Friction and Wear Performance of Pantograph-Catenary System in Electrified Railways: State of the Art
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摘要:
针对电气化铁路弓网正常和异常状态的接触副，分析受电弓滑板磨耗周期内的摩擦磨损性能差异性，特别是受电弓滑板的磨耗率和磨耗型面的差异性，包括：发生异常磨损时受电弓滑板磨损率数倍甚至数十倍的增长差异，以及局部偏磨、波浪型磨耗和贯穿性凹坑等磨耗型面差异；着重归纳不同弓网系统载流摩擦磨损试验台的特点及异同，总结磨耗检测接触式测量方法与非接触式测量方法的优劣；分析弓网系统结构及参数、列车运行参数、弓网系统载流参数及外界环境等因素的影响，归纳总结弓网载流摩擦磨损特性的演变规律. 在此基础上，综合分析弓网系统磨耗机理分析模型和数据拟合模型的研究现状和进展，并给出弓网系统载流摩擦磨损性能在后续研究中所需重点关注的研究方向和发展趋势，包括：弓网摩擦副的真实服役工况在实验室条件下的等效模拟；弓网磨耗性能的在线高精度检测；复杂气候条件及多物理场耦合作用下弓网磨耗性能的仿真和优化；结合大数据和智能算法的弓网磨耗预测，以及智能运维策略和全生命周期的能力保持技术等.
Abstract:For pantograph-catenary contact pairs in electrified railways operating in normal and abnormal states, the friction and wear performance of pantograph strip differentiates in a wear cycle, highlighted by differences in wear rate and wear profile. When abnormal wear occurs, the wear rate of pantograph strip will have a multifold increase or even dozens of times increase, but the wear profile acts differently, revealing partial eccentric wear, wavy wear, and penetrating wear. The similarities and differences in current-carrying friction and wear platforms are summarized for pantograph-catenary systems, as well as the advantages and disadvantages of contact and non-contact detection methods. The influential factors and evolution law are analyzed in view of the structure and parameters, train operation parameters, current-carrying parameters and external environment of pantograph-catenary system. Following above work, the state of the art of pantograph-catenary wear models, including mechanism analysis model and data fitting model, are analyzed extensively, and the prospective direction and development trend are put forward, such as, the equivalent simulation of a pantograph-catenary friction pair in real service under laboratory conditions, online high-precision detection of pantograph-catenary wear performance, simulation and optimization of pantograph-catenary wear performance in complex climatic conditions and multi-physical field coupling, pantograph-catenary wear prediction using big data and intelligent algorithms, intelligent operation and maintenance strategies, and capability maintenance in the whole life cycle.
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弓网耦合系统的振动会影响受流质量，也会造成接触网和受电弓滑板的磨损[1]. 随着高速列车运营速度的提升，动态部件对弓网受流质量的影响越来越大，部件磨耗问题日趋加重[2]. 由于接触线和滑板硬度、接触副廓形及接触面时空占比等因素的差异，使得受电弓滑板更易磨损. 正常的滑板磨耗是必然的，但异常磨耗是应当避免的. 滑板异常磨耗大致可分为2类：磨耗型面异常和磨耗过快. 正常的磨耗型面是指接触线在滑板的相对滑动范围内呈现均匀的磨耗表面，而异常的磨耗型面则出现波浪形、凹坑或偏磨等表面状态. 目前，高铁和城轨的受电弓滑板正常磨耗周期分别为2个月和1年左右，折算成公里数为105 km左右，较好的磨耗率可以控制在1～2 mm/万公里. 若磨耗异常，磨耗率可以是正常值的几倍甚至几十倍，可能几天便磨耗到限，将直接导致更换频率快，维护成本急剧升高. 此外，异常磨耗又会恶化弓网受流质量，导致燃弧率增加，接触线波动异常，造成更严重的磨耗，甚至会使得受电弓的使用寿命大大缩短[3].
本文主要总结弓网载流摩擦磨损试验及检测方法、弓网载流摩擦磨损影响因素及演变规律和弓网系统磨耗预测模型3个方面，分析弓网系统摩擦磨损性能现有研究不足之处，展望弓网系统摩擦磨损性能未来研究方向.
1. 弓网载流摩擦磨损试验及检测方法
1.1 弓网载流摩擦磨损地面试验装置
地面试验装置是弓网系统摩擦磨损研究的主要手段，主要分为环-块[4-5]、销-盘[6-7]和线-滑块[8-9] 3大类. 前2种试验装置可以模拟较高的相对滑动速度；线-滑块试验装置可以模拟接触线的弹性悬挂，但由于是往复滑动试验，试验速度较低[10].
目前，销-盘式弓网载流摩擦磨损试验台应用较多，如西南交通大学的弓网载流摩擦磨损试验台、北京交通大学的高速弓网摩擦磨损试验台和辽宁工程技术大学的高性能滑动电接触实验机[10-12]，具体如图1所示. 各试验台的工作原理基本类似，接触线安装在高速转动的圆盘上，借助圆盘的转动模拟受电弓的纵向运动（列车前进方向），并通过滑板的横向运动，等效滑板沿接触线的之字形相对滑动. 这些装置一般都有专门为摩擦副提供电流的电路，以及可测量摩擦因数、磨耗率和接触电阻等参数的测试系统[10]. 这些实验台设计速度高，最高可达500 km/h，但出于安全的考虑，实际试验速度都控制在350 km/h以下，由于受试验台负载条件和绝缘性能的限制，这些试验台不能提供与实际线路一致的电源条件，通过电流一般不超过500 A，与实际线路的运行条件仍有一定的差异.
图 1 销-盘式弓网载流摩擦磨损试验台Figure 1. Pin-disc pantograph-catenary current-carrying friction and wear test bench在此基础上，中国铁道科学研究院设计了高速弓网关系试验台，如图2（a）所示，可模拟不同型号受电弓载流摩擦磨损性能，并可用于弓网载流及高速滑动接触环境下弓网电弧和摩擦磨损机理等研究，试验台试验速度参数为0～500 km/h，从0加速至500 km/h时间为50 s；圆盘及受电弓垂直振动参数可调；试验电流测试范围为0～
1000 A[13]，可较好地模拟线路情况. 西南交通大学牵引动力国家重点实验室设计了八边形弓网试验台，如图2（b）所示. 主要部件有：安装在八根立柱上的八边形接触网导线，及机械、电源、负载和检测系统；端部安装有碳滑块的水平转臂[14]. 八边形接触网张力可调，接触线与碳滑块接触力或间隙可控、可调. 电源可调至27.5 kV，引自实际线路牵引电网，也可使用独立的发电机，设计速度500 km/h. 此外，米兰理工大学所搭设试验台在传统试验台基础上增设了模拟不同运行速度下的空气流速装置，以更加近似地模拟真实运行条件时弓网运行情况[15]，如图3所示.
图 2 高速弓网载流摩擦磨损试验台Figure 2. High-speed current-carrying pantograph-catenary test bench for friction and wear1.2 受电弓滑板磨耗量检测方法
受电弓滑板的磨耗检测主要分为接触式检测和非接触式检测. 接触式检测是列车进库断电后，由检测作业人员登顶，通过观测滑板最小厚度位置，然后再通过千分尺等检测设备进行滑板剩余厚度的检测，以反映磨耗性能. 检测的信息包括：车号、滑板编号、列车运行里程、测量点位置、对应的剩余高度（双滑板及四滑板应包括每条滑板的信息）、统计的磨耗比数据等. 该检测方法操作简单便捷，目前应用较广，但由于需要断电、登顶，流程较为繁琐. 同时，通过观测选取最低点，将导致最小剩余厚度存在人为误差. 另外，人工千分尺检测只能得到离散点的厚度数据，如图4所示. 此方法所得厚度数据仍需人工进行数据拟合（如二次函数拟合[3]）才可得到较为精确的滑板形貌.
