Experimental Study on Wear Performance of Rigid Catenary-Pantograph System with Direct Current
-
摘要:
为了认识刚性接触网系统接触线和受电弓滑板异常摩耗的机理、提高刚性接触网系统摩擦元件的使用寿命，根据地铁刚性接触网系统的工作条件，使用环-块式载流摩擦磨损试验机，对刚性接触网系统的载流摩擦磨损性能进行了试验研究. 试验电流为0、400 A （DC），滑动速度为60 km/h，接触法向力为30 N，滑动距离为900 km. 在试验过程中测量了弓网之间的滑动摩擦因数、滑板磨损量、滑板温度、电弧电流和电压等参数，计算了滑板的磨损率和电弧能量. 试验结果表明：试验得到的滑板磨损率与实际地铁线路刚性接触网滑板的磨损率接近；直流电流对滑板的磨耗和温度有严重的影响，有电流时（400 A）滑板磨损率和温度分别是无电流时滑板磨损率和温度的53.0倍和7.4倍；引起滑板严重磨耗的原因主要是电弧烧蚀和黏着磨损.
Abstract:In order to understand the abnormal wear mechanism of the contact wire and the pantograph strip in the rigid catenary system, and to improve the service life of its friction elements, tests were carried out on the current-carrying friction and wear performance of the rigid catenary system with a block-on-ring current-carrying friction and wear tester. The test parameters were set as: the test current of 0, 400 A (DC), sliding speed of 60 km/h, the contact normal force of 30 N, and sliding distance of 900 km. During the tests, the sliding friction coefficient between the pantograph strip and catenary wire, the wear volume and the temperature of the pantograph strip, arc current and voltage were measured, and the wear rate of the pantograph strip and arc energy were calculated. The test results show that the tested wear rate of the pantograph strip is close to the one for actual subway lines. The DC current has a serious impact on the wear and temperature of the pantograph strip. The wear rate and temperature of the pantograph strip with DC 400 A are about 53.0 times and 7.4 times higher than those without electric current, respectively. The serious wear of the pantograph strip is mainly caused by arc ablation and adhesive wear.
-
Key words:
- wear /
- electric contact /
- rigid catenary /
- contact wire /
- pantograph strip
-
到2019年底，我国地铁和轻轨线路总里程已经达到6600 km. 刚性接触网系统因隧道空间占用小，接触线不需要预紧力，施工和维修费用低等一系列优点，在地铁线路上得到了大量的应用. 我国川藏铁路因为桥梁和隧道长度占总线路长度的70%～80%，从节约建造成本的角度，也有可能采用刚性接触网的供电制式. 我国地铁刚性接触网近20 a的使用经验也发现，这种制式的接触网系统存在受电弓滑板和接触线材料严重磨损的问题[1-2]. 地铁浸金属碳滑板材料的正常使用寿命为2.5万～3.0万公里，严重时磨耗达到16～20 mm/万公里；铜银合金接触线的使用寿命最短约为3.5～5.0 a[3-4]. 浸金属碳材料是目前地铁、普速铁路和高速铁路使用的耐磨性能最好的一种滑板材料，造价也是最高的一种. 滑板和接触线材料的异常磨耗，也意味着列车取流质量的下降，既增加地铁列车的运营成本，也容易损坏列车的电器元件. 因此，开展刚性接触网系统载流摩擦磨损性能研究有着积极的意义.
迄今为止，对刚性接触网系统材料磨损问题的研究还比较少见，Wei等[5]研究了刚性接触网系统的接触线和受电弓滑板磨耗的理论预测方法，Simarro等[6]研究了刚性接触网系统弓网动力学模型的验证方法. 大量的工作主要围绕高速铁路柔性接触网系统的摩擦磨损问题进行研究[7-14]. 比较一致的观点认为，高速铁路弓网载流摩擦磨损主要由机械磨损和电气磨损组成，其中电气磨损如热磨损和电弧烧蚀磨损占较大的比重，控制了电弧烧蚀磨损就可以成倍地提高滑板材料的耐磨性[15-22].
