郭鳳儀，張曉曉

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105)

弓網(wǎng)系統(tǒng)中滑動電接觸受流效率的研究

郭鳳儀，張曉曉

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105)

利用自行設(shè)計的滑動電接觸摩擦磨損實驗機(jī)，在不同速度、電流、壓力的條件下，對銅錫合金導(dǎo)線/浸銅碳滑板做摩擦磨損實驗，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)繪出受流效率在不同條件下的曲線，并對影響受流效率的滑動速度、電流以及接觸壓力做出了理論分析。受流效率隨著速度的增加逐漸降低，且在速度較小時，受流效率隨接觸壓力增大的幅度較大。接觸力在30～80N之間時，受流效率隨電流增大而增大，而接觸力在80～120N之間時，受流效率隨電流增大而下降，總體趨勢上受流效率隨接觸壓力增大而增大。接觸壓力越大、給定電流越大，受流效率越高，而且當(dāng)速度增大時，受流效率受電流的影響減小，此時速度為主要影響因素。

滑動電接觸;受流效率;速度;電流;接觸壓力

1 引言

目前，國內(nèi)外學(xué)者研究較多的是電流、速度與壓力對弓網(wǎng)系統(tǒng)摩擦磨損性能和接觸電阻的影響［1］，以及距離和能量與磨損量的關(guān)系，在電流受流效率方面尤其是定量地分析受流效率的影響因素方面研究較少［2］，當(dāng)前國外對于受流效率更多的是研究受電弓和接觸網(wǎng)系統(tǒng)之間的相互作用，改善接觸網(wǎng)的特性以及建立弓網(wǎng)系統(tǒng)的模型分析其受流穩(wěn)定性。

課題組近年來一直從事弓網(wǎng)滑動電接觸相關(guān)研究，對磨損率、摩擦系數(shù)以及接觸電阻與接觸溫度等隨接觸壓力、滑動速度和接觸電流的變化特性已有一定研究。在此基礎(chǔ)上本文以銅導(dǎo)線/浸金屬碳滑板摩擦副為研究對象，使用自行研制的摩擦磨損試驗機(jī)，模擬電力機(jī)車在弓網(wǎng)系統(tǒng)中的接觸導(dǎo)線和滑板之間的“之”字形運動軌跡，得出大量實驗數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上研究分析受流效率的影響因素。

在弓網(wǎng)系統(tǒng)中，高速機(jī)車通過受電弓從接觸網(wǎng)上取得電能，驅(qū)動牽引電機(jī)運行。受電弓弓頭的滑板與接觸線接觸，產(chǎn)生相對滑動，通過滑板從接觸網(wǎng)上取下電流，輸送給電力機(jī)車的過程，稱為受流。列車實際運行過程中，受電弓滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線容易發(fā)生離線，離線對電力機(jī)車牽引供電非常有害，影響機(jī)車的受流［3］。弓網(wǎng)系統(tǒng)中滑板和接觸導(dǎo)線的接觸狀態(tài)直接影響電力機(jī)車能否正常運行。

本文主要通過滑板與接觸導(dǎo)線的摩擦磨損實驗，分析滑動速度、接觸電流、接觸壓力對受流效率和滑板磨耗率的影響規(guī)律。本文研究的目的是通過實驗數(shù)據(jù)對影響銅錫導(dǎo)線/浸銅碳滑板受流效率及其磨損特性的因素做出理論分析。

2 實驗方法

實驗使用自行研制的高性能滑動電接觸磨耗實驗機(jī)如圖1所示。

該實驗機(jī)的速度可調(diào)范圍大，可以模擬電力機(jī)車弓網(wǎng)系統(tǒng)中接觸導(dǎo)線和滑板之間的“之”字形運動軌跡，可實現(xiàn)接觸導(dǎo)線和滑板之間的運行速度在0～350km/h之間任意調(diào)節(jié);導(dǎo)線與滑板之間的接觸壓力可在0～200N之間改變;加載的接觸電流最大能達(dá)到800A［4］;在實驗過程中可以實現(xiàn)對摩擦系數(shù)、磨耗量、接觸電壓、實際接觸電流等參量的實時在線測量、儲存，以便于后期的數(shù)據(jù)處理。

