弓网电接触研究进展

吴广宁;1969—,男,博士,教授,博导;主要从事复杂环境下的外绝缘与过电压防护、高压电气设备绝缘评估及状态检修方面的教学与研究工作;E-mail: [email protected]

周 悦;1993—,女,硕士生;主要从事高速铁路弓网系统电接触的研究工作;E-mail: [email protected]

高国强(通信作者);1981—,男,博士,副教授,博导;主要从事高电压与绝缘技术方面的教学与研究工作;E-mail: [email protected]

基金项目： 国家自然科学基金(U1234202; 51577158; 516071147); 国家杰出青年科学基金(51325704); Project supported by National Natural Science Foundation of China (U1234202, 51577158, 516071147), National Science Foundation for Distinguish Young Scholars of China (51325704);

近年来,随着列车运行速度和电流传输密度的提高,弓网电接触状况正变得越来越复杂,对弓网电接触理论与技术的系统研究提出了迫切要求。为此对弓网电接触中接触电阻、热效应、摩擦磨损性能及受电弓滑板材料4个方面的研究现状进行了综述。主要结论为：1）对弓网接触电阻的参数观测、机理分析和数学模型仍需开展大量工作,包括更为全面准确的电接触试验方法和诊断技术,以及更为科学合理的弓网接触电阻数学模型。2）弓网电接触热效应的研究需继续加强。采用试验和仿真相结合的方法获取弓网载流摩擦时,滑板、接触线以及接触面的温度及其分布值得进一步深入研究,特别是雨、雪等特殊气候条件对弓网热特性的影响。3）应重视开展更高速度等级和电弧动态特性对弓网摩擦磨损性能影响的探讨;同时深入研究弓网磨损预测模型。4）继续研究和开发新型复合受电弓滑板材料;在具体应用时,需根据不同列车运行的特定条件,选取满足该条件下关键性能要求的滑板材料。

关键词 : 弓网电接触; 接触电阻; 热效应; 摩擦磨损特性; 受电弓滑板材料;

DOI：10.13336/j.1003-6520.hve.20161031017

In recent years, with the improvement of running speed and current density of train, the electric contact status between pantograph and catenary is becoming more and more complex, which puts forward an urgent request for systematic study on theory and technology of electric contact between pantograph and catenary.Consequently, we reviewed the research advances in contact resistance, thermal effect, friction and wear characteristics, and materials for pantograph strip. Main conclusions are drawn as follows: 1)The observation of parameters, mechanism analyses, and mathematic model of contact resistance between pantograph and catenary still have a lot of work to be carried out. Proper test method and diagnostic technology of electric contact are required to be further discussed,while the mathematical model of contact resistance needs more research. 2) The research on the thermal effect will continue to heat up. With the methods combining experiment and simulation, the temperature rise and its distribution on the contact surface, pantograph strip and catenary wire will obtain continuous attention, especially the influence of rain, snow and other special weather conditions on thermal effect. 3) The effects of arc characteristics as well as the improved running speed on the wear process should be valued, and the prediction model of wear rate of materials for pantograph and catenary should be established. 4) The research of new materials for pantograph strip still requires to be strengthened. A proper pantograph material which meets the key requirements should be chosen based on the specific conditions of different trains for specific use.

KEY WORDS : electric contact between pantograph and catenary; contact resistance; thermal effect; friction and wear characteristics; materials for pantograph strip;

随着“一带一路”战略的推进,中国高速铁路将迎来前所未有的发展机遇。作为高铁能量供给的核心,受电弓/接触网系统（以下简称弓网系统）良好的接触状况是保证列车受流质量和安全稳定运行的重要条件之一。应用弓网电接触来传输电能的方式可以追溯到19世纪80年代末,Siemens公司工程师首次采用弓状集电器,使电流从轨道上方单根接触线供给牵引单元并经轨道返回,成为了现代弓网电接触系统的雏形[1]。经历100多年发展,弓网电接触系统已经成为世界范围内高速铁路获取动力最为可靠的方式,但围绕弓网电接触问题,至今仍有许多现象和机理有待深入揭示。同时,列车运行速度的不断提高使弓网系统振动加剧,直接影响供电质量;且弓网电弧频繁产生,烧蚀受电弓滑板和接触线,导致弓网服役寿命缩短甚至引发弓网故障。受电弓滑板与接触线动态接触状况正变得越来越复杂,因此对弓网电接触理论与技术的系统研究提出了迫切需求。