本文对地铁刚性接触网-受电弓滑动摩擦系统在直流电流通过条件下的摩擦磨损性能进行了试验研究，探讨了刚性接触网-受电弓滑动摩擦副载流条件下发生严重磨损的机理.
1. 试验简介
1.1 试验设备
本试验在环-块式载流摩擦磨损试验机（见图1）上进行，它主要由变频电机、直径为1100 mm的转动盘、滑板座、机座等零部件组成. 接触线固定在转动盘的外圆柱面上，滑板固定在滑板座上. 变频电机驱动转动盘转动，带动接触线相对于滑板作水平方向的相对滑动，模拟弓网之间沿线路纵向的相对滑动. 此外，滑板相对于接触线还作垂直方向的往复运动，模拟弓网沿线路横向的拉出值相对运动.
1.2 试验材料
试验用的接触线样品取自地铁刚性接触网系统在用的铜银合金接触线，其横截面尺寸与地铁线路在用的接触线横截面尺寸一致. 滑板材料样品取自地铁刚性接触网受电弓在用的浸金属碳滑板材料，其横截面尺寸与地铁在用的滑板材料的横截面尺寸一致，长度为120 mm. 本次试验用的接触线和滑板材料的化学成分和物理性能见表1和表2所示.
表 1 接触线的化学成份和物理性能Table 1. Physical parameters and chemical compositions of contact wire成份 质量分数/% 铜 > 99.70 银 0.10 氧 < 0.03 杂质 < 0.03 密度/ （g•cm−3） 8.96 硬度/HB 90 表 2 滑板材料的化学成份和物理性能Table 2. Chemical compositions and physical parameters of strip成份 质量分数/% 铜 24.49 碳 71.62 杂质 3.89 密度/（g•cm−3） 2.30 硬度/HS 100 1.3 试验参数
刚性接触网系统的地铁列车一般由6辆车辆组成，在列车的一前一后各使用一个受电弓取流，每个受电弓并排使用4根滑板. 每个受电弓通过电流约为DC 0～1400 A，总法向力120 N. 因此，本次试验参数选取如下：滑动速度V = 60 km/h，滑板的通过电流I = 0，400 A，每根滑板与接触线之间的法向力Fn = 30 N，试验的滑动距离d = 900 km.
1.4 试验测量方法
使用精度为0.1 mg的电子天平测量滑板的重量，滑板的磨损量定义为试验前、后滑板的质量损失除以滑板材料的密度. 由于接触线的磨耗比较小，而且接触线是固定在试验机转动盘外圆柱面上，拆装困难，不容易准确测量接触线的磨耗，因此本试验暂不考虑接触线的磨耗. 使用热成像仪测量滑板的温度，使用霍尔电流传感器和电压传感器分别测量电弧电压和电流，电弧电压和电流信号使用数据采集系统并行采集. 本研究曾经试验过用1000、5000、10000 Hz 3种不同的采样频率采集电弧电压和电流的数据，由于采集结果差别不大，为方便数据处理，本研究的采样频率取为1000 Hz. 定义电弧能量为
E=∫UIdt/d, (1) 式中：U为滑板和接触线之间的电压，V；t为试验时间，s.
由于U和I都是离散数据，所以电弧能量用辛普森积分法来计算. 图2是使用热成像仪测量的滑板-接触线摩擦副的温度，可看见滑板温度最高为312.0 ℃. 热成像仪测量温度的数据更新频率为60 Hz.