實驗中使用截面積為120mm2的銅錫導(dǎo)線，滑板為浸銅碳滑板。實驗中滑板的磨耗率是以滑板相對于接觸導(dǎo)線滑動104km后所損失的質(zhì)量來表示的，單位為g/(104km)，磨耗率取左右兩個滑板磨耗量的平均值。其中滑板的質(zhì)量損失通過LT1002電子天平稱量得到，其精度為0.01g。

圖1 滑動電接觸磨耗實驗機(jī)實物圖Fig．1Sliding electrical contact wear test machine

3 實驗現(xiàn)象及理論分析

3.1 受流效率的引入

為了衡量動態(tài)接觸電流偏離靜態(tài)給定電流的程度，引入受流效率，其計算公式為

式中，Iav為動態(tài)受流平均值;Is為靜態(tài)給定電流值;η為受流效率，其值越大表明受流效率越好。

3.2 接觸電阻

接觸電阻是電流通過導(dǎo)電斑點時產(chǎn)生收縮效應(yīng)引起的金屬電阻增量(收縮電阻)與表面膜電阻之和，是表征弓網(wǎng)電接觸特性的參數(shù)，對于弓網(wǎng)系統(tǒng)中點狀接觸的粗糙表面，每個導(dǎo)電斑點的接觸電阻可用下式計算:

式中，Rc為單個導(dǎo)電斑點的接觸電阻;Rf為單個導(dǎo)電斑點的表面膜電阻;ρ1、ρ2分別為接觸線和滑板材料的電阻率;a為單個導(dǎo)電斑點的半徑。

3.3 速度對受流效率的影響及分析

3.3.1 速度對受流效率影響的實驗結(jié)果

本次研究首先試驗了速度分別為50km/h、100km/h和150km/h時，接觸壓力為20～120N，電流為100A、150A和250A的受流特性。得出速度對受流效率影響的曲線如圖2所示。

由圖2(a)可知，在電流為100A時，受流效率隨著速度的增加逐漸降低，隨壓力的增大呈現(xiàn)增大的趨勢，且在速度較小(50km/h)的時候增大的幅度較大，隨速度的增加受流效率增大的變化率逐漸減小，曲線趨于平穩(wěn)。由圖2(b)、2(c)可以看到，速度為50km/h時受流效率隨電流增大呈明顯的上升趨勢，當(dāng)速度增大后受流效率普遍降低。

3.3.2 速度對受流效率影響的理論分析

一方面，隨著速度的提高，慣性力增大，實際接觸壓力變化量增大，平均接觸電阻增大，電路中平均電流減小，導(dǎo)致受流效率變差。另一方面，速度進(jìn)一步增加時，發(fā)生離線的概率增大，且速度越高，離線率越高，此時接觸表面氧化膜形成的速度加快［5］，致密度增加，實際通過接觸表面的電流減少，因此接觸對的電流傳導(dǎo)率下降。同時，在相同電流條件下，增加滑動速度會加劇電流的波動，影響受流的穩(wěn)定性。

還有，在大電流情況下，摩擦生熱和焦耳熱產(chǎn)生的熱量使滑動接觸表面材料軟化，接觸點剪切抗力降低，更容易被剪斷［6］，此時摩擦力變小，接觸點發(fā)生粘合，粘著磨損使得磨屑增加，接觸電阻開始上升，從而接觸點上流過的電流減小，因此受流效率變差，由圖2(b)、2(c)可以看出，當(dāng)速度由50km/h增大到150km/h時，受流效率明顯下降。

圖2 速度與受流效率的關(guān)系Fig．2Relationship between speed and current receiving efficiency

