弓网接触界面热效应与磨损量的数值模拟*

火文辉，李忠学

(兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州 730070)

0 引言

随着高速列车运行速度的进一步提高，弓网磨损问题越来越突出，已逐渐成为制约列车安全运行和进一步提速的关键问题之一。影响弓网摩擦磨损的主要因素有电流、速度、接触压力等。张婧琳通过试验分析指出，在这三个影响因素中，电流对摩擦副的摩擦磨损性能影响最显著［1］。赵燕霞通过试验分析指出，磨损量随速度的增大有增大的趋势，并且也指出接触压力的波动幅度对材料载流摩擦磨损性能有显著影响，接触压力的波动越大，影响越明显［2］。通过大量的载流摩擦磨损试验发现，在一定的条件下，磨损量与温度有较强的线性正相关性［1，3-4］。由于接触线与滑板材质不同，磨损量主要体现在滑板的摩擦磨损。笔者应用COMSOL Multiphysics有限元分析软件［5］分析了电流、速度与接触压力对弓网接触界面滑板的摩擦磨损的影响。

1 弓网载流摩擦磨损热传导的数学模型

弓网接触界面热效应［10］主要是由焦耳热、摩擦热以及电弧热综合作用的结果。弓网系统是假定物性参数为常数、第二类边界条件下为半无限大物体的热传导问题，弓网接触界面的温度场可以从以下方面确定［1］:

电流通过时产生的焦耳热:

相对滑动摩擦时产生的摩擦热:

传热过程的控制方程为:

式中:J为电流密度;E为电场强度;Ff为摩擦力;v为受电弓滑板相对于接触线的等效滑动速度;ρ为密度;Cp为比热容;T为温度;t为时间;k为热传导系数;Q为单位体积总热功率。

2 弓网载流摩擦磨损温度场的有限元分析

2．1 弓网载流摩擦磨损温度场的有限元数值计算

利用COMSOLMultiphysics有限元分析软件［5］中的“焦耳热”物理模块分析在不同速度、电流、接触压力的作用条件下弓网接触界面的温度场［8-9］。首先建立弓网接触界面温度场的有限元模型，这里采用自由剖分三角形网格对模型进行网格划分，如图1所示。弓网接触界面温度场主要是通过焦耳热模型建立和摩擦功引起的摩擦热添加的，而这里是忽略弓网间产生的电弧热。

1 弓网接触界面温度场的有限元模型

在“焦耳热”物理场模块中，定解条件包括边界条件和初始条件。边界条件中，将电势设定为25 kV;电流密度选用80，100 A，……，200 A系列参数;接触电阻的选用经验公式［6］:

式中:F为接触压力;R为接触电阻;k为跟接触形式、接触压力以及实际接触点数目等相关的指数。而初始条件是假设滑板和接触线的初始温度与环境空气温度相同为20℃，电压初始值为0 V。

在仿真过程中首先进行了全局定义，各材料的属性见表1。

表1 各材料参数

2．2 仿真结果与数据提取

通过建模分析可以看出弓网接触界面摩擦磨损后热量的分布情况(见图2)。通过仿真分析，可以得出不同速度、电流条件下，弓网接触界面所对应的温度值(见表2)。

图2 热量分布情况

表2 不同速度、电流所对应的温度值(℃)

3 正交试验的统计模型和数据分析

正交试验设计是研究多因素试验一种方法，它是从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，是部分因子设计的主要方法，具有很高的效率。

影响磨损量的因素主要包括电流(I)、速度(v)和接触压力(F)，并且通过实验选择了如下的试验范围:I:80～200 A，v:100～250 km/h，F:80～160 N。

电流因素取 4个水平:80 A，120 A，160 A，200 A;速度因素取 4 个水平:100 km/h，150 km/h，200 km/h，250 km/h;接触压力因素取5个水平:80 N，100 N，120 N，140 N，160 N。

3．1 实验分析

根据方案可以得出正交表如表3所列。表3中“T”行给出的是电流与速度在不同情况下的温度之和，“m”行是均值，R值是均值的极差。通过温度与电流、速度的关系图(见图3)可以看出:速度在200 km/h以上时，电流在120～160 A时的磨损比较大，在其他范围内磨损较小。

