曾佳帥 劉桂芬 王智勇 王 琦

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

1 引言

在高速電氣化鐵路系統(tǒng)中，弓網(wǎng)系統(tǒng)是列車(chē)受流的重要部件，是保障列車(chē)系統(tǒng)正常運(yùn)作的關(guān)鍵。在實(shí)際情況下，由于工人安裝不當(dāng)，大風(fēng)大雪等惡劣天氣，以及接觸導(dǎo)線懸掛不良等因素的影響，接觸線與滑板之間容易產(chǎn)生輕微偏角，銅導(dǎo)線難以和滑板保持完全平滑狀態(tài)，以至于產(chǎn)生高溫聚集的情況，對(duì)滑板造成損傷。因此，對(duì)傾斜運(yùn)行狀態(tài)下受電弓滑板的溫度特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，對(duì)延長(zhǎng)滑板使用壽命有著積極意義。

針對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)摩擦副的溫度特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。文獻(xiàn)[1]利用COMSOL 軟件建立了弓網(wǎng)系統(tǒng)摩擦副溫度場(chǎng)仿真模型，對(duì)高速、強(qiáng)電流條件下的電弧能量進(jìn)行預(yù)測(cè)；文獻(xiàn)[2-6]對(duì)滑動(dòng)電接觸下的熱模型進(jìn)行了研究，對(duì)不同工況下的電接觸進(jìn)行了熱分析；文獻(xiàn)[7]建立了弓網(wǎng)系統(tǒng)的電觸點(diǎn)熱模型，構(gòu)建了接觸點(diǎn)之間的最大接觸加熱和加熱分布表達(dá)式；文獻(xiàn)[8-10]從多方面考慮，提出和完善了弓網(wǎng)系統(tǒng)的建模方法；文獻(xiàn)[11]在溫度場(chǎng)仿真分析中提出一種變密度對(duì)稱(chēng)六面體網(wǎng)格劃分方法；文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW 的弓網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[13]采用歐拉-伯努利柔性梁對(duì)柔性承力索和接觸網(wǎng)進(jìn)行建模，對(duì)弓網(wǎng)耦合系統(tǒng)進(jìn)行了整體分析；文獻(xiàn)[14]基于自制的弓網(wǎng)仿真系統(tǒng)，從溫升方面研究了弓網(wǎng)系統(tǒng)電接觸的演變過(guò)程。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)正常狀態(tài)下弓網(wǎng)系統(tǒng)溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，關(guān)于傾斜狀態(tài)下弓網(wǎng)系統(tǒng)溫度場(chǎng)的研究較少，只有文獻(xiàn)[15]對(duì)不同傾角下滑板的磨損量、摩擦因數(shù)以及電弧能量進(jìn)行分析，關(guān)于傾角狀態(tài)下的滑板溫升仿真還鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文利用滑動(dòng)電接觸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行滑板傾斜條件下的溫度特性試驗(yàn)，在COMSOL Multiphysics 軟件中運(yùn)用等效面積法模擬滑板傾斜，建立了傾斜狀態(tài)下弓網(wǎng)系統(tǒng)滑動(dòng)電接觸溫度場(chǎng)仿真模型，仿真與試驗(yàn)相同工況下的溫度結(jié)果，通過(guò)對(duì)比仿真與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性；對(duì)高速?gòu)?qiáng)電流狀態(tài)下的滑板溫度結(jié)果進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了傾角對(duì)滑板溫度及其溫度分布的影響。

2 試驗(yàn)裝置與方案

2.1 試驗(yàn)裝置及原理

如圖1 所示，滑動(dòng)電接觸試驗(yàn)系統(tǒng)由電波暗室、弓網(wǎng)電弧發(fā)生器和弓網(wǎng)電弧檢測(cè)裝置組成[1]。該裝置能模擬電力機(jī)車(chē)弓網(wǎng)系統(tǒng)的“之”字型運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)接觸壓力、滑動(dòng)速度、接觸電流值等進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)中利用FLIR-T400 型紅外熱像儀對(duì)滑板溫度進(jìn)行采集，利用LabVIEW 對(duì)滑板兩側(cè)的電壓以及線路電流波形進(jìn)行采集。傾斜試驗(yàn)銅導(dǎo)線轉(zhuǎn)盤(pán)與浸金屬滑板間摩擦副結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖1 弓網(wǎng)滑動(dòng)電接觸試驗(yàn)機(jī)