2. 试验结果及分析
2.1 摩擦系数随滑动距离的变化
图3显示了滑板-接触线摩擦副滑动摩擦时摩擦因数随滑动距离的变化，可以看出：滑动开始时，摩擦因数的数值略大，随着滑动距离的增加，摩擦因数略有减小；无电流时的摩擦因数比有电流时的摩擦因数略大，例如，当d = 150 km，I = 0时，摩擦因数μ = 0.25，而当d = 150 km，I = 400 A时，μ = 0.22. 这是因为有电流时，滑板-接触线摩擦副经常发生电弧放电现象，滑板材料的温度比较高，滑板出现材料软化，滑板材料的主要成份是碳，容易粘附到接触线表面，在接触线摩擦表面形成氧化膜，因而减小了摩擦因数[19].
2.2 滑板磨损率随滑动距离的变化
图4显示了滑板磨损率随滑动距离的变化关系，可以看出：有电流时滑板的磨损率w随着滑动距离的增大略有减小，当d = 150 km，I = 400 A时，w = 5.100 mm3/km，而当d = 750 km，I = 400 A时，w = 4.500 mm3/km；有电流时滑板的磨损率比无电流时大得多，如d = 150 km，I = 0时，w = 0.096 mm3/km，有电流时滑板的磨损率是无电流时滑板的磨损率的53倍，可见直流电流对滑板的磨损率有重要的影响.
磨损率定义如式（2）所示.
w=V/d, (2) 式中：V为滑板磨损量，mm3.
根据式（2）和图4的试验结果，可以估计宽度为 35 mm、试验机设定的接触线拉出值为 55 mm 的滑板，使用 d=10 000 km 时的磨耗深度为 12.47 mm. 如果换算成刚性接触网拉出值200 mm，则滑板使用d=10 000 km时的磨耗深度为3.43 mm，该数据与刚性接触网现场磨耗数据4.20～4.90 mm[4]接近.
2.3 滑板温度随滑动距离的变化
图5显示了滑板的温度随滑动距离的变化，可以看出：自滑动距离d = 150 km开始，有电流时滑板的温度较高，最高达312.0 ℃，并在306.0 ℃左右小幅波动；当无电流时，滑板的温度随滑动距离的变化微小，保持在41.3 ℃左右. 可见，直流电流对滑板温度的影响很大. 温度越高，滑板材料就越容易软化，容易黏着转移到接触线表面，造成滑板材料磨损加剧；同时，滑板温度越高，滑板材料中低燃点的成分就容易燃烧，燃烧后的滑板材料变得松散，与接触线摩擦时极易脱落造成滑板材料磨损的加剧.
2.4 电弧能量随滑动距离的变化
图6显示了弓网电滑动过程中电弧能量随滑动距离的变化（I = 400 A），可以看出：随着滑动距离的增大，电弧能量逐渐趋于平稳. 滑动刚开始的时候，由于滑板与接触线之间处于初始跑合状态，接触状态不是很稳定，离线比较多，此时弓网电弧放电比较强烈，所以电弧能量比较大；随着滑动距离的增加，滑板与接触线之间的接触状态变好，离线相对较少，所以弓网电弧放电比较少，电弧能量相应也比较少. 弓网电弧一方面引起接触副材料温度的升高，另一方面电弧烧蚀引起滑板和接触线材料的异常损耗，就像电弧焊接原理一样，当电弧能量达到一定数值的时候，电弧热就能够把焊接材料融化，由于摩擦副存在相对滑动，融化的材料就会沿着相对滑动速度方向飞溅出来. 电弧烧蚀是引起滑板材料磨损的最重要因素，滑板的磨耗与电弧能量成正比关系[14,21]. 因此，在实际的弓网系统中，应尽量减少弓网电弧放电问题.
2.5 磨痕形貌分析
图7显示了滑板和接触线的磨痕形貌，可以看出：滑板磨痕表面存在明显的由于电弧烧蚀留下的麻坑，接触线摩擦表面覆盖了一层黑色的氧化膜，该氧化膜是电弧烧蚀的高温和滑板材料转移到接触线表面共同作用而形成，一般认为该氧化膜可以减小滑板和接触线之间的滑动摩擦因数[19].
