高速列車受電弓滑板與接觸網(wǎng)載流摩擦磨損研究

王茹玉 仲佳龍 鄧一凡 張克勤

【摘?要】高速列車由很多系統(tǒng)組成的，其中弓網(wǎng)系統(tǒng)主要是為電力機(jī)車供電，受電弓滑板是電力機(jī)車與牽引網(wǎng)之間重要的連接元件，滑板位于受電弓的最上部，可以與接觸網(wǎng)的導(dǎo)線直接接觸。受電弓滑板與接觸線上的硬點(diǎn)摩擦磨損會(huì)產(chǎn)生沖擊，造成瞬間離線拉弧現(xiàn)象。這種現(xiàn)象可以使接觸點(diǎn)產(chǎn)生3000攝氏度的高溫，會(huì)導(dǎo)致接觸點(diǎn)軟化消耗，出現(xiàn)嚴(yán)重的電燒蝕現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致受電弓滑板摩擦系數(shù)增大、質(zhì)量下降，滑板的磨損程度加劇。從而縮短實(shí)用壽命，影響行車和設(shè)備安全，本文研究在不同材質(zhì)的受電弓滑板和不同型號(hào)的接觸線相組合，進(jìn)行摩擦磨損的實(shí)驗(yàn)探究找出改良方法，以便于提高弓網(wǎng)的使用壽命。

【關(guān)鍵詞】受電弓滑板，接觸網(wǎng)，載流摩擦，磨損

一、研究的目的和意義

高速鐵路里有很多系統(tǒng)，本文研究的主要是弓網(wǎng)系統(tǒng)，它主要的構(gòu)成元件就是接觸網(wǎng)與受電弓。高速列車良好取流的根本原因之一是一個(gè)可靠的接觸網(wǎng)-受電弓系統(tǒng)。弓網(wǎng)系統(tǒng)里電力機(jī)車的集電元件是受電弓滑板，它安裝在與接觸網(wǎng)導(dǎo)線直接接觸的位置。受電弓滑板從接觸導(dǎo)線上可以得到100-1000A的電流，為機(jī)車供電的元件是受電弓滑板。接觸網(wǎng)的重要的組成部分是接觸線，電力機(jī)車的電源是通過(guò)接觸線和受電弓滑板之間摩擦獲得的。

磨損是兩者接觸時(shí)因?yàn)槟Σ炼鴮?dǎo)致的，摩擦是一種能量轉(zhuǎn)換過(guò)程其中包括物理和化學(xué)等一些復(fù)雜的混合現(xiàn)象。弓網(wǎng)系統(tǒng)摩擦中主要分為機(jī)械摩擦與電氣摩擦兩種。我們主要研究當(dāng)供電時(shí)，在受電弓滑板與接觸網(wǎng)載流摩擦?xí)r產(chǎn)生的磨損。原因主要是滑板在滑動(dòng)中，從接觸網(wǎng)導(dǎo)線上滑動(dòng)時(shí)，由二者之間發(fā)生摩擦或沖擊引應(yīng)發(fā)的磨損。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。

二、受電弓

1、受電弓結(jié)構(gòu)

受電弓是從接觸網(wǎng)上獲取電能的設(shè)備，為高速列車供電。它的構(gòu)造受電弓由滑板架、滑板架支架、組架、底座等部件組成，如圖1所示。

受電弓滑架的功能就像“船”。滑板是安裝在滑板架上部與懸掛接觸線直接滑動(dòng)的部件，屬于比較容易產(chǎn)生磨損的消耗部件。設(shè)置在滑架和鎖定滑架之間的緩沖部件是滑架支架，使得滑架能夠正確地沿著接觸線上下移動(dòng)。滑板架支架由彈簧、減震器、上下導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)和水平方向作用的緩沖機(jī)構(gòu)構(gòu)成的。裝配架為支撐滑板架，可使受電弓在與接觸線緊密接觸的同時(shí)形成大范圍的運(yùn)動(dòng)，可以使受電弓降弓，還具有車輛與接觸線保持絕緣。底座由架構(gòu)、抬升裝置、折疊機(jī)構(gòu)、固定鉤裝置、油減震器等構(gòu)成。提升裝置一般利用彈簧的彈性力在組架基礎(chǔ)部分的主軸上施加扭矩，或者使用氣缸代替彈簧。油減震器主要是為了抑制受電弓在跨距中周期性的上下震動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的離線現(xiàn)象。

