摘要 弓網(wǎng)系統(tǒng)是電力化鐵路系統(tǒng)的重要組成部分，為了提高弓網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與關(guān)鍵性，控制與降低弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸電阻至關(guān)重要，文章綜述了目前關(guān)于弓網(wǎng)系統(tǒng)中接觸電阻研究現(xiàn)狀，并從接觸壓力、牽引電流及滑動速度等幾個方面對弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸電阻的影響進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，增大接觸壓力則提高弓網(wǎng)接觸的穩(wěn)定性，減小接觸電阻；增加滑動速度會降低弓網(wǎng)接觸的穩(wěn)定性，破壞接觸表面膜層，導(dǎo)致接觸電阻增大；增大牽引電流將增強(qiáng)潤滑作用，減小接觸電阻。

關(guān)鍵詞 弓網(wǎng)系統(tǒng)；接觸電阻；接觸壓力；滑動速度；牽引電流

中圖分類號 U264.34；U255 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0182-03

0 引言

在當(dāng)今飛速發(fā)展的鐵路運(yùn)輸領(lǐng)域中，鐵路電氣化技術(shù)正日益成為現(xiàn)代化電氣鐵路的重要組成部分。鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)是指由受電弓和接觸網(wǎng)組成的鐵路供電系統(tǒng)，將電能輸送至行駛中的列車。弓網(wǎng)系統(tǒng)作為鐵路電氣化中不可或缺的角色，其穩(wěn)定性將直接影響鐵路列車的正常運(yùn)行。

弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸電阻是評價(jià)弓網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的重要因素，當(dāng)接觸電阻過大時，弓網(wǎng)接觸處會產(chǎn)生額外的焦耳熱，從而使得溫度上升，加大弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸處導(dǎo)線的磨損，降低弓網(wǎng)系統(tǒng)的使用壽命。因此，研究弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸電阻對列車安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

由于運(yùn)行中的列車處于動態(tài)過程，因此弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸電阻實(shí)際上處于動態(tài)變化中。為了揭示接觸電阻的變化規(guī)律，多數(shù)學(xué)者經(jīng)過研究認(rèn)為其主要受到接觸壓力、牽引電流及滑動速度的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)，動態(tài)接觸電阻與接觸壓力變化呈現(xiàn)正相關(guān)，當(dāng)接觸壓力增大時，接觸電阻則迅速下降；當(dāng)列車處于運(yùn)行中時，牽引電流會對金屬表面產(chǎn)生氧化作用，增大膜層電阻，導(dǎo)致接觸電阻上升；受電弓滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線在列車運(yùn)行時因摩擦產(chǎn)生熱量的影響，其接觸電阻也會升高。

1 弓網(wǎng)系統(tǒng)及接觸電阻構(gòu)成

弓網(wǎng)系統(tǒng)是由受電弓與接觸網(wǎng)組成的整體，向列車提供動力。弓網(wǎng)系統(tǒng)的示意圖如圖1所示：

圖1 弓網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

由于受電弓與接觸網(wǎng)屬于滑動電接觸類型，在列車運(yùn)行中，受電弓與接觸網(wǎng)之間將產(chǎn)生復(fù)雜的理化現(xiàn)象，隨著列車運(yùn)行速度的提升，燒蝕、損耗、離線等理化現(xiàn)象的出現(xiàn)概率將大幅提升，直接影響列車的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

接觸電阻是研究弓網(wǎng)系統(tǒng)安全性與可靠性的基礎(chǔ)，接觸電阻構(gòu)成復(fù)雜。根據(jù)德國學(xué)者Raganr Holm提出的電接觸理論[1]，任何兩個接觸物體的表面都不絕對光滑，金屬表面會在空氣中形成污染膜層，當(dāng)兩物體接觸時，非光滑表面的突出部分將首先進(jìn)行接觸，Raganr Holm將這些接觸部分稱為導(dǎo)電斑。當(dāng)電流經(jīng)過導(dǎo)電斑時，電流線將發(fā)生收縮，電流路徑增長，等效減小了導(dǎo)電面積，使得在導(dǎo)電斑局部出現(xiàn)附加電阻，稱之為收縮電阻Rs（Constriction Resistance），如圖2所示：