弓网电接触理论是伴随着电工电接触大学科的发展与电气化铁路一同成长起来的工程技术理论,是融合了电气、机械、材料、计算技术等方面的多学科交叉领域[2],其研究的最终目的是在满足一定经济效益的前提下,提高弓网电接触的可靠性及弓网材料的工作寿命。

本文从弓网电接触的接触电阻、热效应、摩擦磨损性能及受电弓滑板材料4个方面概要归纳了当前主要的研究成果,并初步探讨了其发展趋势。

实际运行过程中,弓网电接触状况复杂多变,在其接触界面不断发生着电、热、力等效应转换以及与环境的相互作用,且与运行速度、接触压力等运行参数密切相关。弓网电接触多物理场相互作用示意图如图1所示。其中,弓网系统工作特性最直接有效的判据是其接触电阻特性。

接触电阻理论是电接触学科理论体系的基石。电接触学科的奠基人Holm认为,滑动接触的平面实际并不平整,只有少数微小的点或面发生了真正的接触,导致电流线流过接触面附近时收缩,有效导电面积减小,产生收缩电阻;如果接触面存在导电性较差的物质,如灰尘、氧化膜等,则还存在另一附加电阻,称为膜电阻[3]。收缩电阻和膜电阻共同构成了弓网接触电阻。

接触电阻是弓网电接触可靠性的主要表征参数。当弓网接触状态不佳时,接触电阻会急剧增大,在接触区引发严重的过热现象,从而影响受电弓滑板与接触网导线的材料性能,甚至威胁列车的安全运行。对弓网接触电阻的研究,旨在通过接触电阻判断弓网电接触状态,并分析其变化规律,再以此为参考,对列车设计和实际运行环节中导致接触状态不理想的相关因素进行控制,以期得到小而稳定的弓网接触电阻。最后基于这些实际问题的研究,建立模型,预测长期工作状态下弓网接触电阻的变化规律,指导实际工程应用。

为此,国内外的研究者们从实验和数学模型两个角度开展了弓网接触电阻的研究工作。

实验方面,围绕影响弓网接触电阻的弓网材料性质、接触压力、牵引电流、运行速度、接触表面温度等因素,采用电流-电压法,通过电压、电流互感器实时获取受电弓滑板与接触线之间的接触电压和接触电流,由欧姆定律求取接触电阻。值得注意的是,根据此方法所得接触电阻还包括滑板和接触线部分体电阻。

弓网动态接触电阻随时间演化过程的研究表明,在一定的时间范围内,电阻值并不恒定,而是呈现围绕一个中值上下波动的趋势[4-5]。文献[6]发现在磨损试验的前半段,摩擦副接触电阻值只有微小波动,但在后半段内波动相当剧烈（超过5%）。接触面粗糙度的增加、表面氧化、磨屑产生等原因均会引起接触电阻的剧烈变化。因此,在具体分析中往往取某一过程平均值来评价弓网接触电阻[7],从而判断不同材料弓网配副的电接触性能。典型研究如文献[5]为了探究铜含量和石墨含量对铜/石墨复合材料滑板导电性能的影响,测试了不同铜、石墨含量的滑板与铜接触线的接触电阻。结果显示,铜含量越高、石墨含量越低,其接触电阻值越小,但接触电阻值波动越明显,这可能是由于含有更多铜的滑板与铜导线亲和力更大,增大了粘着磨损。文献[8]指出纯炭滑板分别运行在铜银、铜锡和铜镁接触线区段测得的弓网接触电阻值依次增大,动车组取流对弓网接触区域加热引起的电火花强度也依次递增。此外,文献[9]发现纯氧中接触电阻值随时间变化如图2所示。这是由于氧化膜存在一个形成-被破坏-再形成的循环过程。当氧化膜的厚度增加,接触电阻会变大,而当氧化膜被磨粒或凸峰刮破时,接触电阻会减小。基于此试验,可鉴定接触材料的抗氧化性能。

研究者也针对接触压力、运行速度和牵引电流等运行参数对弓网接触电阻值的影响开展了有益的探索。文献[7]指出接触压力为80 N时,运行速度从50 km/h增加到200 km/h,弓网接触电阻值略有上升,而当牵引电流从100 A增加至300 A,弓网接触电阻值持续下降;当接触压力从40 N增加到180 N时,接触电阻值随之减小。