圖2 傾斜狀態(tài)下滑板的安裝結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 試驗(yàn)方案

為了研究不同工況下，不同傾角對(duì)滑板溫度的影響，試驗(yàn)方案如表1 所示。試驗(yàn)共進(jìn)行30 組，分別研究純摩擦情況下與70 A 電流情況下滑板的穩(wěn)態(tài)溫升情況。

表1 試驗(yàn)方案

3 仿真模型

3.1 模型建立

在文獻(xiàn)[16]建立的弓網(wǎng)系統(tǒng)滑動(dòng)電接觸的模型之上進(jìn)一步考慮滑板傾斜角度因素對(duì)滑板溫升的影響，利用COMSOL Multiphysics 軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。

利用COMSOL 軟件對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行等尺寸建模。應(yīng)用固體力學(xué)、固體傳熱及電流物理場(chǎng)設(shè)定邊界條件。如圖3 所示為仿真模型圖，圖3 中圓環(huán)為弓網(wǎng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)銅導(dǎo)線，在X-Y平面以Z軸為軸心做圓周運(yùn)動(dòng)；兩個(gè)六面體為浸金屬碳板，在X軸方向上做往返運(yùn)動(dòng)以模擬弓網(wǎng)系統(tǒng)“之”字形運(yùn)動(dòng)。

圖3 仿真模型圖

為使仿真便于計(jì)算，做出以下假設(shè)[16]：① 材料密度與導(dǎo)熱系數(shù)為定值，不隨溫度變化而改變；② 考慮外界產(chǎn)生的對(duì)流散熱，散熱系數(shù)恒定；③ 忽略磨屑帶走的很少熱量；④ 接觸點(diǎn)界面摩擦力作用轉(zhuǎn)換的熱量和接觸電阻產(chǎn)生的熱量能全部被摩擦耦合件吸收；⑤ 各層材料的參數(shù)都是各向同性的。

仿真設(shè)定初始溫度為實(shí)際室溫15 ℃，本模型中浸金屬滑板以及銅導(dǎo)線的物理參數(shù)參考文獻(xiàn)[1]中設(shè)置。

3.2 等效面積法模擬滑板傾斜

試驗(yàn)初始狀態(tài)，由于設(shè)定了一定傾角，摩擦副滑板與銅導(dǎo)線接觸面積極??；試驗(yàn)進(jìn)行中，試驗(yàn)機(jī)模擬列車(chē)“之”字形運(yùn)動(dòng)，銅導(dǎo)線與浸金屬滑板相互摩擦，滑板接觸面不斷磨損導(dǎo)致摩擦副接觸面不斷增大，從而使得銅線在滑板上滑動(dòng)區(qū)域面積增加。COMSOL 軟件中難以模擬滑板的傾角以及試驗(yàn)過(guò)程中滑板磨損導(dǎo)致的滑動(dòng)區(qū)域變化狀態(tài)，于是采用等效面積法模擬銅線在滑板上滑動(dòng)區(qū)域不斷增大的過(guò)程。等效面積法即通過(guò)試驗(yàn)采樣得到的滑動(dòng)區(qū)域面積來(lái)設(shè)置COMSOL 中滑板周期運(yùn)動(dòng)的函數(shù)幅值，使得相同時(shí)間內(nèi)銅線在滑板上滑動(dòng)的區(qū)域與試驗(yàn)相等。

