刚性悬挂接触线载流磨损特征分析

盛良，张文轩，汪海瑛，李向东，杨志鹏，刘春浩

（中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081）

刚性悬挂接触线载流磨损特征分析

盛良，张文轩，汪海瑛，李向东，杨志鹏，刘春浩

（中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081）

为节约隧道净空，更多地铁地下隧道内采用刚性悬挂接触网，随着地铁向快速、大编组方向发展，对导线的强度、耐磨性等提出更高要求。根据现场观测和运营工区的统计数据，从磨损分布和磨损形貌两方面，总结某地铁线路刚性悬挂接触网的磨损特征，研究载流磨损的机械磨损和电气磨损机理，设计并实施弓网动态测试，分析刚性悬挂接触线磨损特征形成的原因，得出接触线磨损是网流、弓网接触力和燃弧综合作用的结果的结论。

刚性悬挂；载流磨损；S4300冷场发射扫描显微镜；能谱分析；波浪磨损

为节约隧道净空，我国多条地铁地下隧道内均采用刚性悬挂接触网。地铁车辆通过受电弓滑板（简称滑板）与接触线之间的滑动接触将电能从接触网传输至车内，接触网系统的运行质量直接影响地铁线路的安全运营。随着地铁向快速、大编组方向发展，对滑板与接触线的导电性、强度和耐磨性等提出了更高的要求。接触线一方面要保证良好的电导率，以减小电流在传导过程中产生的热损耗和电压降；另一方面要有较高的强度、耐磨、耐腐蚀性能，以延长接触线的使用寿命[1]。针对某条运营地铁线路刚性悬挂接触线的磨损分布特征和形貌特征，设计并开展弓网动态试验，研究接触线摩擦磨损特征形成的主要原因。

1 接触线磨损特征

接触网采用架空“П”形刚性悬挂，为增大受流截面积和载流量、提高耐磨性能，接触线采用CTA150预磨耗型铜银接触线，其断面尺寸及材料性能参数见图1。地铁车辆受电弓采用浸金属碳滑板。

1.1 磨损分布特征

通过现场观测以及运营工区的统计数据，发现接触线磨损具有以下特征：

特征1：区间磨损程度主要与最高运行速度相关，并且随着高速区段距离的增大磨损范围增大。

特征2：磨损较轻区段主要集中在非加速区段，该区段接触线磨损程度基本一致，磨耗表面光亮平整（见图2（a））。

特征3：磨损严重区段主要集中在出站加速区段，且普遍呈现连续周期波浪状磨损（简称波磨）形态（见图2（b））。

图1 CTA150接触线断面尺寸

1.2 磨损形貌特征

根据磨损分布特征分析，接触线磨损包括磨损程度较轻的光亮平整磨损形态（见图2（a））和磨损程度较重的波磨形态（见图2（b）），但波磨形貌上又由磨损较严重的暗带和磨损较轻的亮带交替组成。因此，可以将接触线磨损形貌主要分为3类：磨损程度较轻的光亮平整磨损形态、波磨磨损较严重的暗带和波磨磨损较轻的亮带。

图2 典型区间接触线磨损

为进一步研究3类接触线磨损的形貌特征，从非加速段轻微磨损接触线截取小段（编号A段），从加速区段波磨接触线分别截取磨损较轻的亮带（编号B段）和磨损严重的暗带（编号C段）作为分析样本（见图3）。将3段样本送至钢铁研究总院中心实验室，在S4300冷场发射扫描显微镜上进行高倍数放大观察，并用配套的EDAX Genesis6.0能谱仪进行元素种类和含量的分析。

图3 样本磨损表面

图4 为3段样本在S4300冷场发射扫描显微镜下观察到的放大图像，进一步分析如下：

（1）A段样本表面为大量的纵向相互平行的犁沟痕迹和表面条带状剥离，犁沟内外元素种类及含量相同，属于机械划痕[2]。

（2）B段样本表面同A段类似，以纵向相互平行的犁沟痕迹为主，并零散存在着直径大小不一的黑白小坑，黑色小坑直径均大于白色小坑。白色小坑（如框选1）坑内外元素种类及含量相同，属于机械剥离。黑色小坑（如框选2）坑内存在黑色颗粒物质，组成元素中除碳（C）之外还有氧（O）元素，并且氧（O）元素含量远高于铜银接触线中氧（O）元素含量，该颗粒物为氧化物，说明坑内出现氧化现象，结合弓网工作环境可进一步推断为高温氧化[2]。B段样本黑色小坑内物质能谱分析结果见图5。