图8（a）和图8（b）分别显示了滑板磨痕的SEM （scanning electronic microscope）照片和EDS （energy dispersive spectrum）分析. 从图8（a）可以看出：滑板磨痕表面存在明显的龟裂裂纹，在摩擦力和法向力的作用下，这些龟裂裂纹易引起滑板材料的脱层磨损，加速材料的磨耗. 从图8（b）可以看出：滑板磨痕的氧元素含量比较高，这是发生了电弧烧蚀的缘故.
3. 结 论
1） 在直流电流通过条件下，浸金属碳滑板和铜银合金接触线的滑动摩擦系数约为0.22，无电流时的滑动摩擦系数比有电流的摩擦系数略大.
2） 直流电流对浸金属碳滑板的磨损量有显著影响，在直流电流400 A时滑板的磨损率达到4.5～5.1 mm3/km，约为无电流时滑板磨损率的53.0倍.
3） 直流电流对浸金属碳滑板的温度有显著影响，在直流电流400 A时滑板的温度最高为312.0 ℃，约为无电流时滑板温度的7.4倍.
4） 浸金属碳滑板的磨损机制主要是电弧烧蚀和黏着磨损，接触线覆盖了一层黑色的氧化膜.
致谢：本项目得到牵引动力国家重点实验室自主研究课题项目资助（2020 TPL-T08）.
-
表 1 接触线的化学成份和物理性能
Table 1. Physical parameters and chemical compositions of contact wire
成份 质量分数/% 铜 > 99.70 银 0.10 氧 < 0.03 杂质 < 0.03 密度/ （g•cm−3） 8.96 硬度/HB 90 
下载: 导出CSV
表 2 滑板材料的化学成份和物理性能
Table 2. Chemical compositions and physical parameters of strip
成份 质量分数/% 铜 24.49 碳 71.62 杂质 3.89 密度/（g•cm−3） 2.30 硬度/HS 100
下载: 导出CSV
-
[1] 王剑. 地铁刚性接触悬挂弓网磨耗问题研究[J]. 都市快轨交通,2012,25(4): 59-62. doi: 10.3969/j.issn.1672-6073.2012.04.015WANG Jian. Discussion on pantograph-catenary abrasion of metro rigid overhead catenary system[J]. Urban Rapid Rail Transit, 2012, 25(4): 59-62. doi: 10.3969/j.issn.1672-6073.2012.04.015 [2] 陈显志,陈建君,杨波. 减小架空刚性悬挂接触网弓网磨耗的措施[J]. 现代城市轨道交通,2013,10(1): 21-24. doi: 10.3969/j.issn.1672-7533.2013.01.006CHEN Xianzhi, CHEN Jianjun, YANG Bo. Measures on reducing wear of pantograph and contact wire of overhead rigid suspension catenary[J]. Modern Urban Transit, 2013, 10(1): 21-24. doi: 10.3969/j.issn.1672-7533.2013.01.006 [3] 周成尧,刘畅. 北京地铁6号线受电弓滑板异常磨耗研究[J]. 铁道机车车辆,2019,39(增刊1): 51-54.ZHOU Chengyao, LIU Chang. Research for abnormal wear of pantograph in Beijing subway line 6[J]. Railway Locomotive & Car, 2019, 39(S1): 51-54. [4] 蒋灵君. 刚性接触网线路车辆碳滑板异常磨耗分析[J]. 现代城市轨道交通,2011,8(3): 43-45. doi: 10.3969/j.issn.1672-7533.2011.03.014JIANG Lingjun. Analysis of abnormal wear of carbon strips of a rigid catenary-pantograph system[J]. Modern Urban Transit, 2011, 8(3): 43-45. doi: 10.3969/j.issn.1672-7533.2011.03.014 [5] WEI X K, MENG H F, HE J H, et al. Wear analysis and prediction of rigid catenary wire and pantograph strip for railway system[J]. Wear, 2020, 442/443: 203118.1-205118.15. doi: 10.1016/j.wear.2019.203118 [6] SIMARRO M, POSTIGO S, CABRERA J A, et al. A procedure for validating rigid catenary models using evolutionary techniques[J]. Computers and Structures, 2020, 228: 106145.1-106145.10. doi: 10.1016/j.compstruc.2019.106145 [7] 胡艳,董丙杰,黄海,等. 碳滑板电滑动温升及其对滑板磨损影响的试验研究[J]. 