目前，便携式的滑板形貌扫描设备已被研发，可以弥补采集数据点离散这一缺陷. 该设备自身携带姿态补偿装置，不用定义参考位置，便可直接得到滑板的三维形貌，进而提取滑板型面的结构尺寸. 此外，也可通过在库内或站场轨旁安装非接触式的视觉或激光检测设备，当列车通过时，自动抓取受电弓滑板的形貌特征，然后通过图像识别及三维重构技术，进行型面扫描，辨识滑板的最小剩余厚度，从而得到其磨耗特性，如图5（a）所示. 在连续获取受电弓滑板的三维数据并根据当前车速进行数据融合后，以1 mm左右的间隔建立相应的滑板外形轮廓三维图，如图5（b）所示. 该方法自动化程度高，简单方便，但由于受硬件设备和软件算法精度的影响，要求列车以较低的速度通过，且精度稍差. 由此，国内外众多学者采用机器视觉算法检测受电弓滑板的磨耗型面及磨耗量，具有相对较高的测量精度和良好的鲁棒性[16-18]，其精度大多在0.5 mm左右，较高的可以达到0.2～0.3 mm.自动检测的一般流程如图6所示：当列车低速（≤ 20 km/h）经过磨耗自动检测系统时，检测系统启动检测装置和车速计算模块；随后检测系统中的射频识别（RFID）读取模块，读取列车、受电弓及碳滑板的编号，并建立相应的检测目录，用于保存相关的检测数据；随后建立相应的滑板外形轮廓三维图；最后将相应的检测信息保存进一弓一档数据库.
除此之外，研究机构还研制了车载的非接触式受电弓滑板检测装置，仍采用图像识别和三维重构技术的检测原理，提取滑板的型面轮廓，从而实时跟踪检测受电弓滑板的磨耗状态. 由于滑板的磨耗是个累积过程，所以实时跟踪其磨耗特性的必要性稍差. 但该装置及其获取的实时数据对于出现磨耗异常的受电弓滑板，结合弓网的接触压力、振动状态、燃弧数据，对分析滑板异常磨耗的原因和来源十分有益.
综上所述，针对弓网系统摩擦磨损性能的研究，目前主要是采用试验台进行弓网载流摩擦磨损试验. 其中，应用较为广泛的试验台是：销-盘和线-滑块式试验台，基于现有试验台，可较好地模拟线路运行时弓网系统载流摩擦磨损性能，能够分析出一些关键参数对摩擦磨损性能的影响，如运行速度、电流电压、静态抬升力和配副材料等. 当前的磨耗检测装置主要分为接触式与非接触式2类，目前应用较广的是接触式方法，操作简单便捷，但采集数据点较为离散，且可能存在人为误差；非接触式方法自动化程度高，简单方便，可较好地获得滑板形貌数据.
2. 弓网载流摩擦磨损影响因素及演变规律
弓网系统载流摩擦磨损影响因素众多，磨损机制较为复杂，主要作用机制为磨粒磨损、黏着磨损及电弧烧蚀，图7所示为线路运行后的滑板微观形貌. 导致磨损的主要影响因素为弓网系统结构及参数、列车运行参数、弓网系统载流参数及外界环境因素等. 图8给出了受电弓滑板摩擦磨损性能的主要因素及相互影响的关系：弓网系统的磨耗主要来源于机械磨损与电气磨损，接触压力决定着机械磨损与电气磨损间的占比，磨损率随着接触压力的增加而增加，且与摩擦因数存在较大的相关性，同时温度及电流对机械磨损也有一定影响；当接触压力过小时会导致弓网受流质量变差，此时电气磨损占比较大. 电气磨损主要源于弓网燃弧，以及由接触副温升所导致的材料性能的改变，而燃弧强度的变化及接触副的温升又与弓网系统的网压、网流密切相关. 由此，多种影响因素相互作用，构成了弓网系统复杂的磨损状况. 综合当前研究成果可见，影响弓网系统摩擦磨损性能的主要因素为电流、接触压力及列车运行速度等.
图 8 弓网系统摩擦磨损性能的影响因素Figure 8. Influence factors of friction and wear performance in pantograph-catenary system2.1 弓网结构及参数
2.1.1 弓网配副材料
弓网配副材料不仅影响滑板的机械磨损，还对电气磨损有较大的影响. 一方面，材料的硬度和导热系数等对机械磨损的摩擦因素有较大的影响，使得机械磨损存在较大差异；另一方面，材料的导热系数、电阻率以及接触型面，通过电接触和热传递过程，影响弓网的接触温升和受流质量，进而对受电弓滑板的磨耗性能产生影响. 目前，受电弓滑板材料主要有纯金属、粉末冶金、纯碳、浸金属和复合材料等，其中，纯碳、浸金属和粉末冶金滑板较为普遍[19]，常见的几种滑板材料及其优劣见表1[20-21].
表 1 滑板材料分类及优劣Table 1. Classification, advantages and disadvantages of strip materials滑板种类 优点 缺点 纯金属滑板 机械强度高、导电性能好、使用寿命长、成本低、取材方便、引发故障率低 对导线磨损严重，易与导线发生黏着效应、耐高温性能差、易熔融 粉末冶金滑板 机械强度较好、表面硬度适中、抗冲击性能、导电性能良好 对导线磨损严重 纯碳滑板 对导线磨耗小、较强的自润滑性能和减磨性能、电磁噪声小、耐高温 机械强度低、抗冲击性能差、易磨损、发生断裂和掉块 浸金属碳滑板 机械强度高、耐冲击、导热性能好、与导线接触电阻小、耐磨、使用寿命长、耐电弧烧蚀 抗冲击性能差、易掉块、维护成本高 复合材料滑板 良好的自润滑性、抗冲击性和抗折强度 易发生导电性能恶化、生产周期长，成本高 目前，生产滑板的企业较多，以供给不同类型的列车. 由于各家所采用的材料配比、制备工艺等因素的差异，导致滑板材料的技术参数有一定的不同. 目前，TB-T 1842.1[22]、TB-T 1842.2[23]、TB-T 1842.3[24]给出的滑板主要技术参数见表2.
表 2 常见滑板的主要技术参数Table 2. Main technical parameters of strip滑 板 体积密度/
（g·cm−3）硬度 电阻率/
（μΩ·m）冲击韧性/
（J·cm−2）抗拉/抗折
强度/MPa抗压强度/MPa 磨损率/
（mm·万公里−1）粉末冶金
滑板（铁基）＜8.0 HBS≤140 ≤0.35 ≥7.00 抗拉≥140 ≥290 ≤9.0 粉末冶金
滑板（铜基）7.8～8.2 HBS：60～90 ≤0.35 ≥7.00 抗拉≥120 — ≤12.0 浸金属滑板 ≤3.0 HS≥85 ≤12.00 ≥0.25 抗折≥85 ≥280 ≤13.0 碳滑板 ≤1.8 HS：60～100 ≤40.00 ≥0.10 抗折≥30 ≥40 ≤12.0 对于弓网系统的配副材料，特别是受电弓滑板材料，国内外学者主要从材料的配比、添加剂或增强剂的配方以及制备工艺等几个方面开展了大量研究工作[25-31]，在保证足够的机械强度、冲击韧性和耐高温特性前提下，尽可能地提高滑板的导电性能和自润滑特性，降低其磨损率.
随着研究的深入，一些新型滑板材料也在不断突破. 如翟洪祥等[32-34]制备的Ti3SiC2和Ti3AlC2系陶瓷材料，具有明显优于碳基材料和铜基烧结材料的综合性能，对改善弓网高速摩擦与电弧烧蚀耦合损伤具有重要意义；Zhao等[35]通过结合化学镀工艺及粉末冶金工艺，成功制备了石墨烯均匀分布在铜基体中的铜/石墨烯复合材料，使其在载流与非载流条件下均能保持稳定的摩擦系数，且因为石墨烯的作用，铜/石墨烯复合材料的耐磨性得以增强. 另外，针对越来越高的滑板综合性能的要求，滑板材料的研究也逐步转向碳纤维增强复合材料. 碳纤维增强复合材料的研制，能够最大限度地保证材料的强度和耐磨性，同时具有良好的导电性[36-37]. 在传统的滑板制备技术研究基础上，也有学者在寻求一些的新的工艺和制备技术，如余先涛和莫易[38]开展了铝合金激光熔覆技术在受电弓滑板中应用的探索；陈鹏威等[39-40]分析研究了激光沉积制备石墨/Cu复合材料的性能；Wang等[41]通过热处理的方法提高了浸铜C/C复合材料的碳结晶度，改善了摩擦学性能；张军伟等[42]基于放电等离子烧结（SPS）技术，采用粉末冶金的方法，制备梯度铜碳复合材料，研究表明，载流条件下梯度铜碳复合材料的摩擦磨损性能稳定性较好. 这些研究为受电弓材料制备提供了一些新的思路.
