench is built to simulate the operation mode of the high-speed railway pantograph-contact line system. The influence of magnetic field intensity and polarity on the current-carrying friction and wear performance of the C-Cu contacts is studied by changing the magnetic field parameters.

The results show: (1) When the strength of the magnetic fields changes in the range of 0～0.15 T, the wear amount of the carbon strip decreases continuously, and the antiwear effect can reach 78.9% at 0.15 T. The friction coefficient decreases and then increases, reaching the minimum value of 0.136 1 at 0.1 T. The changing trend of wear amount can be explained by the influence of the magnetic field on interface oxidation, wear particle distribution, and dislocation movement. The effect of magnetic field on friction has two sides. Under certain conditions, it can slow down friction, while under other conditions, it can promote friction. The mutual competition between them forms the turning phenomenon of friction coefficient. (2) The antifriction effect of magnetic field is more significant under current-carrying conditions. This is mainly because the low-temperature environment without current inhibits the oxidation of the metal-copper interface. (3) Different magnetic field polarities all have the effect of reducing friction and wear. And there is no significant difference between the two polarities. (4) The microscopic analysis of the contact surface shows that the proportion of oxidation wear increases after applying the axial magnetic field under current-carrying conditions, which promotes the transition from severe wear to slight wear. (5) Introducing the axial magnetic field into the C-Cu sliding electric contact system can effectively reduce the friction coefficient and wear amount. Although the overall temperature rise and contact resistance of the carbon strip are slightly increased, the current-carrying friction and wear state is significantly improved. Therefore, the magnetic field can be used as an active control method to prolong the service life of the carbon strip.

The research results have a guiding significance for developing new active control methods of abnormal wear and improving the stability of the pantograph-contact line systems.

High-speed railway, magnetic field optimization, pantograph-catenary system, current-carrying friction, anti-wear and friction-reducing

國家自然科學(xué)基金資助項目（51837009，52077182, 51807167）。

2021-06-01

2021-07-29

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210795

U225

何志江 男，1997年生，碩士研究生，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)。E-mail：hezhijiang2009@163.com

楊澤鋒 男，1989年生，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向為弓網(wǎng)電弧與電接觸。E-mail：yangzefeng@foxmail.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）