图4 3段样本磨损形貌特征

图5 B段样本黑色小坑内物质能谱分析结果

（3）C段样本表面未发现类似于A段和B段的大量犁沟痕迹，但包含大量并成片的白色坑，坑内存在大量白色圆形粒状物质，而坑的边缘为黑色。发现坑内圆形粒状物包含元素碳（C）、锡（Sn）和铜（Cu）3种元素，其中铜（Cu）元素含量接近铜银接触线中铜（Cu）元素含量，白色圆形颗粒状物推断为铜银合金高温熔融后重新凝固形成；坑外黑色物质与B段样本坑内物质元素种类及含量相当，同样推断为高温氧化[3-4]。C段样本白色坑内物质能谱分析结果见图6，C段样本坑外物质能谱分析结果见图7。

图6 C段样本白色坑内物质能谱分析结果

图7 C段样本坑外物质能谱分析结果

2 载流磨损机理

弓网系统的摩擦磨损是在复杂大气环境作用下的多场（复杂应力场—电场—热场等）耦合作用的极端工况摩擦学问题。参考相关研究成果，弓网载流滑动磨损包括机械磨损和电气磨损。

2.1 机械磨损

机械磨损主要分为磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损。

（1）磨粒磨损，在摩擦磨损初期，接触表面的硬微凸体相互啮合，在接触压力和摩擦剪切力作用下，硬质的微凸物从材料表面脱落，成为摩擦的第三相，对材料表面进行微观切削，表面上切削出较深沟槽。磨粒磨损与磨粒的硬度、形状、数量和法向载荷有关[5-6]。

（2）黏着磨损，是两种材料表面之间的固体焊合或局部由于黏着效应所形成的黏着节点发生剪切断裂，即一个表面上的磨屑永久或暂时地黏着在另一个表面上的过程。Rsbinowicz认为，当两表面相对滑动并且接触面的压力较高造成局部塑形形变时，就会发生黏着。黏着磨损与材料硬度有关[7-8]。

（3）疲劳磨损，是两个相互滑动的摩擦表面，在循环变化的接触应力作用下，由于材料疲劳剥落而形成的凹坑。一般来说，表面疲劳磨损不可避免，疲劳磨损是在循环载荷作用下的表面失效的一种形式，其主要的过程可以概括为表面裂纹萌生、扩展以及断裂。其典型表面特征为电蚀和剥落。疲劳磨损与材料硬度和摩擦表面摩擦系数有关[8]。

2.2 电气磨损

受电弓滑板与接触线构成了机械与电气耦合的特殊摩擦副，在滑动摩擦过程中电流通过载流接触面传递至车厢牵引单元。相关研究表明：载流作用下，弓网电气磨损包括弓网间导电斑点高温引起的材料表面氧化烧蚀和离线燃弧引起的高温熔融烧蚀[7-8]。

载流滑动过程中，电流通过弓网导电斑点间的收缩电阻后产生焦耳热，其瞬时温度高达250～600 ℃，高温会导致材料表面氧化烧蚀，产生凹坑；同时，当弓网接触点间出现分离时，在电场等作用下接触面的空气间隙会被击穿并形成等离子体即电弧，放出大量的热量，最高能够形成6 000 ℃的高温，远高于接触线熔点，造成接触线材料高温熔融侵蚀[9-10]。

2.3 影响因素

综合以上分析，在接触线和受电弓滑板材料一定的前提下，机械磨损主要受接触材料的硬度和弓网接触力影响，弓网接触力越大，且接触线材料硬度越低，则接触线磨损加剧，反之减轻[6，8]。而接触线硬度的变化直接受温度影响，随着温度的升高，接触线硬度不断下降。接触线温度升高的热源主要有电弧热流和接触电阻引起的焦耳热[10]，二者基本又与弓网接触力和电流密切相关。