图1 弓网电接触系统多物理场综合作用示意图 Fig.1 Electric contact between pantograph and catenary

且接触电阻最大值与接触压力最小值相关[10]。文献[11]也在接触压力为80 N,电流从160 A增加到240 A的实验条件下,对接触电阻与牵引电流的关系进行了研究,但得出了与文献[7]相反的变化趋势。这可能是由于影响接触电阻的因素多而复杂,不同研究者所用具体实验条件和测量方法不尽相同,得出的实验结果往往差异较大。

当前关于弓网接触电阻实验方面的研究还十分有限,这主要是由于试验方法和诊断技术的差异性和局限性。弓网电接触系统工作在大电流、高运行速度、复杂的自然环境下,给现场的电接触性能试验诊断带来了极大困难。而实验室内的模拟研究,一方面,不同研究者所采用的条件和方法差异很大,其结果的可重复性、可移植性不尽如人意;另一方面,由于测试条件的限制,实验室内测试结果都是在几个小时甚至更短的时间尺度内得到的,远远小于弓网实际运行的时长。实验室模拟的等效性还需进一步验证。

在接触电阻数学模型方面,目前在国际上得到公认且应用最为广泛的接触电阻模型即Holm模型[12],是分析接触电阻的基础。此后,Williamson根据接触点内表面膜的破裂情况,提出了电流线二级收缩模型[13]。为了将表面膜对导电斑点的干扰在模型中明显表达出来,Malucci等考虑到微振氧化现象提出了三级收缩模型[14]。然而以上模型只涉及到微观参数,无法直接用于工程实践中,还需进一步找到微观参数（导电斑点个数、尺寸等）与宏观参数（接触压力、材料参数等）之间的关系[12]。对此,Greenwood和Williamson[15]用概率方法处理了粗糙表面接触点的数量和分布,用Herz公式对单个接触点的接触进行分析,从而提出经典的统计接触模型,即GW模型。但该模型过于简化,与真实表面不符,且未包含膜的影响,因此其实用性受到很大限制。

图2 氧气中钢滑板-铜接触线接触电阻的变化曲线 Fig.2 Variation of contact resistance with time between steel pantograph and copper catenaryin oxygen

由于弓网电接触现象本身十分复杂且影响因素众多,对其接触电阻数学模型的研究难度较大。现有的数学模型多是在经典的接触模型基础上,结合弓网材料的性质,推导得到弓网接触电阻与接触压力等宏观参量的数学表达式。文献[8]通过多斑点收缩电阻模型,对弓网静态接触电阻与导电斑点的“超温”（导电斑点上的温度超过收缩区外导体的温度的数值）及微观导电斑点数目的关系进行推演,并结合不同压力下静态温升实验,定性分析了接触压力对微观导电斑点数目的影响。文献[16]依据经典的GW模型得到弓网接触斑点数表达式,并以Holm模型为基础得到包含接触压力、材料性质等因素的弓网接触电阻统计模型。文献[10]通过实验数据分析得到了纯炭滑板和铜接触线间动态接触电阻与接触压力呈指数函数关系。此外,文献[7,17-18]也对试验测得的大量数据进行拟合,得到反映弓网静态、动态接触电阻与接触压力、牵引电流等运行参数关系的数学表达式,具有一定指导意义。

随着弓网电接触现象研究的不断深入,以及电子计算机技术的日益进步,利用计算机模拟或者数值方法进行接触分析将成为弓网电接触数学模型研究的发展趋势。

研究弓网电接触热效应是为了获取弓网载流摩擦时滑板、接触线以及接触面上温度及其分布,最终达到减小弓网系统发热和温升的目的。弓网电接触热效应主要热量来源由3部分构成,即受电弓滑板、接触线自身体电阻和弓网接触电阻产生的焦耳热、弓网相对滑动时产生的机械摩擦热和弓网离线时产生的电弧热。随着近年来列车运行速度和电流传输密度的提高,弓网电接触热效应日益受到重视,成为电接触领域研究热点之一。