3.4 電流對受流效率的影響及分析

3.4.1 電流對受流效率影響的實驗結(jié)果

使給定電流分別為100A、200A和300A，接觸力從30N變化到120N，分別在50km/h、100km/h和150km/h的運行速度下運行，得出電流影響受流效率的曲線，如圖3所示。

圖3 電流與受流效率的關(guān)系Fig．3Relationship between current and current receiving efficiency

由圖3(a)可知，在運行速度較小(50km/h和100km/h)時，隨著接觸力的增大，電路中給定電流越大，受流效率越高;而當(dāng)運行速度增大后，電流對受流效率的影響減小，此時速度是主要影響因素，曲線趨于平緩。圖3(b)中，接觸力在30～80N之間時，受流效率隨電流增大而減小，而接觸力在80～120N之間時，受流效率隨電流增大而增大，但是總體上受流效率還是呈現(xiàn)上升的趨勢?？梢钥吹?，隨著速度從50km/h變大到150km/h，受流效率開始變差。

3.4.2 電流影響受流效率的理論分析

當(dāng)接觸壓力較小時，此時滑板與接觸導(dǎo)線之間容易發(fā)生離線，又由于導(dǎo)電斑點兩端會積累大量的電荷，從而會在離線的時刻產(chǎn)生火花放電和電弧放電，放電所產(chǎn)生的熱能集中加熱最后分離的導(dǎo)電斑點，使其溫度迅速上升到材料沸點而引起爆炸式氣化［7］，溫度升高使材料融化，因此受流效率變差，隨著電流的增大這種現(xiàn)象會越來越嚴(yán)重。而當(dāng)接觸壓力增大后，滑板與接觸導(dǎo)線的離線率降低，因此發(fā)生火花放電和電弧放電的幾率也降低，受流效率提高?？梢杂^察到，當(dāng)運行速度提高時，滑板與接觸導(dǎo)線之間發(fā)生離線，受流效率開始下降。

在滑板和接觸線之間充滿高溫導(dǎo)電氣體的條件下，可能在10－3s以內(nèi)就形成電火花，大量的電火花匯集成電弧，當(dāng)弓網(wǎng)恢復(fù)接觸后，電弧熄滅。弓網(wǎng)之間的電弧拉長到一定距離后也會熄滅。在高速運行的情況下，接觸副的電弧弧根會在很短的時間內(nèi)熄滅，盡管電弧溫度很高，但其熱流對接觸副的侵蝕卻有限，對接觸副的影響也有限［8］。高速運行中的電弧對環(huán)境產(chǎn)生影響，但卻能保證受流的連續(xù)性，維持受流的穩(wěn)定性。

3.5 接觸力對受流效率的影響及分析

3.5.1 接觸力對受流效率影響的實驗結(jié)果

當(dāng)接觸力分別為40N、70N和100N時，運行速度從50km/h變化到200km/h，電流為100A、200A和250A，得出接觸力影響受流效率的曲線，如圖4所示。

由圖4(a)可以看出，隨著接觸壓力的增大，受流效率也在不斷增大，此時受流效率的變化率較低，曲線顯示比較平穩(wěn)。隨著電流的逐漸增大，由圖4 (b)、4(c)可以看出，在低速和大接觸力的條件下受流效率很明顯呈現(xiàn)增大的趨勢，但是其隨速度變化的穩(wěn)定性不好，當(dāng)速度超過100km/h時，受流效率η下降的速度很快。

3.5.2 接觸力對受流效率影響的理論分析

接觸力的大小直接影響載流的性能。接觸壓力較小時，導(dǎo)電斑點兩端積聚大量電荷，隨著滑板的離線瞬間會產(chǎn)生火花放電，由于接觸力小，此時受流的效率和穩(wěn)定性很不好［9］。接觸力增大后，摩擦副表面的粗糙凸起穿透接觸表面的氧化膜，使得接觸電阻減小，從而形成更多的局部金屬接觸，有效導(dǎo)電斑點增多，電流的傳導(dǎo)路徑就越多，銷盤之間的接觸變好。由于接觸面間建立了很好的金屬連接，從而電弧強(qiáng)度和頻率減小，降低了電氣磨損程度，因此磨損量也減小。

