地鐵剛性接觸網(wǎng)滑板磨損優(yōu)化的試驗研究

徐鴻燕 王劉輝 梅桂明 陳光雄

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，430063，武漢；2.西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，610031，成都∥第一作者，高級工程師)

自2003年我國建設(shè)第一條剛性接觸網(wǎng)地鐵線路以來，剛性接觸網(wǎng)因其具有載流量大、結(jié)構(gòu)簡單、接觸線無張力、安裝方便、占用空間小、無斷線隱患、維修方便、綜合建設(shè)費用和運營維護(hù)費用都比較低等諸多優(yōu)點，在我國地鐵線路中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但多年來的應(yīng)用實踐也發(fā)現(xiàn)，采用剛性接觸網(wǎng)線路受電弓滑板和接觸線的材料磨耗都比較嚴(yán)重[1-3]。研究人員對地鐵剛性接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)異常磨耗原因進(jìn)行了理論研究[4-6]，但對地鐵剛性接觸網(wǎng)的弓網(wǎng)材料磨損試驗研究則比較少見，較多見的是干線高速鐵路接觸網(wǎng)弓網(wǎng)材料磨損的試驗研究[7-8]。

本研究的目的是通過正交試驗方法，認(rèn)識地鐵剛性接觸網(wǎng)弓網(wǎng)材料嚴(yán)重磨損的機理，為優(yōu)化弓網(wǎng)材料匹配和提高弓網(wǎng)材料使用壽命提供有益參考。

1 試驗簡介

1.1 試驗設(shè)備

試驗在西南交通大學(xué)牽引動力實驗室載流摩擦磨損試驗機上進(jìn)行。試驗機如圖1所示，它是一種塊-環(huán)(轉(zhuǎn)動盤)式試驗機，滑板安裝在滑板座上，接觸線安裝在直徑1 100 mm轉(zhuǎn)動盤的外圓周柱面上。采用變頻電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動盤轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)弓網(wǎng)摩擦副之間的水平相對滑動;采用曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動滑板座做垂直方向的往復(fù)運動，從而實現(xiàn)弓網(wǎng)摩擦副之間的“之”字形相對運動。摩擦副之間的法向力采用砝碼加載，法向力為0～300 N，試驗速度為0～200 km/h，試驗電流為DC 0～600 A，受電弓和接觸線之間“之”字形相對運動幅值和頻率分別為55 mm和0～3 Hz。

圖1 載流摩擦試驗機簡圖

1.2 試件制備

目前，在地鐵剛性接觸網(wǎng)中:接觸線材料普遍為國產(chǎn)的銅銀合金接觸線;滑板材料大多數(shù)都是浸金屬碳，且國內(nèi)外廠家的產(chǎn)品都有應(yīng)用。本研究選取2種國產(chǎn)滑板(分別記為A、B滑板)和2種進(jìn)口滑板(分別記為C、D滑板)進(jìn)行對比試驗，滑板材料的物理參數(shù)見表1。銅銀合金接觸線試樣的橫截面與地鐵接觸線的橫截面相同，該試樣固定在試驗機轉(zhuǎn)動盤外圓柱面的整個圓周上。滑板試樣使用地鐵在用的材料，試樣的寬度與實際滑板的寬度一致。滑板A、B、C、D的寬度尺寸分別為35 mm、34 mm、33 mm、34 mm。將滑板加工成長度120 mm的試樣塊，安裝在試驗機的滑板座上。

表1 滑板材料的物理參數(shù)

1.3 試驗數(shù)據(jù)測量設(shè)備

試驗時，使用精度為0.1 mg的電子天平來測量滑板的磨損量，使用熱成像儀測量滑板的溫度。由于接觸線的磨損低微，況且接觸線是固定在試驗機轉(zhuǎn)動盤外圓柱面上，拆裝困難，因此本研究不測量接觸線的磨損。

1.4 試驗參數(shù)和試驗方案

本研究試驗電流為DC 200～400 A，滑動速度為60～120 km/h，法向力為15～40 N，弓網(wǎng)“之”字形相對運動的幅值和頻率分別為55 mm和0.15 Hz，弓網(wǎng)切向相對滑動距離為100 km。

由于試驗工作十分耗時，故選定三因素(法向力、電流、滑動速度)四水平設(shè)計正交試驗方案，試驗工況見表2。為了分析各個因素對試驗結(jié)果的影響，需對正交試驗結(jié)果進(jìn)行極差分析。

表2 正交試驗方案

(1)

Rj=max(Mij)-min(Mij)

