高速列車受電弓與接觸網載流摩擦研究★

王茹玉，張治國

（西安交通工程學院，陜西 西安 710300）

1 研究的目的和意義

隨著鐵道電氣化的發展，電力機車的行駛速度大大提升，電氣化鐵路牽引供電系統中的受電弓和接觸網系統就成為一個制約列車運行速度的重要環節。受電弓滑板與接觸網導線通過滑動接觸獲取電能并且將電能傳遞給電力機車以保證列車的正常運行，良好的受流質量是列車高速、安全可靠運行的前提。接觸網導線與受電弓構成的是一個相互接觸的彈性系統，在列車高速運行過程中兩者的接觸壓力是時刻變化的。隨著列車運行速度的不斷提高，這種波動壓力載荷現象越來越嚴重的影響列車受流質量以及摩擦副的使用壽命，從而影響列車的高速運行的速度，研究這種波動接觸壓力下的滑動接觸載流摩擦特性對于列車安全可靠運行以及進一步提高運行速度都有著重要的研究意義。同時，許多不同材質的受電弓滑板和不同型號的接觸線相繼應用于高速列車的發展上，因此可以在其中找出弓網材料之間摩擦產生磨損最小的改良辦法，從而提高弓網系統載流摩擦磨損所損耗的弓網使用壽命[1]。

2 弓網系統

受電弓主要就是從接觸網上獲取電能的設備，為高速列車供電，可以說受電弓直接影響著列車的運行情況。

高速鐵路的受電是通過接觸網和受電弓緊密接觸而實現的，受電弓的受電是否正常是決定弓網關系的重要技術指標。一個工作可靠的受電弓和接觸網系統是確保高速動車良好取流的根本條件[2]。

在高速運行下，弓網系統對于受電產生的影響，摩擦方面主要表現在受電弓滑板與接觸導線間的接觸壓力，在受電弓滑板與接觸導線相互接觸時，受電弓對接處導線有一個抬升力，可以使導線產生抬升量，兩者不接觸時，接觸導線由于自身重力產生一個下垂力進而產生下垂量，靜態的時候抬升力就等于接觸壓力，當列車高速運行時受電弓沿接觸導線移動時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力的作用。將會引起接觸壓力的變化，所引起的后果有出現電弧、使受電弓或接觸線燒傷，壓力變小時會造成受電弓離線，壓力變大使接觸導線過分升高，當然這些都會使受電弓滑板與接觸導線的摩擦增大。

3 載流摩擦磨損

載流摩擦磨損是指在電流通過的情況下，摩擦副在電場中的摩擦磨損行為。電力系統是電氣化鐵路中的，電力傳輸的質量會直接影響到機車的運行速度和牽引力接觸線與受電弓滑板之間的摩擦狀態是衡量受流標準的重要指標[3]。

與載流摩擦副相比，普通摩擦副多了一個接觸系統，包括電接觸系統和摩擦接觸系統。這兩個系統不是單一的疊加，它們是相互影響、共同作用的，沒有一個單一的系統可以相比。

研究計算：以400 km/h 高速列車為例。根據高速列車的服役工況以及經驗公式進行計算，以磨合里程定位1 000 km 進行計算，如表1 所示，滑板及其對應接觸網類型和數據。

表1 滑板、接觸網類型、數據

式中：y0為滑板初始質量，g；y1為滑板磨損后質量，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 為萬機車公里；e 為萬弓架次。

根據數據得到的結論所示，表2 所示為浸金屬碳滑板各種接觸線型號的質量磨耗比、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的質量磨耗比、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，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，滑板和弓角必須滿足安裝條件。

3）在車頂安裝時，我們需要對集電頭提前裝配和調整。

4）在受電弓滑板的檢修時，我們還要注意兩個問題：集電頭部分有沒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）滑板更換時必須兩個為一組更換。

2）拆卸滑板上的連接螺母，卸下滑板測量滑板的厚度，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，受電弓滑板需要及時更換。

3）安裝時滑板應對應好位置，調整螺栓的松緊，使其緊固力矩平衡，達到要求。

4.1.3 降低受電弓滑板磨損的方法

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

2）外部潤滑。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。固體潤滑劑和潤滑脂對于防止黏附磨損的特別有效的方法。潤滑脂從填充點起隨著距離的延長這樣潤滑脂的著附量就會減少，如果從基地算起20 km 左右范圍內都是有效的附著量。為了延長使用距離就用了更為有效的固體潤滑劑，它是使用在燒結硬質合金滑板縫隙里的。

3）降低磨損的方法。由于現在新型受電弓的研發和動作特性的提高還有削減受電弓的數量使受電的電流容量增加滑板的使用條件也會隨之發生改變現在主要研發方向是提高自身潤滑和耐電弧性當然，為了降低接觸線的損磨滑板，多使用碳系滑板也會解決磨損問題。

4.2 接觸網的檢修和降低接觸線黏附磨損的方法

4.2.1 接觸網的檢修

1）停電檢修：列車運行圖要預留一定的時間，這段時間內不可以將運行中的軌道線路區間的接觸網停電檢修。

2）間接的帶電檢修：列車在運行的期間，我們檢修的時候需要選在運行間隙用絕緣工具將接觸線拉高，以免出現危險狀況。絕緣子需要用處理過的水沖洗，再用測量儀測量出參數。

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工程中，不允許使用絕緣梯車帶電作業。

4.2.2 降低接觸線黏附磨損

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

2）使用硬質材料不使固體內部產生剪切。這樣可以減少自身摩擦，但是在黏附比較強的時候也是有可能造成另外一種固體材料的損傷。受電系統也不能完全依靠于潤滑，也不能依靠增加機械強度減少磨損。

3）滑動部位材料的組合，應使用相互不易粘附的材料。這種方法對于不全部依靠潤滑的受電系統很重要。同種固體材料比較容易產生黏附摩擦，在以往的設計中都會出現，在機械設計中“同質合金”的摩擦處需要回避使用同種金屬。

4.3 降低弓網系統摩擦磨損的方法

1）需要提高受電弓滑板材料的自潤滑性和降低受電弓接觸網的滑動摩擦系數。載流摩擦磨損主要就是焦耳熱和電孤熱，但是現在弓網滑動摩擦大，摩擦系數也會增加，摩擦力所做的功也會增大，產生的摩擦熱也會隨著增大。這樣滑板材料的溫度也會升高，這樣就會加劇摩擦磨損的產生。除了降低焦耳熱和電孤熱還需要降低受電弓接觸網之間的滑動摩擦系數，從而提高材料的耐磨性。為了降低損耗，現在受電弓滑板主要是使用碳滑板，碳的自潤滑性和減磨性比較好，對接觸線磨損較小，不容易發生熔焊的現象。還有一種浸金屬碳滑板它擁有金屬滑板和碳滑板的優良性能。這兩種滑板是應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的材料。不同材質的受電弓接觸網在高速滑動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的材質相互匹配，這樣機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導線與碳滑板或浸金屬滑板。所以要在不同材質的弓網間進行匹配實驗，從而選出匹配度最高的。

3）提高弓網工作面上的特性匹配。要從弓網工作面的硬度、輪廓和外貌等參數匹配出能夠提高弓網接觸的狀態和抑制電孤的產生。現在所研究的可以通過改變工作面的接觸狀態減少弓網滑動摩擦磨損。

4）減輕受電弓滑板的重量。在設計高速列車受電弓的時候，我們對于受電弓滑板的設計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性，減少受電弓滑板的離線情況。