在接触线和受电弓滑板材料一定的前提下，电气磨损主要与弓网接触状态即有效接触面积及流过接触点的电流有关[3，9]，而弓网接触状态又主要受弓网接触力影响[9]。

综上所述，接触线载流磨损主要受弓网接触力、网流和弓网燃弧影响。

3 动态试验

3.1 试验装置

试验装置采用中国铁道科学研究院自主研制的弓网动态参数检测系统，系统安装在线路运行车辆受电弓上，系统组成及各项测量指标见图8。

图8 接触网检测系统组成及各项测量指标

3.2 试验工况

车辆为空载运行（AW0）工况，受电弓静态抬升力为100 N，车辆不停车并以50 km/h匀速通过车站，区间运行方式为列车自动运行（ATO）。

3.3 试验结果与分析

3个典型区间及磨损分布统计见表1。3个典型区间的网流（单弓）、弓网接触力、燃弧、速度行程曲线见图9。

3.3.1 网流分析

电流是列车运动的能量源，因此弓网间流过的电流（简称网流）是表征列车运行工况的直接物理量。分析发现，网流与车辆运行速度存在显著对应关系，出站加速阶段网流激增并持续处于高位状态（如区间2和区间3持续处于1 500 A以上高位）；而非加速阶段处除个别因零星瞬时加速引起的短时小幅值电流外，其余位置网流均处于低位（均小于40 A）。因此，网流具有突发性增长的特点，且主要分布在区间出站加速区段。

表1 3个典型区间及磨损分布统计表

根据网流与车辆运行速度存在显著对应关系，将区间划分为加速区段和非加速区段，其中加速区段为网流持续增大的区段，非加速区段是网流连续下降或连续保持较低值的区段。3个区间加速区段和非加速区段的划分见图9。

图9 3个典型区间的网流（单弓）、弓网接触力、燃弧、速度行程曲线

分析发现，区间3站间距最大，并且最高速度最高，相应加速区段最长，达到0.484 km，网流峰值达到最大的1 774 A；区间1尽管站间距较区间2长，但区间1的最高运行速度低，加速区间长度仅为25 m，网流峰值也只有745 A；区间2与区间3相比，网流峰值相当，但区间2较区间3的区间距离更短，故区间2的加速区段距离较区间3更短，大网流持续的距离也相对更短。经比较，区间1与区间3加速区段距离分别与各自区间的接触线波磨长度基本一致。

3.3.2 弓网接触力分析

弓网接触力是反映受电弓滑板与接触线之间机械作用关系的物理量。弓网接触力过大会加剧滑板与接触线磨耗，过小则会造成弓网间接触不良，引起接触电阻增大、接触点过热，甚至造成弓网间燃弧[4，9]。对图9中3个区间以及加速区段和非加速区段弓网接触力进行统计，统计结果见图10。

分析发现，弓网接触力的波动与速度关系较大，随着速度的增加弓网接触力波动不断加剧，其波动显著区段与高速区段基本一致，涵盖了加速区段和非加速区段，并且加速段高速部分与非加速段高速部分的弓网接触力波动程度相当。

3.3.3 弓网燃弧分析

弓网燃弧是在弓网之间出现离线并且滑板与接触线之间存在电压差时的一种空气击穿并形成高能等离子体现象[11]。弓网燃弧能量受接触面接触状态、传输能量及持续时间影响。其中接触状态主要与弓网接触力有关，传输能量主要与网流有关[12-13]。

图10 弓网接触力统计结果

分析发现，区间1由于运行速度低并且网流在整个区间均处在较低水平，故区间1未出现燃弧。区间2仅在加速区段出现燃弧，并且燃弧主要集中在加速区段的加速开始阶段和完成加速阶段两部分，开始加速阶段尽管车速低、弓网接触力稳定，但网流迅速激增到1 674 A，弓网能量传输密度迅速增大，故引起燃弧，在完成加速阶段，尽管电流已下降至低于1 500 A，但速度增加后引起弓网接触力剧烈波动，故引起弓网燃弧。区间3在加速区段和加速后的非加速区段均出现了弓网燃弧，在加速区段燃弧呈逐渐增大的趋势，与区间2加速区段相比其加速区段距离长，速度增速慢，故开始燃弧位置较为滞后，之后网流持续处于高位，速度不断增加，燃弧出现频次增加；加速后的非加速区段距离相对较长，运行过程出现多次瞬时加速操作，但整体网流处于低位，但由于速度已处于高位，弓网接触力波动严重，故引起燃弧。