(2)

式中:

p——水平個數(shù)；

n——試驗次數(shù)；

yij,k——因素j第i水平的試驗結(jié)果，k=1,2,…,n/p；本試驗中n/p為整數(shù)；

Mij——因素j中所有第i水平的試驗結(jié)果平均值；

Rj——因素j的極差。

極差分析可以分析出因素j對試驗結(jié)果的影響程度。在正交試驗中，Rj值的大小和因素j對試驗結(jié)果的影響程度呈正相關(guān)關(guān)系。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 4種滑板磨耗的正交試驗結(jié)果

在載流滑動過程中4種滑板磨耗的正交試驗結(jié)果見表3所示。正交試驗的工況具有代表性，可以反映各因素各水平對滑板磨損量的影響。圖2顯示了4種滑板磨損量的比較，可以看出滑板D的耐磨性最好，滑板A的耐磨性次之，滑板C的耐磨性再次之，滑板B的耐磨性最差。圖2中，工況4、8、12、16對應(yīng)的電流均為DC 400 A，相應(yīng)的磨損量都比較高，說明電流對滑板磨損量影響比較大。圖3為工況1下1組滑板的磨痕形貌，可以看出滑板D的磨損最小。

a)滑板A

表3 滑板磨耗的正交試驗結(jié)果

圖2 4種滑板磨損量的比較

4種滑板載流滑動摩擦正交試驗?zāi)p量的極差分析結(jié)果見表4所示。由表4可見，不同滑板材料磨損量試驗Rj最大值對應(yīng)的都是電流因素，也就是說直流電流是影響剛性接觸網(wǎng)滑板材料磨損最重要的因素。此外，滑動速度是影響滑板A磨損量的次要因素，法向力是影響滑板B、C、D磨損量的次要因素。由表3還可看出，滑動速度對滑板B、C、D的磨損量的影響最弱。實際的地鐵線路中，列車運行速度(即滑板的滑動速度)和弓網(wǎng)電流是不能隨意變化的，因此可以通過控制弓網(wǎng)之間的法向力來盡量降低滑板的磨耗。滑板磨損量最優(yōu)化參數(shù)一般通過極差分析確定，限于篇幅，這里不作詳細(xì)討論。從表4可粗略看出，滑板A耐磨性最優(yōu)的工況是法向力30 N、電流200 A和滑動速度120 km/h；滑板B耐磨性最優(yōu)的工況是法向力25 N、電流200 A和滑動速度100 km/h；滑板C耐磨性最優(yōu)的工況是法向力30 N、電流200 A和滑動速度120 km/h；滑板D耐磨性最優(yōu)的工況是法向力20 N、電流350 A和滑動速度120 km/h。

表4 滑板磨損的極差分析結(jié)果

2.2 4種滑板溫度的正交試驗結(jié)果

在載流滑動過程中，4種滑板溫度的正交試驗結(jié)果見表5。由圖4可見，在相同工況下滑板C的溫度最低，滑板D的溫度次之，滑板A和滑板B的溫度最高。比較圖3和圖4可以看出:滑板D的磨損量最低，其溫度也比較低，因而這種滑板材料的使用性能是比較好的;滑板A的耐磨性僅次于滑板D，但其溫度卻是最高之一，顯然其綜合性能比滑板D差些;滑板B的耐磨性和溫度性能都最差。

表5 滑板溫度正交試驗的結(jié)果

圖4 4種滑板溫度的比較

4種滑板溫度試驗的極差分析結(jié)果見表6，可以看出4種滑板溫度試驗的Rj最大值均對應(yīng)電流因素，即弓網(wǎng)通過電流對滑板溫度的影響最大。

表6 滑板溫度的極差分析結(jié)果

3 結(jié)語

本文基于正交試驗法試驗研究了4種浸金屬碳滑板材料與銅銀合金接觸線在直流電流下的滑板磨損性能和溫度變化，得到如下結(jié)論：

1)直流電流是影響滑板耐磨性和溫度的最重要因素，弓網(wǎng)之間的法向力對滑板耐磨性的影響次之，滑動速度對滑板耐磨性的影響最弱。

2)不同的浸金屬碳滑板與銅銀合金接觸線配對時，其電滑動摩擦引起的滑板磨損量差別比較大，可以通過正交試驗方法進(jìn)行多方案比較以獲得優(yōu)化的滑板耐磨性能。

3)弓網(wǎng)之間的法向力對滑板耐磨性的影響僅次于電流的影響，但并非法向力越大就越好。