针对于接触线材料的研究相对较少，国内外学者大都集中在不同型号接触线与不同材料滑板的摩擦磨损性能与受流性能上[43-45]，Wang等[46]通过仿真与试验的方式对比了纯碳滑板、浸铜滑板分别与CTS150、CTMH150、CTCZ150接触线的受流情况与磨损率，为弓网系统磨耗适配性提供了参考.
2.1.2 受电弓的关键技术参数
弓网系统的结构及参数对受电弓滑板的磨耗也有一定的影响，如受电弓的刚度和阻尼，接触网的张力、跨距以及不平顺等，特别是与接触线直接接触的弓头悬挂系统的刚度和阻尼. 由图8可知，不同弓网系统结构及参数下弓网受流质量的差异将导致弓网接触副磨耗性能的差异. 当受流质量较差时，受电弓和接触网会处于不稳定的接触状态，电路中电流的波动变大，特别是当弓网的接触压力为0时，弓网发生离线及燃弧，电弧烧蚀造成接触副的严重磨损. 反之，受流质量较好时，电弧烧蚀较少，滑板的磨损也较轻[47].
图9和图10分别为不同弓头悬挂刚度下弓网系统受流质量和载流摩擦副间的磨损性能的试验台测试结果. 由图9和图10可知：随着弓头悬挂刚度的增大，载流摩擦副电路中电流的损耗先减小后增大，而受流质量先逐渐变好后变差；弓网摩擦副的磨损性能与受流质量密切相关，受流质量越差，滑板的磨损率越大.
除了弓网系统结构及参数外，组装式滑板[48]、弓网系统弹性元件[49]、运行速度以及静态抬升力对受电弓滑板的磨耗也有类似的作用机理. 可见，通过对弓网结构及参数、运行速度、静态抬升力的优化匹配，提高弓网的受流质量，有利于降低滑板的磨耗.
2.1.3 接触网布置方式
当受电弓滑板沿接触线高速滑动时，势必造成接触线和滑板的磨耗. 为避免滑板的磨耗集中于某固定位置，在架设接触线时，需沿线路的横向设定一定的拉出值（200～300 mm），呈之字形、半正弦波或全正弦波分布，其中之字形分布如图11所示，图中：α为接触线横向布置与线路中心线的夹角，bi为第i跨的最大拉出值. 国内外学者研究了接触网布置对弓网系统的磨耗演变规律，结果表明不同拉出值的布置对于磨损率及磨损型面存在着较大的影响[50-52]. 在受电弓实际运行时，滑板沿接触线纵向运动的同时，接触线也在滑板表面作横向的摆动，因此，接触线相对于滑板中心线的相对拉出值，通常符合正态分布，如图12（a）所示. 而滑板的磨耗型面呈一种“倒”正态分布，与相对拉出值的分布呈一种镜像关系，如图12（b）所示[53-54].
当接触线相对拉出值表现为非正态分布时，如图13（a）所示的波浪形分布，受电弓的滑板型面则会出现“倒”波浪形的磨耗型面，造成滑板磨耗型面的不均匀如图13（b）所示. 可见，接触网的结构设计以及平面布局，决定了接触线的拉出值，进而直接影响接触线的相对拉出值和滑板型面的分布，从而影响滑板磨耗型面的均匀性和滑板的磨损率[55].
图 13 接触线拉出值波浪形分布及滑板磨耗型面Figure 13. Waveform distribution of stagger and wear profile of strip2.2 弓网系统运行参数
列车的行车参数，如牵引功率、载客量、发车密度、上下行坡度以及运行速度等，对滑板的磨耗也有一定的影响. 由于列车载客量和上下行坡度的增大，相应的牵引电流势必增大，导致明显的接触副温度升高. 就发车密度而言，若发车间隔小，则接触副的温升散热时间短，易导致温升叠加，引发磨耗的加剧. 另外，对于列车运行的速度控制，若急加速度或急减速，牵引电流将瞬时增大，不仅温升急剧增大，也影响着弓网系统受流质量而且容易导致电弧烧蚀，造成严重的磨损. 在对图8中的影响因素进一步梳理基础上，可得到图14所示的列车运行参数影响关系.
图 12 接触线拉出值正态分布及滑板磨耗型面Figure 12. Normal distribution of stagger and wear profile of strip
图 14 弓网运行参数对磨耗性能的影响关系Figure 14. Influence of pantograph-catenary operation parameters on wear performance随着运行速度的增加，接触线的波动会加剧，弓网系统接触副间所发生的燃弧便会增多，通过试验发现累计燃弧能量及磨损率均随着相对滑动速度的增加而增加；且当相对滑动速度超过300 km/h时，滑板磨损率将显著增大，滑板表面的裂纹宽度、深度均增大，且磨屑量有所增加[56-59]. 静态抬升力的变化也会影响接触压力的波动，进而影响受流质量的好坏. 当接触压力过小时，会使得弓网离线而产生燃弧，导致较为严重的电弧烧蚀；而当接触压力过大时，虽然会抑制燃弧的发生，但由于摩擦力的增大将导致较为严重的机械磨损，故应确定一最优接触压力以使磨损率与受流质量处于最佳匹配状态. 陈忠华等[60-61]通过试验及数学建模确定了最优接触压力并探究了接触压力波动的频率对于受流质量及磨损率的影响，接触压力的波动越大，滑板的磨损越大[62].
2.3 弓网系统载流参数
网压、网流对于弓网系统磨损的影响主要由接触副温升及电弧表现，电弧烧蚀对于磨损率有着重大的影响[30,63-65]. Nagasawa等[4-5]重点研究了电流和电弧对弓网摩擦磨损性能的影响，将电流和电弧的影响分为2个阶段：在试验起始阶段，摩擦因数较大，磨损严重；当试验经过一定时间/行程后，从起始阶段过渡到稳定阶段，摩擦因数显著下降，并趋于稳定，磨损率也明显降低[10].
Kubo和Kato[66]经研究发现磨损率取决于电弧放电的强度和持续时间，即磨损率与燃弧能量成正比. Chen等[67]通过试验研究发现当燃弧发生时，电流波形会发生畸变，而增加法向力则可以减小燃弧的发生.
温度是影响弓网系统摩擦磨损性能的重要因素之一，如图8所示，导致弓网接触副温度变化不仅来自外部服役环境温度的影响，同时内在输入性的影响因素也较多，温度升高的热源主要来自摩擦热、焦耳热和电弧热[68]. 温度对摩擦磨损性能的影响主要体现在摩擦因数、磨耗量和摩擦表面形貌等. 一般而言，随着温度的升高，滑板的磨损量会逐步上升，摩擦因数会减小；温度对滑板摩擦表面形貌影响很大，当温度较低时，其主要以磨粒磨损为主，对应的磨损量比较小；随着温度的升高，滑板摩擦面形成氧化物和熔融层，表面形貌变得越来越光滑，主要以氧化磨损和黏着磨损为主，对应的磨损量比较大[7,69-71]. 通过对比有无电流通过时滑板的摩擦磨损特性发现：当无电流通过时,摩擦副温度较低，滑板磨损量较小，主要的磨损类型是磨粒磨损和黏着磨损,摩擦因数随温度的升高先增大后减小；当有电流通过时,摩擦副温升较为明显，随温度的升高摩擦因数减小，摩擦副表面粗糙度也有所减小且逐渐平滑[65,72-75]. 摩擦副温升主要源于电流的通过，磨损量也显著增加，此时磨损类型主要为氧化磨损和电弧烧蚀. 同时，通过碳滑板磨损表面能谱仪分析发现，磨损过程中元素转移和氧化现象时有发生[76-79]. 进一步通过试验温度对滑板材料磨损性能影响研究，发现只要滑板温度相当，不管滑动摩擦时受电弓滑板/接触线是否有电流通过，滑板材料的磨损量都大致相当[80]，如图15所示.
丁涛等[81]在摩擦磨损试验机上，完成试验电流100～300 A，滑动速度120～170 km/h和法向载荷100～200 N条件下对纯碳滑板/铜接触线的摩擦磨损性能的研究，结果进一步证实：有电流时的摩擦因数明显低于无电流时的摩擦因数，而法向载荷和滑动速度对摩擦因数的影响较小，如图16所示；无电流时，碳滑板材料的磨损率很低，且磨损面积和深度较小；有电流时，碳滑板材料的磨损率随电流的增大可增至无电流时磨损率的10倍多，如图17所示，磨损面积显著增加，且磨损表面滑动方向上出现电弧烧蚀的黑色流线.