圖4 接觸力與受流效率的關(guān)系Fig．4Relationship between contact pressure and current receiving efficiency

接觸力F與接觸電阻Rc成反比，當(dāng)接觸壓力大于零時，接觸壓力越小，單位接觸壓力變化量引起的接觸電阻變化量越大;接觸壓力越大，單位接觸壓力變化量引起的接觸電阻變化量越小。當(dāng)速度超過100km/h時，受流效率η下降的速度很快，這是由于隨著速度的增大，滑板與接觸導(dǎo)線的離線頻率也增大，速度越高，離線率越高，所以接觸電阻增大，實際接收到的平均電流降低，因此受流效率變差。

4 結(jié)論

(1)本實驗通過自行設(shè)計的滑動電接觸摩擦磨損實驗機(jī)來模擬弓網(wǎng)系統(tǒng)中高速列車滑板與接觸導(dǎo)線之間的運行狀態(tài)，實驗研究了不同的滑動速度、接觸電流以及接觸壓力對受流性能和摩擦磨損性能的影響，并根據(jù)實驗結(jié)果分析影響受流效率的因素。

(2)受流效率隨著速度的增加逐漸降低，且在速度較小時隨接觸壓力增大的幅度較大，隨速度的增加受流效率增大的變化率逐漸減小。運行速度越慢，摩擦副產(chǎn)生的磨損量越大，當(dāng)運行速度增加時，磨損量減小。

(3)接觸力越大，給定電流越大，受流效率越高，而當(dāng)速度增大時，受流效率受電流影響的作用減小。

(4)接觸力在30～80N之間時，受流效率隨電流增大而增大;而接觸力在80～120N之間時，受流效率隨電流增大而減小。總體上受流效率是隨接觸壓力增大而增大的。

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［2］李靈敏，賈步超，陳光雄(Li Lingmin，Jia Buchao，Chen Guangxiong)．接觸網(wǎng)系統(tǒng)受流質(zhì)量影響因素的實驗研究(Experimental study on the factors affecting the current-receiving quality of the contact rail/collector shoe systems)［J］．潤滑與密封(Lubrication Engineering)，2008，33(3):32-35．

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Research of sliding electric contact current receiving efficiency in pantograph-catenary system

GUO Feng-yi，ZHANG Xiao-xiao
(Faculty of Electrical and Control Engineering，Liaoning Technical University，Huludao 125105，China)

By using the design of sliding electrical contact friction and wear testing machine，a lot of experiments were carried out to the copper tin alloy wire/leaching copper carbon slide under different speed，current and pressure conditions．Combined with the experimental data the curves of current receiving efficiency under different conditions are drawn，and the theoretical analysis to the sliding speed，the current and contact pressure that affect the current receiving efficiency is carried out．The conclusion is that the current receiving efficiency decreases as the speed is gradually increasing，and when the velocity is small，the current receiving efficiency increases tremendously by the contact pressure．The current receiving efficiency increases with the increase of the current when the contact pressure is between 30～80N，but when the contact pressure is between 80～120N，the current receiving receiving efficiency decreases as the current increases，and the current receiving efficiency increases as the contact pressure increases in the overall trend．The larger the contact pressure and the given current are，the better the current receiving efficiency is，and when the speed increases，the influence of the current receiving efficiency reduces with the current，and speed becomes the main factor．

sliding electrical contact;current receiving efficiency;speed;current;contact pressure

TM501+．3

A

1003-3076(2014)10-0039-05

2013-01-12

國家自然科學(xué)基金資助項目(51277090)

郭鳳儀(1964-)，男，遼寧籍，教授，博士，長期從事電接觸理論及其應(yīng)用的教學(xué)科研工作;張曉曉(1988-)，男，山東籍，碩士研究生，主要研究方向為弓網(wǎng)系統(tǒng)滑動電接觸。