試驗(yàn)過(guò)程每隔100 s 對(duì)滑板摩擦區(qū)域拍照取樣，利用Matlab 對(duì)圖片摩擦區(qū)域與非摩擦區(qū)域進(jìn)行二值化處理。如圖4a 所示為無(wú)傾角長(zhǎng)時(shí)間磨損后的浸金屬滑板采樣照片，圖4b 為二值化后的滑板圖片，其中白色區(qū)域?yàn)殂~導(dǎo)線在滑板上的滑動(dòng)摩擦區(qū)域，黑色區(qū)域?yàn)槲词艿侥Σ恋膮^(qū)域；已知采樣總面積大小，計(jì)算摩擦區(qū)域像素點(diǎn)個(gè)數(shù)以及占總區(qū)域像素點(diǎn)個(gè)數(shù)的比例大小以計(jì)算滑動(dòng)區(qū)域面積。

圖4 滑板摩擦區(qū)域圖像處理

將試驗(yàn)過(guò)程中滑動(dòng)區(qū)域面積采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成仿真模型中滑板往返運(yùn)動(dòng)的幅值，對(duì)其進(jìn)行三次樣條插值計(jì)算，得到滑板運(yùn)動(dòng)幅值隨時(shí)間變化的函數(shù)曲線，如圖5 所示；將運(yùn)動(dòng)幅值與滑板運(yùn)動(dòng)頻率結(jié)合，得到滑板位移隨時(shí)間變化曲線，圖6 是傾角為2°的滑板運(yùn)動(dòng)曲線，滑板傾斜狀態(tài)下滑動(dòng)過(guò)程即轉(zhuǎn)化成如圖6 所示的滑板運(yùn)動(dòng)幅值不斷增大的往返運(yùn)動(dòng)；初始時(shí)刻放大圖如圖7 所示。

圖5 不同傾角下滑板運(yùn)動(dòng)幅值

圖6 滑板位移曲線圖

圖7 初始時(shí)刻放大圖

速度、接觸壓力、溫度和接觸電阻VIP 數(shù)值較小，對(duì)浸金屬碳板磨損量解釋能力較弱[17]；大電流對(duì)浸金屬碳板磨損的影響主要體現(xiàn)在電弧對(duì)滑板的燒蝕作用[18]，電弧對(duì)滑板的燒蝕呈現(xiàn)細(xì)小麻坑狀，麻點(diǎn)對(duì)接觸面積的影響微小，且傾斜狀態(tài)下的接觸面積比正常狀態(tài)時(shí)的小很多，因此接觸面麻點(diǎn)數(shù)量也相對(duì)少很多。此外，仿真難以準(zhǔn)確模擬電弧對(duì)滑板的燒蝕作用，并且傾斜狀態(tài)下的滑板溫度上升到穩(wěn)定溫度所需的時(shí)間較短，因此仿真只考慮傾角大小對(duì)滑動(dòng)區(qū)域面積的影響。

3.3 弓網(wǎng)電弧能量計(jì)算預(yù)測(cè)

滑板溫升熱量來(lái)源主要是摩擦熱、焦耳熱和電弧熱[2]。如圖8 所示為傾角1°，滑動(dòng)速度90 km/h，接觸電流70 A 條件下滑板兩端電壓波形圖截取片段，滑板傾斜狀態(tài)下由于銅導(dǎo)線與碳板接觸面積較小，導(dǎo)致電弧的頻繁產(chǎn)生，產(chǎn)生電弧時(shí)接觸電阻值迅速增大使得電壓突增，導(dǎo)致圖8 所示“突刺”狀電壓波形，為了精確分析滑板溫升情況，本文考慮了電弧對(duì)滑板溫度的影響。

圖8 滑板兩側(cè)電壓波形圖

利用試驗(yàn)過(guò)程中采集的電壓電流數(shù)據(jù)對(duì)不同條件下電弧總能量進(jìn)行計(jì)算。交流電弧能量為[19]