3.3.4 磨损分布特征形成原因分析

区间1代表的是低速运行的一类区间，该类区间最高运行速度低，其牵引电流更小、弓网接触力更稳定，弓网之间通常无燃弧出现。该类区间主要以机械磨损为主，并且由于网流较小，弓网接触电阻引起的焦耳热效应较弱，使得机械磨损较其他高速区间也更弱。因此，低速区间接触线磨损较轻，高速区间接触线相对磨损更严重。

区间2和区间3代表的是高速运行的区间。由于区间最高运行速度高，列车加速区段距离更长，网流更大，并且弓网接触力波动更加剧烈，增大的电流和剧烈波动的弓网接触力又进一步引起燃弧，造成接触线的机械磨损和电气磨损同时加剧。而在非加速区段，即使在结束加速后列车仍需保持较高速的非加速区段，该区段弓网接触力波动剧烈（如区间3），但网流除零星瞬时加速外，基本保持在较低水准，并且该区段出现的燃弧，由于网流较小，燃弧能量也远小于加速区段燃弧能量，故非加速区段接触线磨损相对加速区段更弱。因此，磨损严重区段主要分布在出站加速区段，非加速区段磨损较轻。

3.3.5 磨损形貌特征形成原因分析

由载流磨损机理可知，无论弓网接触力有多大，摩擦副表面凸体间仍零星分布着空气间隙[6-7]。

在非加速区段，由于网流持续处于低位，弓网间能量传输密度较低，并且弓网接触力相对稳定，弓网间有效接触的导电斑点已能完成当前能量传输，接触表面不会形成燃弧，因此接触表面无高温烧蚀点。同时，由于弓网间流过电流较小，接触电阻引起的导电斑点焦耳热量较低[12，14]。因此，接触表面磨损以机械磨耗为主，无燃弧烧蚀或高温氧化斑点，同A段样本磨损形貌特征一致。

在加速段，网流迅速激增，弓网间能量传输密度迅速增大，此阶段弓网接触力波动逐渐加剧，当接触力较大时，弓网间有效接触面积增大，但由于能量传输密度过大，有效接触面仍无法满足弓网间能量传输，故在接触表面凸体间未能有效接触点的空气间隙间形成燃弧以传递剩余电能。但因传递能量较低，故该燃弧能量较低，因此接触面上会出现零星分布的烧蚀坑[8，12]，同B段样本表面的黑色小坑。此时由于弓网间流过电流较大，弓网接触电阻产生的焦耳热效应显著，使得接触线温度升高，接触线材料硬度下降，造成机械磨损加剧，在周期反复摩擦作用下出现零星疲劳剥离坑[6-7]，同B段样本的白色小坑一致。因此，加速区段弓网接触力较大时的接触线磨损形态是以机械磨损为主，以零星分布的疲劳剥离坑和轻微电弧烧蚀坑为辅的磨损形态，同B段样本的磨损形貌一致。当弓网接触力较小时，弓网间有效接触面积减小，摩擦副表面凸体间将出现大量无效接触点，但弓网间能量传输密度仍处于高位，因此，摩擦副表面将形成大量燃弧，以实现弓网间电能传输。此时，由于传递能量高，单个燃弧的能量也较高，故接触表面将出现大面积烧蚀坑[3，4，6，8]；同时，由于弓网接触力减小，机械磨损相对减弱，因此，加速区段弓网接触力较小时的接触线磨损形态是以燃弧烧蚀为主的电气磨损的磨损形貌，同C段样本的磨损形貌一致。

4 结束语

由于地铁车辆牵引功率大、牵引区段集中，造成出站阶段牵引电流持续高位，弓网间焦耳热效应显著，弓网接触线温度较高，接触线机械磨损加剧；并且由于刚性悬挂弹性性能较差，随着车速的增加，弓网间接触状态不断恶化，在高位牵引电流状态下更加容易引起燃弧，燃弧高温效应又进一步加剧接触线机械磨损和电气磨损。故刚性悬挂接触线磨损是网流、弓网接触力和弓网燃弧综合作用的结果，接触线波浪磨损严重区段主要分布在出站加速区段，且接触线磨损形态特征主要表现为亮暗带连续交替的周期分布。