2.4 列车运行环境
列车运行时，线路环境复杂多变：季节的变化、恶劣天气的突发、高原及平原与南北方气压温湿度的不同均会对网系统受流质量产生一定的影响，导致接触副接触不良而致电弧频发，进而使弓网系统的磨耗率大大提升.
张会杰等[82]比较了空气和氮气环境对C/C复合材料载流摩擦学性能的影响，发现在氮气环境下摩擦副间摩擦系数较高，而磨损率较低；Derosa等[83]通过试验台探究滑板横向速度对弓网系统摩擦磨损影响时，考虑了风速的影响，通过输入的风速来模拟列车不同运行速度下产生的风速，使其与线路实际情况较为接近，但并未得出磨损率与风速的量化关系.
目前针对环境湿度变化的研究较多，随着相对湿度的变化，接触副间的微摩擦力与表面黏附力均会产生变化[84-85]，进而影响受流质量. 王蒙等[86]通过4种不同湿度条件下的载流摩擦试验，发现存在一个最佳潮湿度，有利于减少滑板磨耗和电弧的产生；孙逸翔等通过在水环境[87]及不同湿度环境[88]下铜材的载流摩擦磨损试验，发现在水环境下纯铜接触副间的摩擦系数与转速负相关，接触电阻与转速负相关；在不同湿度条件下，随着相对湿度的增加及电流的介入，使得接触副表面形成氧化膜，从而降低了黏着磨损；李含欣等[89]通过饱和盐溶液法实现对湿度的控制，并通过往复摩擦试验仪进行试验，试验表明，在载流摩擦磨损过程中，高湿度工况下的摩擦系数几乎没有变化，而累积燃弧能量，平均接触电阻都与相对湿度正相关，环境湿度对摩擦副表面损伤有着显著的影响，且存在一个最佳湿度（RH55%附近），使得载流工况下磨损情况较好. 但目前的湿度试验均在较为简单的试验装置内进行，无法定量分析湿度的影响. 如何控制环境温湿度，以更加准确地模拟环境温湿度对弓网系统载流摩擦磨损性能的影响，仍是亟待解决的问题.
综上所述，列车运行过程中影响弓网摩擦磨损的因素众多，可分为弓网结构及参数、弓网系统运行参数、弓网系统载流参数和列车运行环境4种，其主要磨损机制为磨粒磨损、黏着磨损和电弧烧蚀.
3. 弓网系统磨耗预测模型
由于弓网系统磨耗演变规律与磨损机制的复杂性，使得难以依靠某一具体方法对弓网系统磨耗量进行精确的预测，但对其进行预测又是极为重要的. 弓网系统的摩擦磨耗主要由电气磨耗WE和机械磨耗WM组成，而电气磨耗主要与接触温升T与受流质量Qcc有关，机械磨耗主要与接触压力F和摩擦因数COF相关. 接触温升本身又与受流质量有关，而受流质量也受接触压力的影响，摩擦因数受接触温升的影响，由此可以得到描述性函数，如式（1）所示.
W=f(WE,WM)=f(COF(T),T(Qcc),Qcc(F),F). (1) 为进一步辨识磨耗性能与牵引电流、接触压力、运行速度、配副材料等相关影响因素的映射关系，以建立磨耗预测模型，诸多学者已开展了弓网系统磨损机制及各影响因素贡献率的相关研究，以建立磨耗预测模型[63,83-90]. 目前，采用较多的是基于Lim和Ashby[91]所提出磨耗机制而建立的磨耗预测模型. 如Bucca和Collina[15]针对柔性接触网和几种不同的受电弓滑板材料，基于Lim和Ashby磨耗理论，通过弓网耦合动力学仿真并结合地面试验建立了一种自适应磨耗预测方法，具体流程如图18所示，最终利用预测模型和试验测试2种方法得到的滑板磨耗率基本一致，证实了该预测方法的有效性.
图 18 受电弓滑板磨耗性能预测流程Figure 18. Process of predicting wear performance for pantograph strip针对刚性接触网，Wei等[92]也基于Lim和Ashby理论，结合实际地铁运营线路的试验数据，建立了受电弓滑板与接触线的磨耗预测模型，如式（2）、（3）所示，并对弓网接触副的磨耗型面及影响规律进行了研究.
ws=cm[(1−η)KPP+(1−η)KII2Pv+ηαsUIv−KvTm−T0v], (2) ww=Cx[(1−η)QPP+(1−η)QII2Pv+ηαwUIv−Qv(Tm,OX−T)Pv], (3) 式中：ws为受电弓滑板磨耗，cm为严重熔融磨损时材料性能系数，η为离线率，Kp为滑板的接触力影响因子，P为弓网接触力，KI为电流影响因子，v为列车运行速度，αs为热传递系数，U为电弧起弧初始电压，Kv为速度影响因子，Tm为材料熔化温度，T0为环境温度. ww为接触线磨耗，Cx为严重氧化磨损时材料性能系数，Qp为接触线的接触力影响因子，QI为电流影响因子，αw为热传递系数，Qv为速度影响因子.
另外，也有学者另辟蹊径，通过数学模型对磨损量进行预测. 徐文文等[93]采用支持向量回归方法对滑板磨耗量与运行里程进行拟合，实现了通过运行里程对滑板磨耗量的预测；胡艳等[94]采用偏最小二乘回归方法建立各项影响参数和纯碳滑板磨损量之间的模型公式，实现纯碳滑板材料在实际运行过程中的磨损量的预测.
m=−4.14342+0.0506819E+0.0208156v+0.0134873t+0.00271164I+0.223381μ−0.00197841Fn, (4) 式中：E为电弧放电能量，t为时间，Fn为接触压力，m为纯碳滑板磨损质量.
综上所述，针对弓网系统受电弓滑板及接触线的预测，主要采用2种方法：1） 机理分析模型. 通过分析弓网系统在各影响因素下的磨耗演变规律及磨损机制，找寻各影响因素及磨损机制对磨耗量的贡献度，建立数学模型. 这种方式建立的预测模型较为准确，可将线路检测到的接触压力，网压网流等参数输入模型中，对磨耗量预测较为即时. 2） 数据拟合模型. 应用数学分析方法，通过计算各参数与磨耗量的相关系数，对磨耗量与各参数进行有效拟合，以得到较为准确的数据拟合模型. 上述2种模型对比如表3所示.
表 3 预测模型对比Table 3. Comparison of prediction models模型类型 优点 缺点 机理分析模型 精度较高、可通过实时数据对磨耗量实时预测 各影响因素贡献度量化较困难；机理分析阶段对设备精度要求较高 数据拟合模型 通过较短期试验量化各影响因素，且可保证较好的精度 拟合所需数据量较大；线路应用较困难 4. 弓网系统摩擦磨损特性存在问题及展望
本文主要归纳总结了弓网摩擦磨损试验及检测方法、弓网载流摩擦磨损影响因素及演变规律和弓网系统磨耗预测模型3个方面的研究现状和发展趋势，分析弓网摩擦磨损存在的问题，提出弓网载流摩擦磨损性能后续需重点关注的研究方向.
1） 针对弓网系统载流摩擦磨损地面试验问题，主要通过试验台完成. 利用试验台近似模拟线路运行时弓网系统载流摩擦磨损性能，分析出影响摩擦磨损性能的关键参数. 但是，实际运行线路中接触网弹性不均匀、行波等过程仍无法有效地模拟；由于试验台电流较大，当有雨水或其他环境因素干扰时，对试验台自身结构的损伤及安全性的保证目前仍难以解决，故气象环境耦合（雨天、覆冰、腐蚀环境等）仍未能有效模拟；试验设备的负载大部分是电阻性负载，与实际高铁和地铁的感性负载有差别；且试验台电压尚未达到实际铁路的电压值；滑板拉出值设定范围较小，无法较为准确地探讨拉出值极限处动力学性能及摩擦磨损性能. 在后续试验台改进设计中，可考虑采用数字控制技术，增加拉出值范围，并将实际线路中柔性网或刚性网不同跨距下中心锚节、锚段关节处刚度变化情况输入，以模拟不同工况下的接触网弹性不均匀情况；也可增设环境箱考虑机电、热力、流固以及与环境温湿度的耦合作用，实现对复杂服役环境的弓网载流摩擦磨损性能的实验室模拟.