弓网滑动电接触过程中,特别是在大载流、高速的情况下,其接触表面会产生不同程度的温升,导致弓网材料的耐磨损性能下降,因此研究弓网耦合温度场及速度、电流等运行参数对温度场的影响具有重要的实际价值。由于弓网电接触动态特性十分复杂,故目前的研究手段以理论计算和仿真分析为主。如文献[19]提出了一种弓网表面热流计算评估方法,分别计算了由摩擦、接触电阻和电弧作用产生的表面温升。文献[20]建立了焦耳热和摩擦热作用下弓网耦合温度场有限元模型,发现其耦合温度随法向接触压力的增大呈先减小后增大的变化趋势。文献[21]利用Comsol建立了评估弓网热行为的2D模型,得出铜基碳滑板在电流为750 A,速度为70 m/s,接触压力为100 N时,其温度最大值在3 000 s内可达到99 ℃。文献[22]提出了一种适用于不同弓网材料的稳态热模型,且通过实验验证了其可靠性。文献[23]对电弧引起的弓网暂态热场进行有限元仿真和建模,并求解了石墨滑板参数（热导率、比热容、密度）对其影响,以寻求石墨滑板材料的最佳参数匹配,使得电弧接触区温度始终处在安全值以下。

此外,弓网电接触系统过热现象会导致受电弓滑板的磨耗加剧,提高其更换频率;弓网电弧对接触线的侵蚀作用还可能使接触网线索被烧毁甚至引发断线事故。因此,大量研究工作分别针对接触网导线和受电弓滑板的热效应展开。

关于接触线上的温度及其分布情况,文献[24]针对接触线与双滑板的接触状况建立一维稳态热力学模型,并计算了不同电流、压力、速度、环境温度条件下接触线的温度分布。文献[25]考虑了沿接触线轴向的风,以及自由对流与强迫对流之间的转变,基于接触线外表面与环境的传热现象建立热暂态模型,计算了不同电流和环境温度下的温度值,与热电偶得到的测试温度基本一致。另外,还有部分研究工作聚焦列车运行的特殊工况,如文献[26]针对动车组升降弓对接触线的热侵蚀,建立了暂态热流温升模型。文献[27]通过实验和仿真对列车起动和短路状态下接触线表面温度进行分析,并结合实际工况,提出了需避免列车大电流起动以及避免带负载升降弓等操作。特别地,考虑到接触线覆冰情况,文献[28]提出了一种接触网在线防冰方案,并对防冰系统运行后接触网系统动态温度变化、分布及机车速度和负载电流对其影响进行了分析。

对于受电弓滑板来说,高温会造成滑板的磨损量增大[29],弓网电弧造成的巨大温度梯度也会使滑板材料产生裂纹。文献[30]利用受电弓弓头3维有限元分析模型,模拟了行车时受电弓滑板升温过程。结果显示弓网接触时,接触部位温度场深度浅,梯度大。接触结束后,降温迅速,最终滑板温升将趋于稳定。文献[31]对不同材料滑板受流摩擦时接触点瞬态温升进行仿真分析,发现碳系滑板材料的温升速率和幅值均比铜基粉末冶金滑板高得多。前者接触点温升达到了碳的氧化温度,发生了高温氧化现象,是碳基材料磨损严重的主要原因;而后者温升低于材料的氧化温度,说明接触点的温升不是铜基粉末冶金材料磨损严重的主要因素。文献[32]对不同材料滑板体温升受电弧热、接触电阻热、摩擦热等热源的影响进行了研究。结果表明由摩擦热引起的体温升相近且数值较小,滑板材料中金属元素所占的比例愈多,电弧热对体温升的影响愈大,而接触电阻热的影响愈小。另外,也有文献通过实验和仿真研究了不同机械、电气参数（压力、电流、速度、电弧能量等）对受电弓滑板温度场的影响[33-34]。

同样,受电弓滑板也会受雨雪、覆冰等环境条件的影响。庞巴迪公司报告显示,碳滑板在冬季的更换量要远大于其在夏季的更换量[35]。主要原因在于冬季恶劣的气候条件会使弓网动态接触状况恶化,电弧产生频繁。在这种情况下,受电弓滑板的铝托架会受到电弧的反复加热,发生严重烧蚀,甚至可导致连接滑板与托架的导电胶分离。一旦胶接点产生裂缝,滑板很易从托架上脱落,严重影响列车安全运行。由此,国内外专家提出了相应的解决措施,例如,可在列车行驶方向首个受电弓滑板上增加黄铜带以刮去接触线上覆冰,或在铝托架上涂覆具有绝缘特性的硅树脂来防止水分、电弧烧蚀和热冲击的影响;以及制备具有较强抗电弧侵蚀能力的复合材料滑板[35]。