式中，hW為電弧能量；tx和ts分別代表燃弧和電弧熄滅的時(shí)間；uh為電弧電壓；ih為電弧電流。

對(duì)各個(gè)傾角不同速度下的電弧能量進(jìn)行計(jì)算，不同速度下電弧能量值相差最大2 502 J，相差占比3.2%，速度對(duì)電弧能量值影響較小。因此，仿真只考慮傾角與接觸電流對(duì)電弧功率的影響。不同傾角下每100 s 內(nèi)的電弧能量計(jì)算結(jié)果如表2所示，前100 s 內(nèi)滑板與銅導(dǎo)線接觸面積小導(dǎo)致大量電弧產(chǎn)生，隨著滑板的磨損，接觸面積不斷增大，電弧逐漸減少，導(dǎo)致了如表2 所示的電弧能量隨時(shí)間迅速降低直到小范圍波動(dòng)的狀況。由式(1)可知電弧能量與電流值成線性關(guān)系，在Matlab 軟件中采用一元線性回歸模型對(duì)大電流條件下的電弧能量進(jìn)行預(yù)測(cè)，求得傾角1°、2°、3°、4°在電流1 000 A 時(shí)600 s 內(nèi)電弧總能量分別 為 9.45×105J、1.62×106J、1.29×106J、1.78×106J，按照表2 中不同時(shí)間段內(nèi)電弧能量的比例得出不同傾角下每100 s 內(nèi)電弧能量，從而得到每100 s 內(nèi)平均電弧功率，在滑板接觸面設(shè)置相同功率的點(diǎn)熱源以模擬電弧熱對(duì)接觸面溫度的影響。

表2 電弧能量計(jì)算

4 仿真模型驗(yàn)證

4.1 瞬態(tài)溫升對(duì)比驗(yàn)證

使用熱成像儀間隔100 s 對(duì)滑板接觸面最高溫度進(jìn)行采集，采樣數(shù)據(jù)與仿真溫升曲線對(duì)比驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。在速度為70 km/h、接觸壓力為70 N 條件下進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖9 為傾角1°、接觸電流70 A 條件下仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖，圖10 為無(wú)電流純摩擦傾角為2°條件下仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖。兩者最大誤差分別為4.6 ℃和2.9 ℃，試驗(yàn)采樣數(shù)據(jù)與仿真溫升曲線基本擬合，可以驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性。

圖9 70 A 瞬態(tài)溫度驗(yàn)證

4.2 穩(wěn)態(tài)溫升對(duì)比驗(yàn)證

改變?cè)囼?yàn)的傾角與速度大小，分別對(duì)純摩擦和有電流作用下兩種情況試驗(yàn)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

如圖11 所示為電流70 A 條件下試驗(yàn)仿真溫度結(jié)果對(duì)比，如圖12 所示為純摩擦0 A 條件下溫度對(duì)比。仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，70 A 電流情況下溫度誤差最大為3.5 ℃；0 A 純摩擦情況下溫度誤差最大為1.9 ℃。誤差在允許范圍內(nèi)，證明仿真模型有效。

圖11 70 A 電流仿真試驗(yàn)溫度對(duì)比

圖12 0 A 電流試驗(yàn)仿真結(jié)果對(duì)比

5 溫度特性仿真

5.1 不同傾角狀態(tài)下溫度仿真

5.1.1 高速大電流溫度仿真

對(duì)真實(shí)的列車(chē)運(yùn)行條件進(jìn)行不同傾角的溫度仿真，取接觸壓力為70 N，對(duì)不同傾角下接觸電流和滑動(dòng)速度分別為1 000 A、380 km/h；1 000 A、160 km/h；500 A、160 km/h 條件下進(jìn)行溫度仿真。如圖13 所示為各組穩(wěn)態(tài)溫度仿真結(jié)果。

圖13 大電流高速溫度仿真結(jié)果

從圖13 可以看出在各組試驗(yàn)中，正常狀態(tài)下各組條件下溫度結(jié)果都遠(yuǎn)小于傾角狀態(tài)下的溫度，其中接觸電流1 000 A、滑動(dòng)速度160 km/h 條件下，傾角2°相比正常狀態(tài)高了643 ℃，溫度相差巨大，可見(jiàn)傾角對(duì)滑板溫度的影響顯著。不同傾角溫度差距主要體現(xiàn)在大電流情況下，在大電流條件下穩(wěn)態(tài)溫升對(duì)速度的敏感度較低，速度的變化對(duì)穩(wěn)態(tài)溫度影響較小，而在傾角為2°與4°時(shí)與其他情況不同，速度的增大引起溫度的下降；且電流的增大引起穩(wěn)態(tài)溫度劇烈變化。