2） 当前的磨耗检测方法可分为采用接触式非接触式2种，或可将二者结合使用，能较为精确地检测出滑板厚度. 随着算法的精进，使得未来弓网系统磨耗量进行实时精确的检测成为可能. 但在现有的地铁运营中，可能存在着汇流排夹持接触线处出现松动或其他原因导致接触线发生偏磨现象，如图19所示，使得受电弓滑板产生异常磨耗. 当前地铁检测车无法检测出这种问题，而且运营线路较长，人工检测也存在着极大的工作量及弊端，如何检测出接触网异常区段也将是未来弓网系统磨耗检测的研究方向之一.
3） 弓网系统载流摩擦磨损影响因素众多，当前研究主要采用控制变量的方法，该方法能较好地找到各影响因素对于相关参数的作用规律，但试验工况多且周期长，应提出一种较好的正交试验方法，提高试验效率. 此外，线路运行时产生的燃弧，采用紫外燃弧相机采集，而在试验台中，燃弧多用燃弧能量表示，二者无法准确对标，使得试验台无法精确地模拟线路运行情况. 在后期的研究中，应深度辨识弓网系统多物理场耦合的作用关系和影响机制，将摩擦磨损性能演变规律的研究由单因素作用深化到多因素耦合作用，揭示受电弓滑板和接触线磨耗的劣化机理；或研究弓网接触副新材料的配方及制备工艺等，在保证足够的机械强度、冲击韧性和耐高温特性前提下，尽可能地提高接触副材料的导电性能，并降低其磨耗.
4） 当前对弓网系统受电弓滑板及接触线的预测，主要采用2种方法：一是分析弓网系统磨损机制及演变规律，建立数学模型；二是应用数学分析方法，拟合磨耗量与各参数，得到较为准确的模型. 但是由于列车在实际运行过程中影响因素复杂多变，所得模型均存在些许偏差；且由于列车在运行过程接触网拉出值布置不同，使得滑板不同位置温升会发生复杂变化，当前模型并未考虑到这一点. 因此，如何应用智能化方法，深化新型信息技术与工程应用融合，提升效率及准确率，并对模型进行实时修正成为当下弓网系统磨耗预测模型建立的重要方向.
5） 基于现有地面试验数据及线路测试数据，分析弓网系统载流摩擦磨损演变规律，并将历史数据及研究结论与弓网系统的智能运维相结合，实现弓网系统动态监测、故障诊断和滑板剩余厚度预测，得到滑板、接触线更换周期，提出降低磨损率的维修策略，真正实现弓网系统的智能运维和全生命周期的能力保持.
5. 结束语
随着列车运营速度的提升，弓网系统接触副接触不牢靠，接触线波动等问题日益凸显，使得弓网系统磨耗异常，受流质量进一步恶化. 因此，对弓网系统载流摩擦磨损相关问题进行研究，以掌握弓网磨损机制及演变规律，提高受流质量并减小弓网系统的异常磨损已成为弓网系统研究的又一重要方向. 本文总结了现有弓网系统载流摩擦磨损研究现状，分析当前研究存在的一些问题，并提出了弓网摩擦磨损特性未来的研究趋势. 弓网系统是列车运行的动力之源，开展弓网系统载流摩擦磨损相关问题的研究，对于提高列车运营安全性、节约维护成本具有重要的工程意义.
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图 1 销-盘式弓网载流摩擦磨损试验台
Figure 1. Pin-disc pantograph-catenary current-carrying friction and wear test bench
图 2 高速弓网载流摩擦磨损试验台
Figure 2. High-speed current-carrying pantograph-catenary test bench for friction and wear
图 8 弓网系统摩擦磨损性能的影响因素
Figure 8. Influence factors of friction and wear performance in pantograph-catenary system
图 13 接触线拉出值波浪形分布及滑板磨耗型面
Figure 13. Waveform distribution of stagger and wear profile of strip
图 12 接触线拉出值正态分布及滑板磨耗型面
Figure 12. Normal distribution of stagger and wear profile of strip
图 14 弓网运行参数对磨耗性能的影响关系
Figure 14. Influence of pantograph-catenary operation parameters on wear performance
图 18 受电弓滑板磨耗性能预测流程
Figure 18. Process of predicting wear performance for pantograph strip
表 1 滑板材料分类及优劣
Table 1. Classification, advantages and disadvantages of strip materials
滑板种类 优点 缺点 纯金属滑板 机械强度高、导电性能好、使用寿命长、成本低、取材方便、引发故障率低 对导线磨损严重，易与导线发生黏着效应、耐高温性能差、易熔融 粉末冶金滑板 机械强度较好、表面硬度适中、抗冲击性能、导电性能良好 对导线磨损严重 纯碳滑板 对导线磨耗小、较强的自润滑性能和减磨性能、电磁噪声小、耐高温 机械强度低、抗冲击性能差、易磨损、发生断裂和掉块 浸金属碳滑板 机械强度高、耐冲击、导热性能好、与导线接触电阻小、耐磨、使用寿命长、耐电弧烧蚀 抗冲击性能差、易掉块、维护成本高 复合材料滑板 良好的自润滑性、抗冲击性和抗折强度 易发生导电性能恶化、生产周期长，成本高 
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表 2 常见滑板的主要技术参数
Table 2. Main technical parameters of strip
滑 板 体积密度/
（g·cm−3）硬度 电阻率/
（μΩ·m）冲击韧性/
（J·cm−2）抗拉/抗折
强度/MPa抗压强度/MPa 磨损率/
（mm·万公里−1）粉末冶金
滑板（铁基）＜8.0 HBS≤140 ≤0.35 ≥7.00 抗拉≥140 ≥290 ≤9.0 粉末冶金
滑板（铜基）7.8～8.2 HBS：60～90 ≤0.35 ≥7.00 抗拉≥120 — ≤12.0 浸金属滑板 ≤3.0 HS≥85 ≤12.00 ≥0.25 抗折≥85 ≥280 ≤13.0 碳滑板 ≤1.8 HS：60～100 ≤40.00 ≥0.10 抗折≥30 ≥40 ≤12.0
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表 3 预测模型对比
Table 3. Comparison of prediction models
模型类型 优点 缺点 机理分析模型 精度较高、可通过实时数据对磨耗量实时预测 各影响因素贡献度量化较困难；机理分析阶段对设备精度要求较高 数据拟合模型 通过较短期试验量化各影响因素，且可保证较好的精度 拟合所需数据量较大；线路应用较困难
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[1] 张卫华. 高速列车耦合大系统动力学理论与实践[M]. 北京: 科学出版社,2013. [2] 吴积钦. 受电弓与接触网系统[M]. 成都:西南交通大学出版社,2010. [3] 宋冬利,江亚男,张卫华. 滑板磨耗对受电弓系统服役性能的影响研究[J]. 西南交通大学学报,2017,52(3): 450-457.SONG Dongli, JIANG Yanan, ZHANG Weihua. Effects of contact strips wear on service performance of pantograph system[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2017, 52(3): 450-457. [4] NAGASAWA H, KATO K. Wear mechanism of copper alloy wire sliding against iron-base strip under electric current[J]. Wear, 1998, 216(2): 179-183. doi: 10.1016/S0043-1648(97)00162-2 [5] KUBO S, KATO K. Effect of arc discharge on the wear rate and wear mode transition of a copper-impregnated metallized carbon contact strip sliding against a copper disk[J]. Tribology International, 1999, 32(7): 367-378. doi: 10.1016/S0301-679X(99)00062-6 [6] SENOUCI A, ZAIDI H, FRENE J, et al. Damage of surfaces in sliding electrical contact copper/steel[J]. Applied Surface Science, 1999, 144/145: 287-291. doi: 10.1016/S0169-4332(98)00915-5 [7] SENOUCI A, FRENE J, ZAIDI H. Wear mechanism in graphite–copper electrical sliding contact[J]. Wear, 1999, 225/226/227/228/229: 949-953. [8] HE D H, MANORY R R, GRADY N. Wear of railway contact wires against current collector materials[J]. Wear, 1998, 215(1/2): 146-155. [9] HE D H, MANORY R. A novel electrical contact material with improved self-lubrication for railway current collectors[J]. Wear, 2001, 249(7): 626-636. doi: 10.1016/S0043-1648(01)00700-1 [10] 林修洲,朱旻昊,陈光雄,等. 高速电气化铁路弓/网系统的摩擦磨损研究进展[J]. 润滑与密封,2007,32(2): 180-183.LIN Xiuzhou, ZHU Minhao, CHEN Guangxiong, et al. Research progresses on friction and wear of pantograph/contact wire system in high speed electrified railway[J]. Lubrication Engineering, 2007, 32(2): 180-183. [11] 郭凤仪,赵汝彬,陈忠华,等. 滑动电接触磨耗测控系统的研究[J]. 计算机测量与控制,2010,18(3): 508-511.GUO Fengyi, ZHAO Rubin, CHEN Zhonghua, et al. Investigation on electric sliding contact wear measurement and control system[J]. Computer Measurement & Control, 2010, 18(3): 508-511. [12] 姜国强,郭凤仪,王智勇,等. 高性能滑动电接触实验机的设计与研制[J]. 机械设计,2010,27(1): 31-34.JIANG Guoqiang, GUO Fengyi, WANG Zhiyong, et al. Design and development of high performance sliding electrical contact testing machine[J]. Journal of Machine Design, 2010, 27(1): 31-34. [13] 王亚春,陈立明,杨才智. 高速铁路弓网关系模拟试验研究[J]. 中国铁道科学,2018,39(3): 79-85.WANG Yachun, CHEN Liming, YANG Caizhi. Simulation test study on pantograph-catenary relation of high speed railway[J]. China Railway Science, 2018, 39(3): 79-85. [14] 许思思. 弓网系统电弧机理试验与研究[D]. 成都: 西南交通大学,2014. [15] BUCCA G, COLLINA A. A procedure for the wear prediction of collector strip and contact wire in pantograph–catenary system[J]. Wear, 2009, 266(1/2): 46-59. [16] 曾攀,王俊玮,邓久强,等. 基于计算机视觉的受电弓滑板磨耗图像的识别[J]. 