此外,在实际运行中可直接利用架设在列车车顶或站场的红外热像仪对弓网电接触系统热效应进行监测、评估。文献[36]通过霍夫变换检测滑板温度范围来对现场采集的红外热像图进行分析,有效反映出滑板过热、电弧产生等情况,可评估受流状态是否良好。

对于滑动电接触系统摩擦磨损性能最早的讨论可以追溯到15世纪达芬奇时期,由于机械、冶金等领域的迫切需求,摩擦磨损的相关研究至今都是一个热点问题。近年来随着显微镜、轮廓仪、扫描电子显微镜、光谱仪等试验诊断手段和数据采集技术的不断进步,对于该问题的理解也更加深入。

受电弓滑板与接触网导线构成了一对特殊摩擦副,由于电因素的介入,其摩擦磨损机制受到机械系统和电接触系统的综合作用。通过开展典型弓网载流摩擦磨损试验,掌握弓网摩擦磨损基本特性,结合列车具体运行条件,优化其摩擦磨损性能,在此基础上,建立弓网磨损预测模型,为列车受电弓滑板和接触线的设计、检修提供参考和指导。

精确可靠的摩擦磨损试验结果是评定弓网摩擦磨损性能的依据。由于现场实物试验周期长、成本高,较难推广,因此目前弓网载流摩擦评价通常使用自行研制的设备进行实验室模拟。常见的试验机可以分为销-盘式试验机、销-环式试验机、环-块式试验机和线-滑块式试验机[37]。通过实验室模拟试验,不仅可以得到摩擦系数、磨损率等定量数据,还可以研究其过程中的一些动态现象,以及对试验后的磨损面、磨屑的形貌和成分进行分析。

迄今为止,针对弓网摩擦磨损特性,国内外已经做了长时间的探索。已有的典型研究工作主要集中在运行参数（电流、压力、速度）、温升、电弧对不同弓网材料的摩擦系数、磨损量、微观形貌的影响。

电流对弓网载流摩擦磨损有重要影响。相较无电流情况,通入电流后弓网磨损率明显增加,且电流越大,材料磨损量越大,而摩擦系数会逐渐减小,最终趋于平稳[37]。文献[38]也得到了类似规律,有电流时滑板磨损率是同等条件下无电流时磨损率的2.7~5.8倍。此外,文献[39]对磨损过程中被切割下来的磨屑形态进行研究,发现无电流时磨屑具有片状或不规则外观,而有电流情况下,高温使得磨屑呈现更加圆润的外观。

提高的列车速度给弓网摩擦磨损研究带来了新的挑战。试验表明,当列车时速增加到350 km/h时,滑板摩擦系数减小,磨损率增加,接触面温度提升迅速,电弧产生十分频繁,滑板表面发生严重电弧侵蚀[40]。文献[41]指出铜/不锈钢弓网材料的摩擦系数和磨损率,随速度先增大到最大值再缓慢下降,最后趋于稳定。这标志着其磨损程度从轻微到严重的转变。

弓网接触压力作为评价弓网受流性能的核心指标,当其值较小时,电弧发生频繁,接触区温度上升,受流质量较差;当其值较大时,材料磨损增加,甚至诱发弓网故障。故综合电气、机械两个角度,存在载流质量一定时,使磨损率最低的最佳接触压力值。文献[42]发现试验中碳滑板/铜接触线的磨损率先减小后增加,呈“U”形分布。同时文献[42]指出,摩擦因数会先增大再逐渐过渡到稳定阶段。接触压力较大时,系统可较快进入稳定状态,且压力值越大,对应的稳定阶段摩擦因数越小。因此综合考虑磨损率和载流稳定性,认为90 N为该情况下最佳接触压力。文献[43]也得出了接触压力与磨损率间的类似规律,发现使磨损量最小的最佳接触压力值随速度增大而增大。当接触压力大于此最佳值时,机械磨损为主要磨损机制,而接触压力小于此最佳值时,电气磨损为主要磨损机制。