2、受電弓滑板

受電弓滑板安裝在受電弓的最上面，如圖2所示，是最直接與供電設(shè)備接觸為高速列車供電。

國(guó)內(nèi)的受電弓滑板材料：我國(guó)從第一條電氣化鐵路寶鳳鐵路段開(kāi)通使用的是銅質(zhì)導(dǎo)線，滑板在當(dāng)時(shí)稱為軟鋼滑板，兩者接觸對(duì)于導(dǎo)線的磨損較嚴(yán)重。后改用碳滑板，同樣的碳滑板的機(jī)械強(qiáng)度弱、沖擊韌性差，且在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)破裂、滑板折斷、使用壽命較短，在下雨天或潮濕地區(qū)，摩擦力增加會(huì)出現(xiàn)弓網(wǎng)故障等問(wèn)題。我國(guó)研究人員研制了粉末冶金滑板，這種滑板在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用，后來(lái)我國(guó)電力機(jī)車也開(kāi)始采用?金屬碳滑板，這種滑板將金屬滑板與純碳滑板的優(yōu)點(diǎn)集于一體，綜合性能比較高，直至現(xiàn)在我國(guó)基本還是使用這種滑板。

特性：

（1）導(dǎo)電性：電源電路的一個(gè)重要組成部分是受電弓滑板，因此它需要高電導(dǎo)率。滑板與接觸線的接觸點(diǎn)容易產(chǎn)生焦耳熱和滑板本身的焦耳熱。列車停車時(shí)，接觸點(diǎn)因帶電狀態(tài)而發(fā)熱，接觸阻抗過(guò)大，接觸點(diǎn)發(fā)熱使接觸線溫度上升。

（2）機(jī)械強(qiáng)度：滑板向上的接觸力和接觸線滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力都會(huì)起作用，在這里以周期變化的是力，同時(shí)變化周期短、振幅大容易形成對(duì)滑板的沖擊力。

（3）耐磨損性：碳滑板是碳做的，大家學(xué)習(xí)過(guò)程中都對(duì)談碳一定的了解，它的微觀結(jié)構(gòu)是一層一層的，當(dāng)受電弓與接觸網(wǎng)摩擦?xí)r，受損嚴(yán)重的是碳滑板，接觸網(wǎng)產(chǎn)生磨損可以忽略不計(jì)。就是這樣微量的磨損長(zhǎng)時(shí)間積累起來(lái)也是很嚴(yán)重的，所以非常長(zhǎng)的一段時(shí)間后需要供電段的工作人員對(duì)接觸線進(jìn)行更換，但由于動(dòng)車組的碳滑板屬于磨耗品，所以需要常常更換，以免影響行車。

三、接觸網(wǎng)

1、接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)

電氣化鐵道中主要供電裝置之一是接觸網(wǎng)，它是以一種特殊形式的輸電線路，向電力機(jī)車供電，它可以分為架空和接觸軌兩種方式，由于接觸軌方式不適應(yīng)于高速行車，所以我們主要研究架空方式的接觸網(wǎng)。接觸網(wǎng)的構(gòu)成的幾個(gè)部分：支持裝置、定位裝置、接觸懸掛支柱與基礎(chǔ)，如圖3所示。

基本要求：

（1）高速鐵路對(duì)接觸網(wǎng)的電氣要求

對(duì)于接觸網(wǎng)系統(tǒng)載流量的限制就是衡量電氣化鐵路性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，它與一般的電力架空配電線來(lái)比會(huì)相對(duì)較頻繁，因此，出現(xiàn)的一個(gè)決定因素就是短路載流量。