无线互联科技,2016(7): 104-106.ZENG Pan, WANG Junwei, DENG Jiuqiang, et al. Image recognition of slide abrasion for locomotive pantograph[J]. Wireless Internet Technology, 2016(7): 104-106. [17] LU S F, LIU Z, LI D, et al. Automatic wear measurement of pantograph slider based on multiview analysis[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2021, 17(5): 3111-3121. doi: 10.1109/TII.2020.2997724 [18] KARADUMAN G, AKIN E. A deep learning based method for detecting of wear on the current collector strips’ surfaces of the pantograph in railways[J]. IEEE Access, 2020, 8: 183799-183812. doi: 10.1109/ACCESS.2020.3029555 [19] 闵泳. 新型电力机车受电弓碳基复合材料滑板研究[D]. 大连: 大连交通大学,2005. [20] 冀盛亚,孙乐民,上官宝,等. 受电弓滑板材料的研究现状及展望[J]. 热加工工艺,2009,38(6): 80-83.JI Shengya, SUN Lemin, SHANGGUAN Bao, et al. Research status and prospects of pantograph slide material[J]. Hot Working Technology, 2009, 38(6): 80-83. [21] 张晓娟,孙乐民. 受电弓滑板和接触网导线材料的现状及展望[J]. 河南科技大学学报(自然科学版),2006,27(6): 4-7,105.ZHANG Xiaojuan, SUN Lemin. Status and expectation of pantograph slide and contact wire[J]. Journal of Henan University of Science and Technology (Natural Science), 2006, 27(6): 4-7,105. [22] 中华人民共和国铁道部. 电力机车受电弓滑板 粉末冶金滑板:TB/T 1842.1—2002[S]. 北京:中国铁道出版社,2002. [23] 中华人民共和国铁道部. 电力机车受电弓滑板 浸金属碳滑板:TB/T 1842.2—2002[S]. 北京:中国铁道出版社,2002. [24] 中华人民共和国铁道部. 电力机车受电弓滑板 第3部分:碳滑板:TB/T 1842.3—2008[S]. 北京:中国铁道出版社,2008. [25] KANG S. A study of friction and wear characteristics of copper- and iron-based sintered materials[J]. Wear, 1993, 162/163/164: 1123-1128. [26] 杨连威,姚广春,陆阳. 新型铜-碳复合受电弓滑板的制备[J]. 过程工程学报,2005,5(4): 460-463.YANG Lianwei, YAO Guangchun, LU Yang. Research on new copper-carbon composite pantograph slide plate[J]. The Chinese Journal of Process Engineering, 2005, 5(4): 460-463. [27] 刘军,严红革,陈刚,等. 铜基复合材料受电弓滑板摩擦磨损及电阻率的研究[J]. 矿冶工程,2007,27(2): 71-74.LIU Jun, YAN Hongge, CHEN Gang, et al. Frictional wear and resistivity of copper matrix composites pantograph slider[J]. Mining and Metallurgical Engineering, 2007, 27(2): 71-74. [28] 罗骥,曹慧钦,贾步超,等. 新型铜基受电弓滑板材料的制备与性能[J]. 复合材料学报,2012,29(2): 103-108.LUO Ji, CAO Huiqin, JIA Buchao, et al. Preparation and properties of the new type copper matrix pantograph slider[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2012, 29(2): 103-108. [29] 余亚岚,袁楠,江丹露,等. 镍与石墨含量对新型铜基粉末冶金受电弓滑板材料性能的影响[J]. 粉末冶金材料科学与工程,2015,20(3): 419-424.YU Yalan, YUAN Nan, JIANG Danlu, et al. Effects of nickel and graphite content on new copper matrix P/M materials for pantograph slider[J]. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2015, 20(3): 419-424. [30] KUBOTA Y. Relationship between wear profile of pantograph contact strip and arc discharge energy distribution[C]//2018 IEEE Holm Conference on Electrical Contacts. Albuquerque: IEEE, 2018: 150-154. [31] HUANG J X, WANG M, LI Y C, et al. Effect of flake graphite content on wear between behavior between P/M copper-based pantograph slide and contact wire[J]. Materials Research Express, 2020, 7(7): 076510.1-076510.14. doi: 10.1088/2053-1591/aba3e3 [32] 翟洪祥,汪长安. Ti3SiC2材料在受电弓滑板中的应用研究[J]. 机车电传动,2003(增1):43-45.ZHAI Hongxiang, WANG Chang’an. Study on the application of Ti3SiC2 material in pantograph slide plate[J]. Electric Drive for Locomotives,2003(S1):43-45. [33] 刘新. Ti3SiC2、Ti3AlC2陶瓷的非载流和载流摩擦学行为研究[D]. 北京: 北京交通大学,2007. [34] 黄振莺. 高速列车受电弓滑板用TiSiC系材料的制备与性能研究[D]. 北京: 北京交通大学,2008. [35] ZHAO J, PENG Y T, ZHOU Q G, et al. The current-carrying tribological properties of Cu/graphene composites[J]. Journal of Tribology, 2021, 143(10): 102101.1-102101.9. doi: 10.1115/1.4049696 [36] 柴昌盛,徐立新,韦强,等. 铜对碳纤维/酚醛树脂受电弓滑板材料的性能影响[J]. 广州化工,2010,38(12): 102-104.CHAI Changsheng, XU Lixin, WEI Qiang, et al. Effect of Cu mass fraction on properties of carbon-fiber fabric/phenolic resin pantograph slider composites[J]. Guangzhou Chemical Industry, 2010, 38(12): 102-104. [37] 袁华. 碳纤维增强受电弓滑板的制备与性能及摩擦磨损机理的研究[D]. 济南: 山东大学,2013. [38] 余先涛,莫易敏. 激光表面熔覆在机车受电弓滑板材料中的应用[J]. 武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2005,27(4): 146-149.YU Xiantao, MO Yimin. Application of laser cladding in pantograph slide plates of electric locomotives[J]. Journal of Wuhan University of Technology (Information & Management Engineering), 2005, 27(4): 146-149. [39] 陈鹏威. 激光直接金属沉积石墨—铜功能梯度复合材料应力场数值模拟[D]. 南昌: 华东交通大学,2015. [40] 周颖. 激光沉积制备石墨/Cu复合材料的性能研究[D]. 南昌: 华东交通大学,2018. [41] WANG P, WEI F C, ZHAO Z W, et al. Effect of heat treatment temperature on mechanical and tribological properties of copper impregnated carbon/carbon composite[J]. Tribology International, 2021,164: 1-9. doi: 10.1016/j.triboint.2021.107209 [42] 张军伟,杨正海,孙乐民,等. 梯度铜碳复合材料的载流摩擦磨损性能[J]. 材料热处理学报,2020,41(7): 33-40.ZHANG Junwei, YANG Zhenghai, SUN Lemin, et al. Current-carrying friction and wear properties of gradient copper-carbon composites[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2020, 41(7): 33-40. [43] 杨广英,徐超,杨才智,等. 铜锡合金接触导线高速磨耗性能试验研究[J]. 铁道技术监督,2016,44(11): 31-33.YANG Guangying, XU Chao, YANG Caizhi, et al. Experimental study on high-speed wear performance of copper-tin alloy contact wire[J]. Railway Quality Control, 2016, 44(11): 31-33. [44] 徐超,潘利科,杨才智,等. 400 km/h高速列车受电弓滑板与接触线载流摩擦磨损研究[J]. 电气化铁道,2018,29(增1):29-31,35.XU Chao, PAN Like, YANG Caizhi, et al. Study on current-carrying friction and wear between pantograph slide plate and contact wire of 400 km/h high-speed train[J]. Electric Railway,2018,29(S1):29-31,35. [45] 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. doi: 10.1016/j.wear.2016.12.041 [46] WANG R Y, ZHANG Z G, ZHONG J L. Analysis and research on current-carrying friction and wear of high-speed train pantograph slide and contact wire based on computer simulation analysis[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2020, 1648(3): 1-6. doi: 10.1088/1742-6596/1648/3/032031 [47] 黄之元,陈光雄,夏晨光. 