火文輝，李忠學(xué)

(蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

0 引言

隨著高速列車(chē)運(yùn)行速度的進(jìn)一步提高，弓網(wǎng)磨損問(wèn)題越來(lái)越突出，已逐漸成為制約列車(chē)安全運(yùn)行和進(jìn)一步提速的關(guān)鍵問(wèn)題之一。影響弓網(wǎng)摩擦磨損的主要因素有電流、速度、接觸壓力等。張婧琳通過(guò)試驗(yàn)分析指出，在這三個(gè)影響因素中，電流對(duì)摩擦副的摩擦磨損性能影響最顯著［1］。趙燕霞通過(guò)試驗(yàn)分析指出，磨損量隨速度的增大有增大的趨勢(shì)，并且也指出接觸壓力的波動(dòng)幅度對(duì)材料載流摩擦磨損性能有顯著影響，接觸壓力的波動(dòng)越大，影響越明顯［2］。通過(guò)大量的載流摩擦磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定的條件下，磨損量與溫度有較強(qiáng)的線性正相關(guān)性［1，3-4］。由于接觸線與滑板材質(zhì)不同，磨損量主要體現(xiàn)在滑板的摩擦磨損。筆者應(yīng)用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件［5］分析了電流、速度與接觸壓力對(duì)弓網(wǎng)接觸界面滑板的摩擦磨損的影響。

1 弓網(wǎng)載流摩擦磨損熱傳導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型

弓網(wǎng)接觸界面熱效應(yīng)［10］主要是由焦耳熱、摩擦熱以及電弧熱綜合作用的結(jié)果。弓網(wǎng)系統(tǒng)是假定物性參數(shù)為常數(shù)、第二類邊界條件下為半無(wú)限大物體的熱傳導(dǎo)問(wèn)題，弓網(wǎng)接觸界面的溫度場(chǎng)可以從以下方面確定［1］:

電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱:

相對(duì)滑動(dòng)摩擦?xí)r產(chǎn)生的摩擦熱:

傳熱過(guò)程的控制方程為:

式中:J為電流密度;E為電場(chǎng)強(qiáng)度;Ff為摩擦力;v為受電弓滑板相對(duì)于接觸線的等效滑動(dòng)速度;ρ為密度;Cp為比熱容;T為溫度;t為時(shí)間;k為熱傳導(dǎo)系數(shù);Q為單位體積總熱功率。

2 弓網(wǎng)載流摩擦磨損溫度場(chǎng)的有限元分析

2．1 弓網(wǎng)載流摩擦磨損溫度場(chǎng)的有限元數(shù)值計(jì)算

利用COMSOLMultiphysics有限元分析軟件［5］中的“焦耳熱”物理模塊分析在不同速度、電流、接觸壓力的作用條件下弓網(wǎng)接觸界面的溫度場(chǎng)［8-9］。首先建立弓網(wǎng)接觸界面溫度場(chǎng)的有限元模型，這里采用自由剖分三角形網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示。弓網(wǎng)接觸界面溫度場(chǎng)主要是通過(guò)焦耳熱模型建立和摩擦功引起的摩擦熱添加的，而這里是忽略弓網(wǎng)間產(chǎn)生的電弧熱。

1 弓網(wǎng)接觸界面溫度場(chǎng)的有限元模型

在“焦耳熱”物理場(chǎng)模塊中，定解條件包括邊界條件和初始條件。邊界條件中，將電勢(shì)設(shè)定為25 kV;電流密度選用80，100 A，……，200 A系列參數(shù);接觸電阻的選用經(jīng)驗(yàn)公式［6］:

式中:F為接觸壓力;R為接觸電阻;k為跟接觸形式、接觸壓力以及實(shí)際接觸點(diǎn)數(shù)目等相關(guān)的指數(shù)。而初始條件是假設(shè)滑板和接觸線的初始溫度與環(huán)境空氣溫度相同為20℃，電壓初始值為0 V。

在仿真過(guò)程中首先進(jìn)行了全局定義，各材料的屬性見(jiàn)表1。

表1 各材料參數(shù)

2．2 仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)提取

通過(guò)建模分析可以看出弓網(wǎng)接觸界面摩擦磨損后熱量的分布情況(見(jiàn)圖2)。通過(guò)仿真分析，可以得出不同速度、電流條件下，弓網(wǎng)接觸界面所對(duì)應(yīng)的溫度值(見(jiàn)表2)。

圖2 熱量分布情況

表2 不同速度、電流所對(duì)應(yīng)的溫度值(℃)

3 正交試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)模型和數(shù)據(jù)分析

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素試驗(yàn)一種方法，它是從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，是部分因子設(shè)計(jì)的主要方法，具有很高的效率。

影響磨損量的因素主要包括電流(I)、速度(v)和接觸壓力(F)，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇了如下的試驗(yàn)范圍:I:80～200 A，v:100～250 km/h，F(xiàn):80～160 N。

電流因素取 4個(gè)水平:80 A，120 A，160 A，200 A;速度因素取 4 個(gè)水平:100 km/h，150 km/h，200 km/h，250 km/h;接觸壓力因素取5個(gè)水平:80 N，100 N，120 N，140 N，160 N。