摩擦学学报,2015,35(6): 677-683.HU Yan, DONG Bingjie, HUANG Hai, et al. Experimental study on the temperature rise of a carbon strip and its influence on the wear performances of the carbon strip[J]. Tribology, 2015, 35(6): 677-683. [8] ZHANG Y Y, ZHANG Y Z, DU S M, et al. Tribological properties of pure carbon strip affected by dynamic contact force during current-carrying sliding[J]. Tribology International, 2018, 123: 256-265. doi: 10.1016/j.triboint.2017.12.032 [9] MEI G M, FU W M, CHEN G X, et al. Effect of high-density current on the wear of carbon sliders against Cu-Ag wires[J]. Wear, 2020, 452/453: 203275.1-203275.7. doi: 10.1016/j.wear.2020.203275 [10] HU Y, CHEN G X, ZHANG S D, et al. Comparative investigation into the friction and wear behaviours of a Cu-Ag contact wire/carbon strip and a pure copper contact wire/carbon strip at high speeds[J]. Wear, 2017, 376/377: 1552-1557. [11] 杨红娟,胡艳,陈光雄. 受电弓滑板载流磨损机理演变过程试验研究[J]. 西南交通大学学报,2015,50(1): 77-83. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2015.01.012YANG Hongjuan, HU Yan, CHEN Guangxiong. Experimental study on evolution of wear mechanism of contact strip with electric current[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2015, 50(1): 77-83. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2015.01.012 [12] 吴晓光,张红波,尹健,等. PF/CNTs-Cu复合材料的制备及其载流摩擦磨损机理研究[J]. 摩擦学学报,2018,38(3): 334-341.WU Xiaoguang, ZHANG Hongbo, YIN Jian, et al. Preparation and current carrying wear properties of PF/CNTs-Cu composites[J]. Tribology, 2018, 38(3): 334-341. [13] 丁涛,何宏高,陈光雄,等. 弹性条件下浸金属碳/不锈钢载流摩擦磨损性能[J]. 西南交通大学学报,2009,44(4): 558-563. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2009.04.015DING Tao, HE Honggao, CHEN Guangxiong, et al. Frictionand wear behavior of copper-impregnated metalized carbon strip sliding against stainless steelwith electrical currentunder elastic condition[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2009, 44(4): 558-563. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2009.04.015 [14] CHEN G X, YANG H J, ZHANG W H, et al. Experimental study on arc ablation occurring in a contact strip rubbing against a contact wire with electrical current[J]. Tribology International, 2013, 61: 88-94. doi: 10.1016/j.triboint.2012.11.020 [15] BUCCA G, COLLINA A. A procedure for the wear prediction of collector strip and catenary wire in pantograph-catenary system[J]. Wear, 2009, 266: 46-59. doi: 10.1016/j.wear.2008.05.006 [16] BUCCA G, COLLINA A, MANIGRASSO R, et al. Analysis of electrical interferences related to the current collection quality in pantograph-catenary interaction[J]. Journal of Railand Rapid Transit, 