高速列车受电弓滑板与接触网载流摩擦磨损研究

王茹玉 仲佳龙 邓一凡 张克勤

【摘 要】高速列车由很多系统组成的，其中弓网系统主要是为电力机车供电，受电弓滑板是电力机车与牵引网之间重要的连接元件，滑板位于受电弓的最上部，可以与接触网的导线直接接触。受电弓滑板与接触线上的硬点摩擦磨损会产生冲击，造成瞬间离线拉弧现象。这种现象可以使接触点产生3000摄氏度的高温，会导致接触点软化消耗，出现严重的电烧蚀现象会导致受电弓滑板摩擦系数增大、质量下降，滑板的磨损程度加剧。从而缩短实用寿命，影响行车和设备安全，本文研究在不同材质的受电弓滑板和不同型号的接触线相组合，进行摩擦磨损的实验探究找出改良方法，以便于提高弓网的使用寿命。

【关键词】受电弓滑板，接触网，载流摩擦，磨损

一、研究的目的和意义

高速铁路里有很多系统，本文研究的主要是弓网系统，它主要的构成元件就是接触网与受电弓。高速列车良好取流的根本原因之一是一个可靠的接触网-受电弓系统。弓网系统里电力机车的集电元件是受电弓滑板，它安装在与接触网导线直接接触的位置。受电弓滑板从接触导线上可以得到100-1000A的电流，为机车供电的元件是受电弓滑板。接触网的重要的组成部分是接触线，电力机车的电源是通过接触线和受电弓滑板之间摩擦获得的。

磨损是两者接触时因为摩擦而导致的，摩擦是一种能量转换过程其中包括物理和化學等一些复杂的混合现象。弓网系统摩擦中主要分为机械摩擦与电气摩擦两种。我们主要研究当供电时，在受电弓滑板与接触网载流摩擦时产生的磨损。原因主要是滑板在滑动中，从接触网导线上滑动时，由二者之间发生摩擦或冲击引应发的磨损。因此可以在其中找出弓网材料之间摩擦产生磨损最小的改良办法，从而提高弓网系统载流摩擦磨损所损耗的弓网使用寿命。

二、受电弓

1、受电弓结构

受电弓是从接触网上获取电能的设备，为高速列车供电。它的构造受电弓由滑板架、滑板架支架、组架、底座等部件组成，如图1所示。

受电弓滑架的功能就像“船”。滑板是安装在滑板架上部与悬挂接触线直接滑动的部件，属于比较容易产生磨损的消耗部件。设置在滑架和锁定滑架之间的缓冲部件是滑架支架，使得滑架能够正确地沿着接触线上下移动。滑板架支架由弹簧、减震器、上下导轨机构和水平方向作用的缓冲机构构成的。装配架为支撑滑板架，可使受电弓在与接触线紧密接触的同时形成大范围的运动，可以使受电弓降弓，还具有车辆与接触线保持绝缘。底座由架构、抬升装置、折叠机构、固定钩装置、油减震器等构成。提升装置一般利用弹簧的弹性力在组架基础部分的主轴上施加扭矩，或者使用气缸代替弹簧。油减震器主要是为了抑制受电弓在跨距中周期性的上下震动时产生的离线现象。

2、受电弓滑板

受电弓滑板安装在受电弓的最上面，如图2所示，是最直接与供电设备接触为高速列车供电。

国内的受电弓滑板材料：我国从第一条电气化铁路宝凤铁路段开通使用的是铜质导线，滑板在当时称为软钢滑板，两者接触对于导线的磨损较严重。后改用碳滑板，同样的碳滑板的机械强度弱、冲击韧性差，且在运行中会出现破裂、滑板折断、使用寿命较短，在下雨天或潮湿地区，摩擦力增加会出现弓网故障等问题。我国研究人员研制了粉末冶金滑板，这种滑板在国内广泛应用，后来我国电力机车也开始采用?金属碳滑板，这种滑板将金属滑板与纯碳滑板的优点集于一体，综合性能比较高，直至现在我国基本还是使用这种滑板。

特性：

（1）导电性：电源电路的一个重要组成部分是受电弓滑板，因此它需要高电导率。滑板与接触线的接触点容易产生焦耳热和滑板本身的焦耳热。列车停车时，接触点因带电状态而发热，接触阻抗过大，接触点发热使接触线温度上升。