分析認(rèn)為傾角狀態(tài)下溫度相比正常狀態(tài)明顯增大是由于傾角狀態(tài)下的大量電弧熱的影響，且滑動(dòng)區(qū)域相比正常狀態(tài)較小，產(chǎn)生的焦耳熱與摩擦熱在小范圍內(nèi)聚集難以擴(kuò)散，兩者同時(shí)造成了滑板接觸面溫度的大量提升；從表2 中電弧能量數(shù)據(jù)看出，傾角2°、4°時(shí)電弧能量相比于其他傾角大了很多，電弧熱在接觸面聚集更多，且仿真考慮了銅線轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)的空氣流動(dòng)，2°、4°熱量相比其他傾角聚集更多，則受到空氣流動(dòng)散熱越多，當(dāng)熱量的擴(kuò)散速度大于摩擦熱的增加，則導(dǎo)致了圖13 中2°、4°傾角速度的增大引起穩(wěn)態(tài)溫度降低的現(xiàn)象；而電流的增大直接導(dǎo)致了焦耳熱的劇增從而引起穩(wěn)態(tài)溫度的劇烈變化。

可見(jiàn)，在列車(chē)高速大電流條件下，傾角是受電弓滑板溫度異常升高的最主要因素。

5.1.2 瞬態(tài)溫升曲線仿真

為了探尋不同傾角狀態(tài)下滑板溫度從初始到穩(wěn)態(tài)變化規(guī)律，在電流為1 000 A，接觸壓力為70 N，速度為160 km/h條件下對(duì)比了不同傾角狀態(tài)時(shí)滑板表面中點(diǎn)上升曲線，如圖14 所示。

圖14 不同傾角時(shí)接觸面中點(diǎn)溫升曲線圖

由圖14 可以看出溫升曲線呈波動(dòng)狀，短時(shí)間內(nèi)溫度有較大范圍內(nèi)波動(dòng)；無(wú)傾角狀態(tài)上升曲線平緩，溫升相比于傾角狀態(tài)較小，在100 s 后上升到穩(wěn)態(tài)后一直保持穩(wěn)定狀態(tài)；而傾角狀態(tài)下采樣點(diǎn)溫度在50 s 內(nèi)急劇上升至峰值，且在100 s 后溫度有較大幅度的下降，呈現(xiàn)一種“山脊”狀分布，在200～600 s溫度也保持較小范圍的起伏，整體有輕微下降趨勢(shì)；2°、4°傾角相比于其他傾角有著更明顯的“山脊”分布，其“山峰”更高，凸起更明顯，前50 s 內(nèi)溫度上升更劇烈。

短時(shí)間內(nèi)溫度變化較大原因在于熱源的移動(dòng)，銅導(dǎo)線與滑板接觸區(qū)域通過(guò)大量電流且產(chǎn)生電弧，導(dǎo)致接觸區(qū)域溫度迅速上升，銅導(dǎo)線在滑板上往返滑動(dòng)，熱源經(jīng)過(guò)測(cè)量點(diǎn)時(shí)溫度短暫上升，離開(kāi)時(shí)溫度降低，導(dǎo)致波動(dòng)狀曲線；前百秒內(nèi)銅導(dǎo)線與滑板接觸面積小，運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生劇烈電弧，在大量電弧熱與焦耳熱、摩擦熱的共同作用下導(dǎo)致其溫度劇烈上升，百秒后隨著滑板磨損，接觸線面積增加，抑制電弧的產(chǎn)生，電弧總能量迅速減少，使之前的溫度短暫穩(wěn)態(tài)狀態(tài)被破壞，溫度隨著電弧能量減少迅速降低，從圖5 可以看出，滑板運(yùn)動(dòng)幅值在前百秒內(nèi)增長(zhǎng)最快，即滑動(dòng)區(qū)域面積在前百秒增長(zhǎng)最快，所以試驗(yàn)前期電弧能量下降更多，而隨著不斷磨損，接觸面積增大得越來(lái)越慢，而使得電弧能量在小范圍內(nèi)下降，所以溫升曲線后端會(huì)緩慢降低；而2°、4°的“山脊”狀分布更明顯，原因在于其前百秒內(nèi)更大的電弧能量所導(dǎo)致。