圖2 電流收縮示意圖

從圖２可以看出，導(dǎo)電斑的存在將電流線聚集在一起連接著兩個不同電導(dǎo)率的材料，即電流經(jīng)過導(dǎo)電斑形成通路，導(dǎo)電斑則成為接觸面上的導(dǎo)電區(qū)域，因此導(dǎo)電斑的大小及數(shù)目直接影響收縮電阻的大小。同時，由于弓網(wǎng)系統(tǒng)長期處于空氣介質(zhì)中，受氧化、污染等因素影響將在表面形成一層膜，稱之為膜層電阻Rf（Film Resistance）。弓網(wǎng)系統(tǒng)表面膜層構(gòu)成復(fù)雜，膜層之間相互滲透。在列車運(yùn)行過程中，弓網(wǎng)系統(tǒng)處于滑動狀態(tài)，接觸面膜層也會受到影響，同時，由于波動接觸壓力的變化，弓網(wǎng)系統(tǒng)可能出現(xiàn)分離情況，其表面導(dǎo)電斑大小及數(shù)目也會發(fā)生改變，從而在接觸面呈現(xiàn)出電容性或電阻性。當(dāng)經(jīng)過接觸面導(dǎo)電斑的電流由于溫度增大導(dǎo)致接觸面溫度上升時，導(dǎo)電斑將出現(xiàn)熔融現(xiàn)象，形成電弧，即電弧電阻Rg。在弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸處，膜層電阻與收縮電阻在電路上呈現(xiàn)串聯(lián)關(guān)系，二者之和即為接觸電阻。

2 接觸電阻影響因素分析

多數(shù)學(xué)者經(jīng)過研究認(rèn)為接觸電阻主要受接觸壓力、牽引電流及滑動速度的影響。該節(jié)從這三個影響因素入手，分析目前鐵路領(lǐng)域內(nèi)關(guān)于接觸電阻影響因素的研究現(xiàn)狀，對弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸電阻的研究進(jìn)行綜述。

2.1 接觸壓力的影響

在列車實(shí)際運(yùn)行中，弓網(wǎng)系統(tǒng)處于一個完全動態(tài)的環(huán)境，受地勢、環(huán)境及列車運(yùn)行所產(chǎn)生的震動等因素影響，使得弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸處的狀態(tài)時刻發(fā)生變化，其接觸壓力處于波動狀態(tài)，對接觸電阻產(chǎn)生一定波動，影響列車運(yùn)行安全的穩(wěn)定性。因此，研究弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸壓力對接觸電阻的影響至關(guān)重要。文獻(xiàn)2通過滑動電接觸實(shí)驗(yàn)機(jī)，研究了不同波動載荷下接觸電阻的變化規(guī)律[2]，圖3為滑動電接觸實(shí)驗(yàn)機(jī)。

圖3 滑動電接觸實(shí)驗(yàn)機(jī)

該文設(shè)定50 N、70 N、90 N、110 N共4個波動載荷，并通過在同一滑動速度下測量接觸電阻的變化，得到接觸電阻與波動載荷的變化關(guān)系。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析來看，隨著弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸壓力的增大，接觸電阻呈現(xiàn)明顯的減小趨勢；當(dāng)牽引電流為250 A、滑動速度為120 km/h時，設(shè)定接觸壓力為50 N時得到的接觸電阻約為0.055 Ω；當(dāng)接觸壓力上升至110 N時，接觸電阻大幅降低至0.03 Ω。分析造成接觸電阻下降的原因是當(dāng)接觸壓力增大時，弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸處的接觸面積也隨之增大，提高了列車運(yùn)行的穩(wěn)定性，從而減少了接觸電阻。

文獻(xiàn)3研究了弓網(wǎng)系統(tǒng)中無載流靜態(tài)接觸時的接觸電阻與接觸壓力的變化關(guān)系[3]。試驗(yàn)結(jié)果與前文相符，當(dāng)接觸壓力增大時，接觸電阻呈現(xiàn)減小趨勢，但當(dāng)接觸壓力增大至120 N后，接觸電阻基本維持在恒定值。分析造成接觸電阻不再減小的原因是接觸面的總形變達(dá)到了閾值，僅僅增加接觸壓力已經(jīng)無法使接觸面積增大，因此接觸電阻的減小速率放緩。

2.2 滑動速度的影響

弓網(wǎng)系統(tǒng)作為一個電氣與機(jī)械耦合接觸的整體系統(tǒng)，其接觸電阻與列車運(yùn)行速度具有密不可分的關(guān)系。同時，由于弓網(wǎng)系統(tǒng)是一個動態(tài)系統(tǒng)，在列車在運(yùn)行中會由于摩擦產(chǎn)生一定的磨損量，磨損量越多，接觸處發(fā)熱量越大，相應(yīng)接觸電阻也會增加。文獻(xiàn)4對弓網(wǎng)系統(tǒng)的載流摩擦特性進(jìn)行了深入研究[4]，將滑動磨損分為機(jī)械、電氣及二者共同作用三部分，載流磨損公式如下：