由于刚性悬挂接触线波浪磨损的亮带与暗带之间磨损量存在差异，故接触线平顺度将会下降，并成为受电弓新的激振源，恶化弓网关系。建议运营单位紧密观察波磨发展规律，必要时对波磨严重区段进行打磨处理。

刚性悬挂接触线磨损的产生、发展及影响是一个复杂系统的过程，其研究依赖大量的现场及实验数据。进行了刚性悬挂接触线磨损特征的初步分析及其形成原因的初步锁定。未来通过大量搜集现场数据，在进一步明确接触线磨损特征的基础上，研究波浪磨损的产生和发展规律，为新线优化设计及现场养护维修提供有效参考依据。

[1]KIE BLING, PUSCHMANN, SCHMIEDER．电气化铁道接触网[M].北京：中国电力出版社, 2004.

[2]翟文杰，齐毓霖. 干摩擦下金属表面膜及其磨粒对摩擦行为及自生电势的影响[J]. 摩擦学学报，2001，21(1)：70-72.

[3]郭凤仪，任志玲，马同立，等. 滑动电接触磨损过程变化的实验研究[J]. 电工技术学报，2010，25(10)：24-29.

[4]姜国强. 弓网滑动电接触摩擦磨损行为研究[D]. 阜新：辽宁工程技术大学, 2010.

[5]MATSUYAMA. Electric contact tribological behavior of pantograph[J]. Toyo Denki Review，1995，91：52-60.

[6]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.

[7]杨红娟. 振动对弓网电滑动摩擦磨损性能影响的试验研究[D]. 成都：西南交通大学, 2014.

[8]章赛丹，陈光雄，杨红娟. 接触压力对碳滑板/铜接触线载流摩擦磨损性能的影响[J]. 润滑与密封, 2012(9)：41-45.

[9]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.

[10]戴利民，林吉忠，丁新华. 滑板材料受流摩擦时接触点瞬态温升对磨损性能的影响[J]．中国铁道科学，2002，23(2)：111-117.

[11]丁涛，陈光雄，卜俊，等. 载流摩擦磨损中不同放电现象的机理研究[J]. 中国铁道科学, 2009，30(5)：83-87.

[12]丁涛. 电气化铁路受电弓/接触线摩擦磨损性能及电特性研究[D]．成都：西南交通大学, 2011.

[13]刘宝轩，陈唐龙，于龙，等. 地铁弓网燃弧能量检测与牵引电流扰动分析[J]．铁道学报，2015(3)：8-13.

[14]戴利民，林吉忠，刘越，等．受电弓滑板受流摩擦中体温升的模拟计算分析[J]．铁道学报,2002，24(5)：56-61.

Analysis of Current Carrying Wear at Rigid-Suspension Contact Wire

SHENG Liang，ZHANG Wenxuan，WANG Haiying，LI Xiangdong，YANG Zhipeng，LIU Chunhao
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

A growing number of metro systems choose rigid suspension for contact wire to reserve more clearance space in metro tunnel. However, thanks to the latest trend of speed increase and large formation,the contact wire faces the higher requirement for strength and abrasive resistance. The paper looks into the statistics collected directly from site and from operation section, and identifies the wear features of rigidsuspension contact wire from two perspectives – wear distribution and wear appearance. On this basis, it studies the mechanical and the electrified mechanisms for current carrying wear and designs and conducts dynamic inspection on the pantograph and the wire. The cause analysis leads to the conclusions that wire current,pantograph-contact wire interaction and arcing jointly result in the wear.

rigid suspension；current carrying wear；S4300 Cold Field Emission Scanning Electron Microscope；power spectrum analysis；wave wear

U225.6

A

1001-683X（2017）10-0021-07

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.021

中国铁道科学研究院科技研究开发计划项目（2015YJ093）

盛良（1986—），男，助理研究员。E-mail：shengliang@rails.cn

责任编辑 杨晓莉

2017-08-07