不論在任何的運(yùn)輸系統(tǒng)中，在任何工作環(huán)境下接觸網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)電壓需要保持在額定范圍內(nèi)，同時(shí)在允許的范圍內(nèi)可以有一定的電壓損耗。將接觸網(wǎng)設(shè)備分為獨(dú)立的供電臂主要是為了使較為頻繁發(fā)生的故障對(duì)于鐵路運(yùn)行的的影響降到最低。一些必要的保障措施是避免工作人員觸電，需要選取絕緣材料和考慮空氣絕緣間隙來(lái)滿足絕緣的要求。要減少公共電網(wǎng)的問(wèn)題，例如不良影響諧波、不對(duì)稱等問(wèn)題。

（2）高速鐵路對(duì)接觸網(wǎng)的機(jī)械要求

接觸網(wǎng)設(shè)備的主要機(jī)械，要求接觸網(wǎng)部件所需要的機(jī)械強(qiáng)度較高，像絞線、線索和其他部件。接觸線的部件所受到的力需要在允許范圍內(nèi)。為了減小摩擦磨損，受電弓滑板和接觸線匹配，使線間、升降弓的摩擦磨損減少。橫向偏移于線路中心線是接觸線的位置，接觸線偏離受電弓滑板中心的距離是定位點(diǎn)，稱為拉出值。作用于接觸網(wǎng)上的機(jī)械荷載是由支柱和基礎(chǔ)承擔(dān)的，機(jī)械荷載通過(guò)支柱和基礎(chǔ)承擔(dān)傳入大地。不會(huì)影響供電問(wèn)題的是支柱彎曲或者發(fā)生的共振。

（3）高速鐵路對(duì)接觸網(wǎng)的環(huán)境要求

在一定的溫度范圍內(nèi)的工作環(huán)境可以保證接觸網(wǎng)正常工作，接觸網(wǎng)設(shè)備自身的損壞在極端天氣的風(fēng)荷載情況下是不會(huì)造成，冬天是接觸網(wǎng)設(shè)備可能會(huì)發(fā)生覆冰載荷，這個(gè)也要多加考慮。部件使用壽命和電氣性能指標(biāo)需要提前確定預(yù)計(jì)好，還需要考慮到一些外在天變化的因素。

2、弓網(wǎng)系統(tǒng)

弓網(wǎng)系統(tǒng)是由受電弓與接觸網(wǎng)組成的電力系統(tǒng)，用來(lái)提供電能高速列車的電能，也可以控制車列的走行和停車。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，售電是否正常取決于弓網(wǎng)系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)。一個(gè)工作可靠的弓網(wǎng)系統(tǒng)是確保高速動(dòng)車良好取流的根本條件。

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(kāi)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。

四、降低受電弓滑板與接觸網(wǎng)載流磨損的措施

1、受電弓滑板的檢修和降低受電弓滑板磨損的方法

受電弓滑板的檢修：

（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2mm-3mm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。

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2mm-3mm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。

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20km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。

2、接觸網(wǎng)的檢修和降低接觸線黏附磨損的方法

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)。

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。

（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，再以往的設(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。

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)。

（2）采用相互符合的受電弓接觸網(wǎng)的材料。

（3）提高弓網(wǎng)工作面上的特性匹配

（4）減輕受電弓滑板的重量

參考文獻(xiàn)：

[1]徐超、潘利科、楊才智等.400km/h高速列車受電弓滑板與接觸線載流摩擦磨損研究.[J].2018，1007-963X（Z）：29-30.

[2]熊賢至.不同炭質(zhì)受電弓滑板材料的載流磨損及抗磨抑弧機(jī)理研究. [D].湖南大學(xué).2014.

[3]付文明.電流對(duì)滑板-接觸線載流滑動(dòng)摩擦磨損性能影響的研究. [D].西南交通大學(xué).2017.

[4]丁濤、陳光雄、李玉梅等.幾種受電弓滑板-接觸線材料載流摩擦磨損行為的比較. [J].潤(rùn)滑和密封，2014，39（10）：65-72.

[5]陳偉.離線距離對(duì)弓網(wǎng)電弧特性及滑板載流摩擦磨損性能的影響.[D].西南交通大學(xué).2015.

（作者單位：西安交通工程學(xué)院）