WT=WE+WM+WEamp;M （1）

式中，WT——總磨損量；WE——純電氣磨損量；WM——純機(jī)械磨損量；WEamp;M ——二者共同作用的磨損量。該文通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，弓網(wǎng)系統(tǒng)在有無載流情況下的摩擦特性存在差異，在無載流時，磨損量隨著載荷增加而增加；當(dāng)有載流時，磨損量隨著載荷增大呈現(xiàn)先減小后增加的特性。同時，通過改變滑動速度觀察磨損量發(fā)現(xiàn)，無論是否載流，弓網(wǎng)系統(tǒng)磨損量都會隨著滑動速度增加而增加。

文獻(xiàn)5研究了70 km/h、110 km/h、150 km/h、190 km/h四種不同滑動速度下的弓網(wǎng)系統(tǒng)滑板磨損率[5]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，滑板的磨損率與滑動速度成正相關(guān)趨勢，這是因?yàn)楫?dāng)列車運(yùn)行速度增大時，摩擦運(yùn)動劇烈，磨損率增加，磨損率與滑動速度的關(guān)系如圖4所示，此時不但會對弓網(wǎng)系統(tǒng)的連接穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，同時摩擦產(chǎn)生的熱量也會導(dǎo)致接觸電阻增大。

2.3 牽引電流的影響

牽引電流為列車提供動力，在列車運(yùn)行中由于摩擦及振動而產(chǎn)生損耗。同時，增大牽引電流，接觸表面的溫度則因焦耳定律而升高，接觸材料硬度變低起到潤滑作用，接觸電阻減小。文獻(xiàn)6研究了波動載荷下的不同牽引電流對弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸電阻的影響[6]，通過在滑動速度為120 km/h、波動頻率為2 Hz的條件下分別對牽引電流為100 A、150 A、200 A、250 A的弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸電阻變化規(guī)律進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著牽引電流增大，接觸電阻迅速下降，接觸處溫度升高，如圖5所示：

分析其原因可能是較大的牽引電流導(dǎo)致的接觸表面溫度過高，接觸處材料在高溫作用下被軟化，同時由于弓網(wǎng)系統(tǒng)的動態(tài)滑動特性，接觸表面在剪切應(yīng)力作用下變得更為平滑，增加了弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸面積，有利于電流傳導(dǎo)，從而減小了接觸電阻，這種效應(yīng)稱之為“潤滑”作用。文獻(xiàn)7為驗(yàn)證牽引電流對磨損分布的影響，對實(shí)際運(yùn)行的地鐵運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析[7]，分析發(fā)現(xiàn)，接觸線的損耗大部分為電氣損耗且其分布受牽引電流平均值及幅值的影響。該文選取11號線上行與下行時的磨損率與滑動速度關(guān)系圖發(fā)現(xiàn)，損耗與運(yùn)行速度成正相關(guān)，即當(dāng)牽引電流增大時，列車運(yùn)行損耗增大。通過對不同牽引電流下的損耗分析還發(fā)現(xiàn)，牽引電流均值大于1 400 A時，損耗出現(xiàn)的概率增高，而牽引電流低于1 200 A時，損耗概率將降低。

3 結(jié)論

弓網(wǎng)系統(tǒng)為列車運(yùn)行提供動力，接觸網(wǎng)與受電弓之間的連接狀態(tài)將直接影響列車的運(yùn)行穩(wěn)定性，而在弓網(wǎng)系統(tǒng)中，接觸電阻是衡量弓網(wǎng)系統(tǒng)安全可靠的關(guān)鍵指標(biāo)，對接觸電阻的研究不僅可以在一定程度上解決由于環(huán)境、氣候、地理等因素造成的鐵路行業(yè)發(fā)展受限等問題，還對接觸網(wǎng)與受電弓之間的參數(shù)改進(jìn)具有指導(dǎo)意義。該文從接觸壓力、滑動速度及牽引電流三個影響方面對弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸電阻變化規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，得到結(jié)論如下：

（1）接觸壓力增大使得弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸面積增大，接觸電阻減小，同時提升了列車運(yùn)行穩(wěn)定性。

（2）滑動速度增大破壞了接觸表面的膜層，增大了接觸電阻。

（3）牽引電流增大所產(chǎn)生的“潤滑”作用增加了弓網(wǎng)系統(tǒng)的接觸面積，減小了接觸電阻。

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