弓网载流摩擦过程中摩擦热、焦耳热和电弧热3种热源的存在将导致摩擦副接触温升的变化[44],其表面温度会达到250~600 ℃[45],加剧了受电弓滑板和接触线材料的磨损。典型研究如文献[44]得到3种材料接触线（Cu/Cu-Sn/Cu-Cr-Zr）磨损率均与磨损面产生热量成正相关关系。文献[46]在制备碳纤维增强型复合材料滑板过程中也发现,滑板磨损与接触面产生热能有很强关联性。且高温作用使得采用高强度碳纤维制成的滑板反而有更大磨损率,这可能与其热导率较低,在氧化过程中更容易裂解有关[47]。文献[48]在碳/铜摩擦副摩擦磨损试验中发现,温度越高,其摩擦因数越小,碳滑板磨损面越光滑。这是由于温度升高引起表层软化,在法向力和剪应力共同作用下形成了光滑表面层。此外,由于高温将导致液体润滑剂失效,也有研究者制备了一种铜/石墨复合材料滑板,其自润滑功能良好[5]。

早在20世纪60、70年代,弓网电弧就引起许多研究者的关注,至今已取得大量研究成果,包括弓网电弧产生机理、特性[49]、电弧模型[50-53]、电弧能量[54-55]和电弧侵蚀[56-59]等。其中,电弧对弓网材料的侵蚀机制及对磨损过程的影响一直是研究热点。

电弧发生时产生剧烈能量,在电弧能量作用下,弓网材料表面发生熔化、气化、流动、凝固等一系列物理冶金过程,导致弓网材料成为气态脱离表面或者以微小液滴形式喷溅出去,造成电弧侵蚀[2]。电弧侵蚀是限制弓网工作寿命和工作可靠性的关键因素,也是引起弓网材料损耗的主要形式。

文献[60-61]指出电弧能量与滑板磨损率之间存在幂函数关系,与摩擦系数间也存在一定的相关性。在较低电弧能量下,弓网材料侵蚀不严重,其磨损机制主要表现为磨粒磨损和粘着磨损;随着电弧能量增加,磨损率急剧提高,此时磨损机制主要表现为电弧侵蚀和氧化磨损[62]。文献[63-64]还对载流摩擦过程中电弧运动现象及其对材料磨损特性的影响做了研究,发现电弧会随运动方向而迁移,由此加剧材料表面沿运动方向的烧蚀。因此提出可采用功能梯度材料和材料表面改性的方法,以减轻电弧迁移造成的影响。

当电弧发生时,受电弓滑板和接触线材料均会发生蒸发和喷溅。但由于两种材料的热物理参数、电参数、几何形状、冷却条件等因素不对称,会引起弓网间材料转移[2]。该过程会使转移的材料与其他材料或其氧化物混合,改变弓网接触面积、接触面硬度、延展性、弓网界面材料成分等,最终影响弓网表面摩擦磨损行为[65]。

材料转移可以有两种途径：一是材料在被转移面上逐渐沉积,形成稳定的金属或其氧化物的薄膜;二是磨损过程中切削下来的大块磨屑直接粘附在另一表面,完成材料转移[65]。文献[66]发现高速情况下,材料转移会导致摩擦力剧烈波动;而当转移的材料沉积下来并逐渐稳定后,摩擦力波动会减小,此时转移的材料起到润滑作用。此外,文献[67]分别探究了3种材料滑板（铝基滑板、铜基滑板和纯炭滑板）与2种材料接触线（纯铜接触线、铜银合金接触线）载流摩擦时的材料转移特性。研究表明,材料转移方向均为从滑板到接触线,随着速度、电弧强度和接触压力的增加,材料转移量会增加;且铝基滑板材料转移最严重,纯炭滑板材料转移最少。文献[68]针对现有滑板材料转移严重的问题,制备了多种改进的碳系滑板。其中浸渍铜钛合金的C/C复合材料的抗材料转移性能最佳。

20世纪60年代后期,人们首次将扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）应用于电接触材料侵蚀的相关研究。随着微观分析仪器设备的不断进步,弓网材料表面形貌的形成过程及其组织结构的变化,开始引起研究者们的大量关注[69]。

对磨损面微观形貌的研究表明,载流条件下磨损面一般表现出大量犁沟、磨粒、材料剥落、材料转移和氧化痕迹,并伴有脆性裂纹和疲劳裂纹出现。当电弧剧烈时,会引起材料中低熔点物质熔化甚至气化,在随后的凝固过程中形成相应的气孔和球形粒子,同时产生侵蚀坑[70-72]。