可見(jiàn)，傾角不僅會(huì)大幅度提高滑板的穩(wěn)態(tài)溫度，在傾角剛產(chǎn)生的50 s 內(nèi)，滑板的溫度會(huì)急劇突增，遠(yuǎn)大于最終的穩(wěn)態(tài)溫度；溫度的劇增可能會(huì)使浸金屬滑板中的金屬成分熔化，從而影響滑板的材料性能，進(jìn)而影響到弓網(wǎng)滑動(dòng)摩擦副的載流摩擦磨損特性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){列車(chē)的安全運(yùn)行。

5.1.3 不同接觸壓力下的穩(wěn)態(tài)溫度仿真

在電流為1 000 A，速度為160 km/h 的條件下，對(duì)不同傾角與接觸壓力下的穩(wěn)態(tài)溫度進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖15 所示。

圖15 不同傾角與接觸壓力下的溫度仿真結(jié)果

文獻(xiàn)[20]發(fā)現(xiàn)在電流速度一定的條件下，接觸面溫度隨壓力的增大呈現(xiàn)一種先減小后增大的“U”形趨勢(shì)，即存在一個(gè)使接觸面溫度最低的最佳接觸壓力。

從圖15 可以看出，在無(wú)傾角狀態(tài)時(shí)，最佳壓力值在70 N 附近；隨著傾角不斷增大，線段的最低點(diǎn)不斷右移，到傾角2°時(shí)最佳壓力點(diǎn)已經(jīng)增大到75 N，傾角3°則在80 N 附近，傾角4°曲線一直向下傾斜說(shuō)明最佳壓力大于90 N；即最佳壓力值隨著傾角的增大往70 N 右側(cè)移動(dòng)，使得接觸面溫度最低的最佳接觸壓力隨著傾角的增大而增大。分析其原因，在接觸壓力較小時(shí)接觸斑點(diǎn)少，接觸斑點(diǎn)的接觸面積小，接觸電阻大導(dǎo)致焦耳熱多，而摩擦熱較小，隨著壓力增大，接觸電阻減小，焦耳熱降低而摩擦熱增大導(dǎo)致U 形分布；而傾角角度越大，接觸面積相對(duì)于無(wú)傾角狀態(tài)越小，導(dǎo)致接觸電阻越大，即傾角狀態(tài)要與正常狀態(tài)保持相同的接觸電阻需要更大的接觸壓力，因此導(dǎo)致了傾角狀態(tài)的最佳接觸壓力右移。

在弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行期間，滑板傾斜會(huì)使滑動(dòng)摩擦副的最佳接觸壓力發(fā)生變化，這不僅會(huì)影響滑板的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行溫度，還會(huì)引起滑板的異常磨損、影響列車(chē)的受流質(zhì)量。

5.2 滑板溫度分布

選取一組仿真試驗(yàn)觀察滑板溫度分布情況，在速度為160 km/h，壓力為70 N，電流為1 000 A，傾角為4°的條件下，繪制穩(wěn)態(tài)滑板溫度分布，如圖16 所示。

圖16 滑板溫度分布

從圖16 可以看出，滑板溫度主要聚集在滑板中央接觸線上，溫度分布由接觸線向兩側(cè)均勻擴(kuò)散降低，取滑板接觸面X軸方向線段和過(guò)接觸面中心點(diǎn)Z軸正半軸方向線段為截線，如圖17 上半部分中線為X軸方向截線，下半部分中線為Z軸方向截線，分別取X軸方向截線最左端和接觸面中點(diǎn)為溫度零點(diǎn)，在速度為160 km/h、壓力為70 N、電流為1 000 A仿真條件下，繪制不同傾角在截線上的溫升分布情況，結(jié)果如圖18、圖19 所示。