（2）机械强度：滑板向上的接触力和接触线滑动产生的摩擦力都会起作用，在这里以周期变化的是力，同时变化周期短、振幅大容易形成对滑板的冲击力。

（3）耐磨损性：碳滑板是碳做的，大家学习过程中都对谈碳一定的了解，它的微观结构是一层一层的，当受电弓与接触网摩擦时，受损严重的是碳滑板，接触网产生磨损可以忽略不计。就是这样微量的磨损长时间积累起来也是很严重的，所以非常长的一段时间后需要供电段的工作人员对接触线进行更换，但由于动车组的碳滑板属于磨耗品，所以需要常常更换，以免影响行车。

三、接触网

1、接触网结构

电气化铁道中主要供电装置之一是接触网，它是以一种特殊形式的输电线路，向电力机车供电，它可以分为架空和接触轨两种方式，由于接触轨方式不适应于高速行车，所以我们主要研究架空方式的接触网。接触网的构成的几个部分：支持装置、定位装置、接触悬挂支柱与基础，如图3所示。

基本要求：

（1）高速铁路对接触网的电气要求

对于接触网系统载流量的限制就是衡量电气化铁路性能的重要标准，它与一般的电力架空配电线来比会相对较频繁，因此，出现的一个决定因素就是短路载流量。

不论在任何的运输系统中，在任何工作环境下接触网网络电压需要保持在额定范围内，同时在允许的范围内可以有一定的电压损耗。将接触网设备分为独立的供电臂主要是为了使较为频繁发生的故障对于铁路运行的的影响降到最低。一些必要的保障措施是避免工作人员触电，需要选取绝缘材料和考虑空气绝缘间隙来满足绝缘的要求。要减少公共电网的问题，例如不良影响谐波、不对称等问题。

（2）高速铁路对接触网的机械要求

接触网设备的主要机械，要求接触网部件所需要的机械强度较高，像绞线、线索和其他部件。接触线的部件所受到的力需要在允许范围内。为了减小摩擦磨损，受电弓滑板和接触线匹配，使线间、升降弓的摩擦磨损减少。横向偏移于线路中心线是接触线的位置，接触线偏离受电弓滑板中心的距离是定位点，称为拉出值。作用于接触网上的机械荷载是由支柱和基础承担的，机械荷载通过支柱和基础承担传入大地。不会影响供电问题的是支柱弯曲或者发生的共振。

（3）高速铁路对接触网的环境要求

在一定的温度范围内的工作环境可以保证接触网正常工作，接触网设备自身的损坏在极端天气的风荷载情况下是不会造成，冬天是接触网设备可能会发生覆冰载荷，这个也要多加考虑。部件使用寿命和电气性能指标需要提前确定预计好，还需要考虑到一些外在天变化的因素。

2、弓网系统

弓网系统是由受电弓与接触网组成的电力系统，用来提供电能高速列车的电能，也可以控制车列的走行和停车。高速铁路的受电是通过接触网和受电弓紧密接触而实现的，售电是否正常取决于弓网系统的技术状态。一个工作可靠的弓网系统是确保高速动车良好取流的根本条件。

在高速运行下，弓网系统对于受电产生的影响，摩擦方面主要表现在受电弓滑板与接触导线间的接触压力，在受电弓滑板与接触导线相互接触时，受电弓对接处导线有一个抬升力，可以使导线产生抬升量，两者不接触时，接触导线由于自身重力产生一个下垂力进而产生下垂量，静态的时候抬升力就等于接触压力，当列车高速运行时受电弓沿接触导线移动时受电弓的高度就开始迅速变化并且受电弓还受到了高速空气动力的作用。将会引起接触压力的变化，所引起的后果有出现电弧、使受电弓或接触线烧伤，压力变小时会造成受电弓离线，压力变大使接触导线过分升高，当然这些都会使受电弓滑板与接触导线的摩擦增大。

四、降低受电弓滑板与接触网载流磨损的措施

1、受电弓滑板的检修和降低受电弓滑板磨损的方法

受电弓滑板的检修：

（1）滑板有没有磨损和裂痕，如果有磨损和裂痕或者局部的磨损使剩余厚度为2mm-3mm时，我们就需要换掉受电弓滑板。（2）换掉受电弓滑板安装新的滑板时，滑板和弓角必须满足安装条件。（3）在车顶安装时，我们需要对集电头提前装配和调整。（4）在受电弓滑板的检修时，我们还要注意两个问题：集电头部分有没有损坏和弹簧盒的弹性是不是较为良好。