表3 正交表

图3 温度与两个因素关系图

3．2 各因素对弓网接触界面温度场的影响

3．2．1 速度对弓网接触界面温度场的影响

当接触压力 110 N，电流为 80 A、100 A、120 A、140 A、160 A、180 A 和 200 A 时，弓网接触界面的温度随速度的变化情况如图4所示。可以看出:在一定的接触压力，不同电流条件下，弓网接触界面的温度随速度的增大呈现缓慢的增加。

图4 不同电流条件下弓网接触界面温度随速度变化情况

3．2．2 电流对弓网接触界面温度场的影响

当施加110N的接触压力，以不同速度20 km/h、60 km/h、100 km/h、140 km/h、180 km/h、220 km/h和260 km/h相对滑动时，弓网接触界面的温度随电流的变化情况如图5所示。

图5 不同速度条件下弓网接触界面温度随电流变化情况

可以看出:在一定的接触压力，不同速度条件下，弓网接触界面的温度随电流的增大而增大。

3．2．3 接触压力对弓网接触界面温度场的影响

当电流120A，速度分别为20 km/h、100 km/h、180 km/h、和260 km/h时，接触压力与温度的关系如图6所示。可以看出:弓网间电流一定，不同速度条件下，弓网接触界面温度随着接触压力的增大，呈现缓慢升高的变化趋势。

图6 不同速度条件下弓网接触界面的温度随接触压力的变化情况

当速度为220 km/h，电流分别为80 A、120 A、160 A、200 A时，接触压力与温度的关系如图7所示。可以看出:在相对滑动速度一定，不同的电流条件下，弓网接触界面温度随着接触压力的增大而增大。

图7 不同电流条件下弓网接触界面温度随接触压力的变化情况

4 结论

从上面的分析结果来看，影响弓网接触界面温度变化的最主要因素是电流，其次是速度与接触压力。在一定的接触压力，不同电流条件下，弓网接触界面的温度随速度的增大呈现缓慢的增加。在一定的接触压力，不同速度条件下，弓网接触界面的温度随电流的增大而增大。弓网间电流一定，不同速度条件下，弓网接触界面温度随着接触压力的增大，呈现缓慢升高的变化趋势。在相对滑动速度一定，不同的电流条件下，弓网接触界面温度随着接触压力的增大而增大。又因为磨损量与温度之间存在正相关的对应关系［7］，所以，随着电流的增大，磨损量增大;滑动速度与接触压力对磨损量也有一定的影响，当接触压力一定时，相对滑动速度越大，磨损量越大。

［1］ 张婧琳．Cu/QCr0．5载流条件下摩擦磨损性能的研究［D］．洛阳:河南科技大学，2010．

［2］ 赵燕霞．柔性接触条件对载流摩擦磨损特性的影响［D］．洛阳:河南科技大学，2011．

［3］ 董 霖．载流摩擦磨损机理研究［D］．成都:西南交通大学，2008．

［4］ 卜 俊．温度对弓网系统载流磨损的影响［D］．成都:西南交通大学，2010．

［5］ William B．J．Zimmerman．COMSOL Multiphysics有限元法多物理场建模与分析［M］．北京:中仿科技公司，2007．

［6］ 郭凤仪，陈忠华．电接触理论及其应用技术［M］．北京:中国电力出版社，2008．

［7］ 曹伟武，徐开义，赵宪萍，等．磨损量随受热面温度变化关系的试验研究［J］．动力工程，1997，17(4):46-48(60)．

［8］ 李传喜．降低弓网磨损的受电弓主动控制系统的设计［D］．成都:西华大学，2013．

［9］ Ding T，Chen G X．Friction and Wear Behavior of Pantograph Strips Sliding Against Copper Contact Wire with Electric Current［J］．AASRIProcedia，2012(2):288-292．

［10］ 王万岗，吴广宁．弓网系统接触电阻特性［J］．中南大学学报，2012，43(10):3857-3864．