组装式滑板对地铁接触线犁削磨损的影响[J]. 润滑与密封,2011,35(1): 33-35,78.HUANG Zhiyuan, CHEN Guangxiong, XIA Chenguang. Effect of assembled strip on plough wear of metro contact wire[J]. Lubrication Engineering, 2011, 35(1): 33-35,78. [48] 黄之元,陈光雄,夏晨光. 组装式滑板对地铁接触线犁削磨损的影响[J]. 润滑与密封,2021,46(2): 24-30.HUANG Zhiyuan, CHEN Guangxiong, XIA Chenguang. Effect of assembled strip on plough wear of metro contact wire[J]. Lubrication Engineering, 2021, 46(2): 24-30. [49] 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.DING Tao, HE Honggao, CHEN Guangxiong, et al. Friction and wear behavior of copper-impregnated metalized carbon strip sliding against stainless steel with electrical current under elastic condition[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2009, 44(4): 558-563. [50] 唐志强,朱佳栋. 城市轨道交通架空刚性悬挂接触网弓网磨耗及改进措施[J]. 城市轨道交通研究,2021,24(增1):108-112.TANG Zhiqiang, ZHU Jiadong. Pantograph and catenary wear of overhead rigid suspension catenary in urban rail transit and its improvement measures[J]. Urban Mass Transit,2021,24(S1):108-112. [51] 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, 66.WANG Jian. Discussion on pantograph-catenary abrasion of metro rigid overhead catenary system[J]. Urban Rapid Rail Transit, 2012, 25(4): 59-62, 66. [52] 武云龙,付文明,黄海,等. 拉出值对碳滑板/铜银合金接触线载流磨损性能的影响[J]. 润滑与密封,2017,42(10): 57-61.WU Yunlong, FU Wenming, HUANG Hai, et al. Effect of the staggering on the wear performance of carbon strip/Cu-Ag alloy contact wire with electric current[J]. Lubrication Engineering, 2017, 42(10): 57-61. [53] 谭冬华. 架空刚性悬挂弓网磨耗异常的分析与解决办法[J]. 电气化铁道,2007,18(1): 29-32.TAN Donghua. Analysis and counter measures of abnormal wear between catenary and pantograph under rigid suspension of OCS[J]. Electric Railway, 2007, 18(1): 29-32. [54] 谢风华. 单轨交通刚性接触网不均匀磨耗分析及其对策[J]. 城市轨道交通研究,2011,14(8): 73-75.XIE Fenghua. Analysis and countermeasures of the uneven wear for monorail rigid centenary[J]. Urban Mass Transit, 2011, 14(8): 73-75. [55] YANG H J, HU B, LIU Y H, et al. Influence of reciprocating distance on the delamination wear of the carbon strip in pantograph–catenary system at high sliding-speed with strong electrical current[J]. Engineering Failure Analysis, 2019, 104: 887-897. doi: 10.1016/j.engfailanal.2019.06.060 [56] 胡艳,黄盼盼,马然. 滑动速度对碳滑板载流摩擦磨损性能的影响[J]. 实验技术与管理,2020,37(1): 87-90.HU Yan, HUANG Panpan, MA Ran. Effect of sliding speed on current carrying friction and wear properties of carbon sliding plate[J]. Experimental Technology and Management, 2020, 37(1): 87-90. [57] 李克敏,上官宝,杜三明,等. 摩擦速度和电流密度对铜基复合材料载流摩擦磨损性能的影响[J]. 机械工程材料,2015,39(3): 22-27,31.LI Kemin, SHANGGUAN Bao, DU Sanming, et al. Effects of friction velocity and current density on current-carrying friction and wear properties of copper matrix composites[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2015, 39(3): 22-27,31. [58] 杨正海,上官宝,孙乐民,等. 相对滑动速度对铜-石墨复合材料载流摩擦性能的影响[J]. 河南科技大学学报(自然科学版),2021,42(1): 1-6,117.YANG Zhenghai, SHANGGUAN Bao, SUN Lemin, et al. Effect of relative slipping speed on current-carrying friction performance of copper graphite composites[J]. Journal of Henan University of Science and Technology (Natural Science), 2021, 42(1): 1-6,117. [59] YANG H J, CHEN G X, GAO G Q , et al. Experimental research on the friction and wear properties of a contact strip of a pantograph- catenary system at the sliding speed of 350 km/h with electric current[J]. Wear, 2015, 332- 333: 949- 955. [60] 陈忠华,王铁军,回立川,等. 弓网系统滑动电接触最优压力载荷的确定[J]. 电工技术学报,2013,28(6): 86-92.CHEN Zhonghua, WANG Tiejun, HUI Lichuan, et al. Determination of the optimal contact load in pantograph-catenary system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(6):86-92. [61] 陈忠华,孙国军,回立川,等. 波动压力载荷下弓网滑动电接触特性研究[J]. 高压电器,2018,54(12): 82-88.CHEN Zhonghua, SUN Guojun, HUI Lichuan, et al. Study on characteristics of sliding electrical contact of pantograph-catenary under fluctuating pressure load[J]. High Voltage Apparatus, 2018, 54(12): 82-88. [62] 李斌,隋意,王智勇,等. 弓网系统滑板磨损特性分析与剩余寿命预测[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2021,40(5): 454-459.LI Bin, SUI Yi, WANG Zhiyong, et al. Wear characteristics analysis and residual life prediction of pantograph-catenary system slide plate[J]. Journal of Liaoning Technical University (Natural Science), 2021, 40(5): 454-459. [63] 胡艳,董丙杰,周培勇,等. 滑板磨损量和弓网放电能量预测模型的研究及应用[J]. 润滑与密封,2015,40(8): 66-70.HU Yan, DONG Bingjie, ZHOU Peiyong, et al. Study and application of the prediction formula of arc discharge energy and wear volume of pantograph-OCS system[J]. Lubrication Engineering, 2015, 40(8): 66-70. [64] 胡道春,孙乐民,上官宝,等. 电弧能量对浸金属碳滑板材料载流摩擦磨损性能的影响[J]. 摩擦学学报,2009,29(1): 36-42.HU Daochun, SUN Lemin, SHANGGUAN Bao, et al. Effects of arc discharge on friction and wear properties of metal-impregnated carbon strip sliding against Cu trolley under electric current[J]. Tribology, 2009, 29(1): 36-42. [65] MEI G M. Tribological performance of rigid overhead lines against pantograph sliders under DC passage[J]. Tribology International, 2020, 151: 106538.1-106538.9. doi: 10.1016/j.triboint.2020.106538 [66] 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(2): 172-178. doi: 10.1016/S0043-1648(97)00184-1 [67] 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 [68] 王英. 弓网电接触热流和电流传导及影响规律研究[D]. 成都:西南交通大学,2016. [69] BOUCHOUCHA A, KADIRI E K, ROBERT F, et al. Metals transfer and oxidation of copper—steel surfaces in electrical sliding contact[J]. Surface and Coatings Technology, 1995, 76/77: 521-527. [70] BOUCHOUCHA A, CHEKROUD S, PAULMIER D. Influence of the electrical sliding speed on friction and wear processes in an electrical contact copper–stainless steel[J]. Applied Surface Science, 2004, 223(4): 330-342. doi: 10.1016/j.apsusc.2003.09.018 [71] 卜俊,丁涛,陈光雄. 温度对受电弓滑板材料磨损的影响[J]. 