滑板的更换：

（1）滑板更换时必须两个为一组更换。（2）拆卸滑板上的连接螺母，卸下滑板测量滑板的厚度，如果有磨损和裂痕或者局部的磨损使剩余厚度为2mm-3mm时，受电弓滑板需要及时更换。（3）安装时滑板应对应好位置，调整螺栓的松紧，使其紧固力矩平衡，达到要求。

降低受电弓滑板磨损的方法：

（1）滑板的磨损形态：接触线上设置了偏移主要是为了防止受电弓滑板在同一个地方滑动摩擦然后磨损。受电弓滑板的磨损行磨损形态与接触线所设置的偏移位置相对应，这样所接触的地方摩擦磨损就会加大。

（2）外部润滑：金属系滑板可以防止黏附磨损这样可以有效的可以降低受电弓滑板与接触线的磨损。固体润滑剂和润滑脂对于防止黏附磨损的特别有效的方法。润滑脂从填充点起随着距离的延长这样润滑脂的着附量就会减少，如果从基地算起20km左右范围内都是有效的附着量。为了延长使用距离就用了更为有效的固体润滑剂，它是使用在烧结硬质合金滑板缝隙里的。

（3）降低磨损的方法：由于现在新型受电弓的研发和動作特性的提高还有削减受电弓的数量使受电的电流容量增加滑板的使用条件也会随之发生改变现在主要研发方向是提高自身润滑和耐电弧性当然，为了降低接触线的损磨滑板，多使用碳系滑板也会解决磨损问题。

2、接触网的检修和降低接触线黏附磨损的方法

接触网的检修：（1）停电检修：列车运行图要预留一定的时间，这段时间内不可以将运行中的轨道线路区间的接触网停电检修;（2）间接的带电检修：列车在运行的期间，我们检修的时候需要选在运行间隙用绝缘工具将接触线拉高，以免出现危险状况。绝缘子需要用处理过的水冲洗，再用测量仪测量出参数;（3）直接的带电检修：隧道、桥梁和其他路段以及绝缘子擦洗等维护工程中，不允许使用绝缘梯车带电作业。

降低接触线黏附磨损：

（1）两固体间通过膜接触避免直接接触

这种方法主要就是润滑。但是由于受电系统通过非导电性膜接触会影响导电性，所以不能完全采用润滑的方式。在一些低速区段设置了接触线自动涂抹润滑油的装置，这样可以有效降低接触线的磨损;反之，在高速区段设置这样的装置会增加接触线的磨损。所在干净的固体摩擦面直接接触也会产生较大的摩擦。

（2）使用硬质材料不使固体内部产生剪切

这样可以减少自身摩擦，但是在黏附比较强的时候也是有可能造成另外一种固体材料的损伤。受电系统也不能完全依靠于润滑，也不能依靠增加机械强度减少磨损。

（3）滑动部位材料的组合，应使用相互不易粘附的材料

这种方法对于不全部依靠润滑的受电系统很重要。同种固体材料比较容易产生黏附摩擦，再以往的设计中都会出现，在机械设计中“同质合金”的摩擦处需要回避使用同种金属。

3、降低弓网系统摩擦磨损的方法

（1）需要提高受电弓滑板材料的自润滑性和降低受电弓接触网的滑动摩擦系数。

（2）采用相互符合的受电弓接触网的材料。

（3）提高弓网工作面上的特性匹配

（4）减轻受电弓滑板的重量

参考文献：

[1]徐超、潘利科、杨才智等.400km/h高速列车受电弓滑板与接触线载流摩擦磨损研究.[J].2018，1007-963X（Z）：29-30.

[2]熊贤至.不同炭质受电弓滑板材料的载流磨损及抗磨抑弧机理研究. [D].湖南大学.2014.

[3]付文明.电流对滑板-接触线载流滑动摩擦磨损性能影响的研究. [D].西南交通大学.2017.

[4]丁涛、陈光雄、李玉梅等.几种受电弓滑板-接触线材料载流摩擦磨损行为的比较. [J].润滑和密封，2014，39（10）：65-72.

[5]陈伟.离线距离对弓网电弧特性及滑板载流摩擦磨损性能的影响.[D].西南交通大学.2015.

（作者单位：西安交通工程学院）