3．1 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)方案可以得出正交表如表3所列。表3中“T”行給出的是電流與速度在不同情況下的溫度之和，“m”行是均值，R值是均值的極差。通過(guò)溫度與電流、速度的關(guān)系圖(見(jiàn)圖3)可以看出:速度在200 km/h以上時(shí)，電流在120～160 A時(shí)的磨損比較大，在其他范圍內(nèi)磨損較小。

表3 正交表

圖3 溫度與兩個(gè)因素關(guān)系圖

3．2 各因素對(duì)弓網(wǎng)接觸界面溫度場(chǎng)的影響

3．2．1 速度對(duì)弓網(wǎng)接觸界面溫度場(chǎng)的影響

當(dāng)接觸壓力 110 N，電流為 80 A、100 A、120 A、140 A、160 A、180 A 和 200 A 時(shí)，弓網(wǎng)接觸界面的溫度隨速度的變化情況如圖4所示?？梢钥闯?在一定的接觸壓力，不同電流條件下，弓網(wǎng)接觸界面的溫度隨速度的增大呈現(xiàn)緩慢的增加。

圖4 不同電流條件下弓網(wǎng)接觸界面溫度隨速度變化情況

3．2．2 電流對(duì)弓網(wǎng)接觸界面溫度場(chǎng)的影響

當(dāng)施加110N的接觸壓力，以不同速度20 km/h、60 km/h、100 km/h、140 km/h、180 km/h、220 km/h和260 km/h相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，弓網(wǎng)接觸界面的溫度隨電流的變化情況如圖5所示。

圖5 不同速度條件下弓網(wǎng)接觸界面溫度隨電流變化情況

可以看出:在一定的接觸壓力，不同速度條件下，弓網(wǎng)接觸界面的溫度隨電流的增大而增大。

3．2．3 接觸壓力對(duì)弓網(wǎng)接觸界面溫度場(chǎng)的影響

當(dāng)電流120A，速度分別為20 km/h、100 km/h、180 km/h、和260 km/h時(shí)，接觸壓力與溫度的關(guān)系如圖6所示?？梢钥闯?弓網(wǎng)間電流一定，不同速度條件下，弓網(wǎng)接觸界面溫度隨著接觸壓力的增大，呈現(xiàn)緩慢升高的變化趨勢(shì)。

圖6 不同速度條件下弓網(wǎng)接觸界面的溫度隨接觸壓力的變化情況

當(dāng)速度為220 km/h，電流分別為80 A、120 A、160 A、200 A時(shí)，接觸壓力與溫度的關(guān)系如圖7所示?？梢钥闯?在相對(duì)滑動(dòng)速度一定，不同的電流條件下，弓網(wǎng)接觸界面溫度隨著接觸壓力的增大而增大。

圖7 不同電流條件下弓網(wǎng)接觸界面溫度隨接觸壓力的變化情況

4 結(jié)論

從上面的分析結(jié)果來(lái)看，影響弓網(wǎng)接觸界面溫度變化的最主要因素是電流，其次是速度與接觸壓力。在一定的接觸壓力，不同電流條件下，弓網(wǎng)接觸界面的溫度隨速度的增大呈現(xiàn)緩慢的增加。在一定的接觸壓力，不同速度條件下，弓網(wǎng)接觸界面的溫度隨電流的增大而增大。弓網(wǎng)間電流一定，不同速度條件下，弓網(wǎng)接觸界面溫度隨著接觸壓力的增大，呈現(xiàn)緩慢升高的變化趨勢(shì)。在相對(duì)滑動(dòng)速度一定，不同的電流條件下，弓網(wǎng)接觸界面溫度隨著接觸壓力的增大而增大。又因?yàn)槟p量與溫度之間存在正相關(guān)的對(duì)應(yīng)關(guān)系［7］，所以，隨著電流的增大，磨損量增大;滑動(dòng)速度與接觸壓力對(duì)磨損量也有一定的影響，當(dāng)接觸壓力一定時(shí)，相對(duì)滑動(dòng)速度越大，磨損量越大。

［1］ 張婧琳．Cu/QCr0．5載流條件下摩擦磨損性能的研究［D］．洛陽(yáng):河南科技大學(xué)，2010．

［2］ 趙燕霞．柔性接觸條件對(duì)載流摩擦磨損特性的影響［D］．洛陽(yáng):河南科技大學(xué)，2011．

［3］ 董 霖．載流摩擦磨損機(jī)理研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2008．

［4］ 卜 俊．溫度對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)載流磨損的影響［D］．成都:西南交通大學(xué)，2010．

［5］ William B．J．Zimmerman．COMSOL Multiphysics有限元法多物理場(chǎng)建模與分析［M］．北京:中仿科技公司，2007．

［6］ 郭鳳儀，陳忠華．電接觸理論及其應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，2008．

［7］ 曹偉武，徐開(kāi)義，趙憲萍，等．磨損量隨受熱面溫度變化關(guān)系的試驗(yàn)研究［J］．動(dòng)力工程，1997，17(4):46-48(60)．

［8］ 李傳喜．降低弓網(wǎng)磨損的受電弓主動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］．成都:西華大學(xué)，2013．

［9］ Ding T，Chen G X．Friction and Wear Behavior of Pantograph Strips Sliding Against Copper Contact Wire with Electric Current［J］．AASRIProcedia，2012(2):288-292．

［10］ 王萬(wàn)崗，吳廣寧．弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸電阻特性［J］．中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，43(10):3857-3864．