润滑与密封,2010,35(5): 22-25,105.BU Jun, DING Tao, CHEN Guangxiong. Effect of temperature on the wear behaviour of a pantograph strip material[J]. Lubrication Engineering, 2010, 35(5): 22-25,105. [72] 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 [73] 黄海,武云龙,闫硕,等. 电压对碳滑板磨损性能和温升的影响[J]. 润滑与密封,2017,42(8): 25-30.HUANG Hai, WU Yunlong, YAN Shuo, et al. Effect of voltage on wear behavior and temperature rise of a pantograph carbon strip[J]. Lubrication Engineering, 2017, 42(8): 25-30. [74] 付文明,武云龙,刘力,等. 大电流对碳滑块/铜银合金接触线载流摩擦磨损性能的影响[J]. 润滑与密封,2017,42(9): 52-56.FU Wenming, WU Yunlong, LIU Li, et al. Effect of high-current on friction and wear behavior of carbon strip/Cu-Ag alloy contact wire with electric current[J]. Lubrication Engineering, 2017, 42(9): 52-56. [75] DING T, CHEN G X, LI Y M, et al. Friction and wear behavior of pantograph strips sliding against copper contact wire with electric current[J]. AASRI Procedia, 2012, 2: 288-292. doi: 10.1016/j.aasri.2012.09.048 [76] LU C T, BRYANT M D. Thermoelastic evolution of contact area and mound temperatures in carbon graphite electrical contact brushes[J]. Wear, 1994, 174: 137-146. doi: 10.1016/0043-1648(94)90095-7 [77] TU C J, CHEN Z H, CHEN D, et al. Tribhological behavior and wear mechanism of resin-matrix contact strip against copper with electrical current[J]. Transactions of Nonferrous Metals society of China, 2008, 18: 1157-1163. doi: 10.1016/S1003-6326(08)60198-3 [78] DING T, CHEN G X, ZHU M H, et al. Influence of the spring stiffness on friction and wear behaviours of stainless steel/copper impregnated metallized carbon couple with electrical current[J]. Wear, 2009, 267: 1080-1086. doi: 10.1016/j.wear.2008.12.098 [79] 丁涛,王鑫,陈光雄,等. 有无电流条件下温度对碳/铜摩擦副摩擦磨损性能的影响[J]. 中国机械工程,2010(7): 843-847.Ding Tao, Wang Xin, et al. Effect of Temperature on Friction and Wear Behaviors of Carbon/Copperwith and without Electric Current[J]. China Mechanical Engineering,2010(7):843-847. [80] DING T, HE Q D, YANG Y, et al. High temperature characteristics of a carbon strip sliding against copper with electrical current[J]. Materials Performance and Characterization, 2018, 7(1): 101-112. doi: 10.1520/MPC20170087 [81] 丁涛,王鑫,陈光雄,等. 120~170 km/h条件下碳滑板/铜接触线摩擦磨损性能试验研究[J]. 机械工程学报,2010,46(16): 36-40. doi: 10.3901/JME.2010.16.036DING Tao, WANG Xin, CHEN Guangxiong, et al. Experimental study on friction and wear behavior of carbon strip/copper contact wire at speeds of 120~170 km/h[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(16): 36-40. doi: 10.3901/JME.2010.16.036 [82] 张会杰,孙乐民,张永振,等. 环境气氛对C/C复合材料载流摩擦学性能的影响[J]. 摩擦学学报,2015,35(2): 236-241.ZHANG Huijie, SUN Lemin, ZHANG Yongzhen, et al. The influence of environmental atmosphere on the tribological performance of C/C composites under electrical current[J]. Tribology, 2015, 35(2): 236-241. [83] DEROSA S, NÅVIK P, COLLINA A, et al. Contact point lateral speed effects on contact strip wear in pantograph–catenary interaction for railway operations under 15 kV 16.67 Hz AC systems[J]. Wear, 2021, 486/487: 204103.1-204103.9. doi: 10.1016/j.wear.2021.204103 [84] 卿涛,邵天敏,温诗铸. 相对湿度对材料表面粘附力影响的研究[J]. 摩擦学学报,2006,26(4): 295-299.QING Tao, SHAO Tianmin, WEN Shizhu. Effects of relative humidity on surface adhesion[J]. Tribology, 2006, 26(4): 295-299. [85] 卿涛,邵天敏,温诗铸. 载荷和相对湿度对微摩擦力的影响[J]. 润滑与密封,2006,31(10): 4-7,32.QING Tao, SHAO Tianmin, WEN Shizhu. Effects of load and relative humidity on micro-friction[J]. Lubrication Engineering, 2006, 31(10): 4-7,32. [86] 王蒙,郭凤仪,王智勇,等. 潮湿条件下滑板磨耗特性研究[J]. 高压电器,2018,54(7): 292-296.WANG Meng, GUO Fengyi, WANG Zhiyong, et al. Study on the wear characteristics of slide plate under wet conditions[J]. High Voltage Apparatus, 2018, 54(7): 292-296. [87] 孙逸翔,宋晨飞,李家伟,等. 转速对水环境下纯铜滚动载流摩擦损伤的影响[J]. 摩擦学学报,2021,41(3): 365-372.SUN Yixiang, SONG Chenfei, LI Jiawei, et al. Effect of rotating speed on surface damage of rolling current-carrying pairs in a water environment[J]. Tribology, 2021, 41(3): 365-372. [88] 孙逸翔,岳洋,宋晨飞,等. 相对湿度对铜材料载流磨损的影响[J]. 河南科技大学学报(自然科学版),2018,39(1): 1-4,117.SUN Yixiang, YUE Yang, SONG Chenfei, et al. Effect of relative humidity on triboelectric wear of copper[J]. Journal of Henan University of Science and Technology (Natural Science), 2018, 39(1): 1-4,117. [89] 李含欣,季德惠,沈明学,等. 环境湿度对碳/铜滑动接触副载流摩擦学行为的影响[J]. 摩擦学学报,2022,42(4): 709-718.LI Hanxin, JI Dehui, SHEN Mingxue, et al. Effect of environmental humidity on tribological behavior of carbon/copper current-carrying sliding contact pairs[J]. Tribology, 2022, 42(4): 709-718. [90] DEROSA S, NÅVIK P, COLLINA A, et al. A heuristic wear model for the contact strip and contact wire in pantograph–Catenary interaction for railway operations under 15 kV 16.67 Hz AC systems[J]. Wear, 2020, 456/457: 203401.1-20340.8. doi: 10.1016/j.wear.2020.203401 [91] ASHBY M F, LIM S C. Wear-mechanism maps[J]. Scripta Metallurgica et Materialia,1990,24(5):805-810. [92] WEI X K, MENG H F, HE J H, et al. Wear analysis and prediction of rigid catenary contact wire and pantograph strip for railway system[J]. Wear, 2020, 442/443: 203118.1-203118.15. doi: 10.1016/j.wear.2019.203118 [93] 徐文文,彭建平,邱春蓉. 基于支持向量回归的地铁受电弓滑板磨耗趋势预测模型研究[J]. 铁路计算机应用,2020,29(1): 77-81.XU Wenwen, PENG Jianping, QIU Chunrong. Prediction model of subway pantograph slide pan wear trend based on LSSVR[J]. Railway Computer Application, 2020, 29(1): 77-81. [94] 胡艳,杨红娟,董丙杰,等. 基于最小二乘法的纯碳滑板磨损量预测[J]. 铁道学报,2016,38(1): 48-53.HU Yan, YANG Hongjuan, DONG Bingjie, et al. The prediction of the wear loss of strips based on the partial least-square regression method[J]. Journal of the China Railway Society, 2016, 38(1): 48-53. 期刊类型引用(1)
1. 冯晓航，陈光雄，梅桂明，董丙杰，赵鹏鹏，李先航. 地铁弓网系统摩擦自激振动研究. 西南交通大学学报. 2025(02): 418-424 . 
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