圖17 截線位置示意圖

圖18 X 軸方向截線上溫升分布

圖19 Z 軸方向截線上溫升分布

如圖18 所示，從上到下分別為4°、2°、3°、1°、0°的X軸方向截線上溫升曲線，可以看出滑板接觸面X軸方向左右溫度分布正常狀態(tài)相比于傾角狀態(tài)分布更均衡，而傾角狀態(tài)的溫度滑動(dòng)接觸區(qū)域相比兩旁溫度差異較大，溫度集中在滑板中央部分；不同傾角條件下滑板傾角越大，電弧能量越高的滑板溫升分布曲線越陡峭，峰狀凸起越高，溫度聚集程度越大；而圖19 中從上到下分別為4°、2°、3°、1°、0°的Z軸方向截線上溫升曲線，不同傾角下的滑板內(nèi)部與表面溫度分布均勻，溫升差距不大。

分析上述滑板溫度分布的原因是電弧熱、摩擦熱與焦耳熱共同作用的結(jié)果。傾斜狀態(tài)下產(chǎn)生劇烈電弧且都集中在小范圍接觸區(qū)域內(nèi)，高溫聚集區(qū)域是電流密度模最密集的區(qū)域，并且是最主要接受摩擦的區(qū)域。此外，模擬傾角狀態(tài)導(dǎo)致滑板左右運(yùn)動(dòng)幅值較小，銅線與滑板一直在小范圍內(nèi)相對(duì)摩擦，這些因素是高溫聚集在小范圍內(nèi)的主要原因。傾角越大，滑板運(yùn)動(dòng)幅值越小，且伴隨著更高的電弧能量，溫度分布越聚集。

從上述滑板溫度分布情況來(lái)看，正常狀態(tài)時(shí)滑板的溫度分布會(huì)更加均勻，傾斜狀態(tài)時(shí)滑板中部的溫度比兩側(cè)的溫度提升得更高，滑板的高溫區(qū)主要聚集在接觸表面中心附近的較小區(qū)域內(nèi)，高溫區(qū)的聚集會(huì)影響滑板的散熱，改變滑板的熱、力、機(jī)械性能，最終會(huì)縮短滑板的使用壽命。

6 結(jié)論

本文利用COMSOL 軟件建立傾斜狀態(tài)下的弓網(wǎng)系統(tǒng)溫度場(chǎng)仿真模型，對(duì)傾斜狀態(tài)下受電弓滑板的熱電特性進(jìn)行仿真研究。

(1) 仿真考慮了電弧熱的作用，采用等效面積法模擬傾斜狀態(tài)，利用試驗(yàn)結(jié)果從瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩方面驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

(2) 通過(guò)控制變量法對(duì)不同傾角時(shí)大電流高速狀態(tài)下滑板的溫度特性進(jìn)行了仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)傾角是滑板溫度異常升高的最主要因素。

(3) 大電流條件下滑板的溫度對(duì)滑動(dòng)速度的敏感度較低；滑板溫升曲線呈“山脊”狀分布，傾角狀態(tài)初期滑板溫度急劇增大，容易達(dá)到滑板內(nèi)金屬成分的熔點(diǎn)，對(duì)滑板結(jié)構(gòu)造成影響。

(4) 最佳接觸壓力隨著傾角角度的增大而增大，導(dǎo)致滑板異常磨損，影響滑板使用壽命。傾角狀態(tài)下滑板的高溫區(qū)域聚集在滑板接觸表面的中央，高溫聚集會(huì)縮短滑板的使用壽命。

不足之處在于大電流下滑板表面的溫度可高達(dá)上千攝氏度，溫度變化范圍較寬，可能會(huì)影響到滑板材料的物理特性。本文在仿真計(jì)算時(shí)，暫未考慮溫度大范圍變化對(duì)滑板物理特性參數(shù)的影響，這可能對(duì)結(jié)果有一定影響；其次使用電流線密度來(lái)刻畫(huà)傾斜可能使得仿真結(jié)果更加精確，受限于試驗(yàn)器材等難以實(shí)現(xiàn)?；鍍A斜狀態(tài)下不管是溫升或是溫度分布情況都不利于弓網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，避免滑板傾斜對(duì)列車(chē)的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及延長(zhǎng)滑板的使用壽命有著積極意義。