2011, 225: 483-499. doi: 10.1177/0954409710396786 [17] YANG H J, CHEN G X, ZHANG S D, et al. Effect of the vibration on friction and wear behavior between the carbon strip and copper catenary wire pair[J]. Journal of Engineering Tribology, 2012, 226: 722-728. [18] WANG Y A, LI J X, YAN Y, et al. Effect of PV factor on sliding friction and wear of copper-impregnated metallized carbon[J]. Wear, 2012, 289: 119-123. doi: 10.1016/j.wear.2012.04.006 [19] DING T, CHEN G X, BU J, et al. Effect of temperature and arc discharge on friction and wear behaviors of carbon strips/copper catenary wire in pantograph-catenary systems[J]. Wear, 2011, 271: 1629-1636. doi: 10.1016/j.wear.2010.12.031 [20] SHANGGUAN B, ZHANG Y Z, XING J D, et al. Comparative study on wear behaviors of metal-impregnated carbon material and C/C composite under electrical sliding[J]. Tribology Transactions, 2010, 53: 933-938. doi: 10.1080/10402004.2010.510622 [21] KUBO S, KATO K. Effect of arc discharge on wear rate of Cu-impregnated carbon strip in unlubricated sliding against Cu trolley under electric current[J]. Wear, 1998, 216: 172-178. doi: 10.1016/S0043-1648(97)00184-1 [22] KUBO S, KATO K. Effect of arc discharge on the wear rate and wear mode transition of a copper-impregnated metallized carbon strip sliding against a copper disk[J]. Tribology International, 1999, 32: 367-378. 期刊类型引用(13)
1. 何泉鑫，曾子毅，陈光雄，任文娟，赵鹏鹏，董丙杰. 不同表面形貌的接触线对浸金属碳滑板载流摩擦磨损性能的影响. 润滑与密封. 2024(02): 59-66 . 
百度学术2. 刘崧楠，华浩，陈光雄，张峻才，常勇，唐宇. 浸石蜡对碳滑板载流摩擦磨损性能影响研究. 现代城市轨道交通. 2024(02): 124-131 . 百度学术3. 占栋，高仕斌，于龙. 刚性接触网磨耗动态检测系统视觉标定方法研究. 仪器仪表学报. 2024(07): 99-109 . 百度学术4. 刘达毅，范杰，董丙杰，李先航，陈光雄. 刚性接触网中浸金属碳滑板在不同法向载荷下的载流摩擦磨损性能. 润滑与密封. 2023(02): 89-94 . 百度学术5. 陈敏坚，潘高. 受电弓碳滑板异常磨耗分析及应对措施. 电力机车与城轨车辆. 2023(04): 112-116 . 百度学术6. 邹栋，钟舜聪，耿妍，程尧，莫志刚，徐可佳，宋兵，程斌，张士宇，王志城，华路捷，张亚楠. 城轨交通弓网系统异常磨损现状分析与防治技术研究. 机械工程学报. 2023(10): 152-178 . 百度学术7. 岳彪，王阳萍，党建武，闵永智，王文润，雍玖. 虚实结合的高速铁路受电弓-接触网仿真交互实验系统设计. 实验技术与管理. 2023(07): 126-133+188 . 百度学术8. 杨虎，耿星洁. 地铁列车牵引电流对接触网磨耗影响分析. 现代城市轨道交通. 2023(S1): 59-67 . 百度学术9. 范杰，刘达毅，董丙杰，陈光雄. 地铁刚性弓网系统接触线磨损特性试验研究. 润滑与密封. 2022(06): 45-51 . 百度学术10. 张继华，薛磊，王智勇. 表面粗糙度对滑动电接触磨损率的影响. 润滑与密封. 2022(07): 77-82 . 百度学术11. 祁文延，王江文，张士宇，黄仲，卢静，梅桂明. 城市轨道交通受电弓参数敏度分析及优化设计. 噪声与振动控制. 2022(04): 190-195+250 . 百度学术12. 黄勉，杨冰，肖守讷，魏文波，范新光，龚海勇. 地铁受电弓碳滑板表面载流磨损微观研究. 机车电传动. 2022(04): 133-139 . 百度学术13. 郗汭，李波，赵志远，袁骞. 基于北京大兴机场线刚性接触网线路的受电弓适应性研究. 大连交通大学学报. 2022(06): 45-49+64 . 百度学术其他类型引用(12)
-
下载:
下载:
百度学术
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 483
- HTML全文浏览量: 426
- PDF下载量: 39
- 被引次数: 25