由于弓网摩擦磨损是多种因素共同作用的复杂的物理、化学过程,其表面形貌是各影响因素的集体表现。研究弓网摩擦磨损特性时,往往把滑板与接触线的磨损面、及载流摩擦过程中产生的磨粒、磨屑作为主要依据,针对表面形貌特征,分析其主要磨损机制。

文献[60,73]根据摩擦系数和磨损率的变化,将弓网载流摩擦过程分为2个主要的阶段：初始阶段和稳定阶段。初始阶段摩擦因数较高,过渡到稳定阶段后,摩擦因数显著下降,并较快地趋于稳定,磨损率也明显降低。2个阶段滑板磨损面的微观形貌直接表现出这种差异。如图3所示,初始阶段的滑板表面比较粗糙,表面形貌复杂,此时主要磨损机制为宏观电弧侵蚀与磨粒磨损;进入稳定阶段后滑板表面相对平整,磨损机制以微观电弧烧蚀和粘着磨损为主。

还有研究通过磨损过程中产生的磨屑推断其主要磨损机制。典型应用如文献[74]对铜/铜摩擦副在石墨润滑状态下产生的磨屑进行分析。如图4所示,片状磨屑主要由石墨和变形后的铜构成,其形成机理主要为机械磨损（磨粒磨损和粘着磨损）;而水滴状磨屑显示出铸态组织结构,可推测在摩擦表面发生了电弧烧蚀,从而引起材料熔化。

此外,根据不同的试验目的,还有研究者利用多种技术手段对同一个磨损面进行观测[75]。例如使用轮廓仪测磨损面轮廓及其深度,同时使用SEM捕捉微观表面细节,并将结果联系起来,以求全面、多角度的展示、分析弓网磨损表面微观形貌。

近年来,随着大量弓网摩擦磨损试验研究的开展,如何在此基础上提出一个方便、有效的弓网磨损预测模型来估算实际工程应用中弓网材料的磨损情况逐渐吸引了研究者的注意,这也是弓网摩擦磨损试验研究如何在实际工程中获得应用的重要课题。量化弓网磨损问题,一方面能为设计环节提供参考,减小后期维护成本,另一方面可以预测弓网材料服役寿命,直接指导受电弓滑板和接触线的检修和更换。

典型研究有文献[76]在大量现场运行和实验室数据的基础上提出了一个弓网磨损预测程序。采用磨损机制图（wear map）分析其主要磨损机制,并据此计算弓网磨损率。由该程序计算的铜接触线/石墨滑板磨损率与实验结果基本一致。而文献[77]基于速度、接触压力、电流对磨损的影响,结合弓网动态关系,建立了一个接触线磨损预测模型。文献[78]采用人工神经网络方法,通过测算弓网接触压力估计了接触线磨损。另外,文献[79]针对受电弓滑板磨耗量,采用偏最小二乘回归方法建立接触压力、电流、滑动速度、时间、摩擦系数、电弧能量等各项影响参数和纯炭滑板磨损量之间的模型公式,具有一定指导意义。

图3 浸铜碳滑板2个阶段磨损面形貌[73] Fig.3 Morphologies of wear surfaces of copper-impregnated metallized carbonstrip at two stages

图4 不同形态的磨屑 Fig.4 Wear debris in different forms

受电弓滑板作为重要的集电元件,其性能优劣是影响受流质量的关键因素。由于长期暴露在自然环境下,且运行过程中与接触线不断产生机械冲击,并需传导100~1 000 A的电流[80],因此对受电弓滑板的综合性能有着十分苛刻的要求：需具备足够的冲击强度、导电性、耐磨减摩特性,以及良好的耐热耐电弧特性,还需对接触线的磨损小。

由于弓网运行过程中,各种电接触现象往往是重叠发生的,因此必须考虑它们之间的相互联系。这意味着受电弓滑板性能难以做到完全兼顾、面面俱到。在具体应用时,要根据不同列车运行的特定条件,选取满足关键性能要求的滑板材料,这也正是开发新型受电弓滑板材料的难点所在。

自我国电气化铁路问世以来,受电弓滑板经历了金属滑板、纯炭滑板、粉末冶金滑板、浸金属碳滑板及复合材料滑板等不同的发展阶段[80],其发展过程如图5所示。

近年来,纯金属滑板逐渐被淘汰,受电弓滑板材料的开发和应用主要集中于铜基粉末冶金材料和碳基滑板材料两大类。

日本铁路受电弓从20世纪40年代起曾使用铜基粉末冶金滑板长达40年。铜基粉末冶金滑板是以铜为基体,加入适量金属粉末做强化组元,并加入石墨等润滑组元制成的。主要缺点是当润滑组分含量很低时,严重磨损接触线;而当润滑组分过高,力学性能不能满足高速列车的要求[81-82]。因此,目前对铜基粉末冶金滑板的研制与开发主要以增强铜基体、改善铜/石墨界面润湿性和选择合适润滑组元3种思路为主。为此,文献[83]提出将铜包覆在碳纤维上,研制碳纤维强化铜基体复合材料。而文献[84-85]通过试验证明石墨镀铜的方法可有效改善铜粉和石墨粉间的润湿性,在石墨含量相同的情况下,采用镀铜石墨可获得相对较好的机械性能和较低的摩擦系数。此外,还有研究者认为在一种固体润滑剂中加入其它固体润滑剂时会产生协同润滑效应,其润滑性能可得到较大提升[86-87]。

当前我国动车和高铁上使用的受电弓滑板以进口的纯炭滑板和浸金属碳滑板为主。纯炭滑板是由炭条和铝托两部分粘接而成,主要机械受力由铝托承担,有效改善了纯炭滑板机械强度低、耐冲击韧性差的缺陷。文献[88]也对此做过相关研究,开发了轻质炭-石墨/铝复合新材料,把炭条和铝托一次工艺成型,由于炭-石墨颗粒不再需要承担机械冲击,因此可大比例提高石墨含量,从而降低对接触线的磨耗。

浸金属碳滑板是在碳基体中渗入纯金属或合金熔体制成的。针对金属对碳润湿性差的问题,有研究者提出采用高压浸渍设备,或者向合金中添加Ti等促进浸润的物质。此外,还有研究者采用加入金属纤维和碳纤维的方法来增强碳基体,制成的碳-金属纤维复合材料滑板和碳纤维增强型复合材料滑板具有良好的抗冲击性能、导电性能,将具有广阔的应用前景[68]。

新材料方面,钛硅炭（Ti3SiC2）系导电陶瓷材料表现出了优于已有的普通碳基材料和金属基粉末冶金滑板材料的综合性能[35],对于解决高速列车受电弓滑板的摩擦和电弧烧蚀问题具有指导意义,但目前Ti3SiC2材料的工业化生产还欠成熟。

弓网电接触的研究是由电气化铁路实际工程应用的客观需求推动的,与传统电接触研究相比起步较晚,虽然取得了一些进展,但对许多问题的研究还不透彻。由此,本文概述了弓网电接触中接触电阻、热效应、摩擦磨损特性及受电弓滑板材料4个方面的研究现状,主要结论为：

图5 我国受电弓滑板发展概况 Fig.5 Development review of pantograph strip in China

1）针对弓网接触电阻的参数观测、机理分析和理论建模仍有大量工作要开展。由于弓网电接触现象大多发生在恶劣且微观的条件下,给电接触的现场试验诊断带来了极大困难,而不同实验室采用的试验方法又有很大差异,因此仍需继续探讨适当的试验方法和诊断技术,增强实验室研究结果的可重复性,为弓网电接触特性的研究提供基础数据。同时,能反应长期运行过程中弓网接触电阻变化的接触电阻数学模型还需进一步探究。

2）随着近年来列车运行速度和电流传输密度的提高,对弓网电接触热效应的研究将升温。采用试验和仿真相结合的方法,获取弓网载流摩擦时滑板、接触线以及接触面上温度及其分布值得进一步深入研究。特别是聚焦雨、雪等特殊气候条件对热效应的影响,可提升弓网电接触系统抵御恶劣气候的能力。

3）迄今为止人们对弓网摩擦磨损的研究,主要集中于对特定摩擦副测定其磨损率、摩擦系数及推断其磨损机制。在接下来研究中还需深入展开电弧特性、更高速度等级对弓网摩擦磨损性能的影响的探讨。同时重视弓网磨损预测模型的构建,为受电弓滑板和接触线的设计、检修环节提供参考和指导。

4）为了克服传统受电弓滑板材料的性能缺陷,还应继续加强新型复合受电弓滑板材料的研究。此外,对滑板的具体应用而言,需根据不同列车运行的特定条件,选取满足该条件下关键性能要求的滑板材料,以确保列车受流质量良好,为其安全稳定运行提供保障。

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