高速列车弓网载流磨损匹配性研究*

2022-11-11徐超

铁道机车车辆 2022年5期

徐超

（中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所，北京 100081）

高速列车作为重要的交通运输工具，具有运量大、能耗小、成本相对较低等优点，在促进人流的快速转移等方面具有重要作用。列车速度越高，其在节省旅途时间的同时，更能提高工作效率，对经济发展具有很好的促进作用［1-4］。

高速列车主要通过受电弓滑板和接触网导线的滑动摩擦受流取电，因此弓网关系是高速列车能够运行的重要技术，开展更高速度弓网关系的研究是列车再提速的前提。目前国内外的列车运行速度均在350 km/h以下，对400 km/h及以上高速列车的研究报道很少，高速下弓网关系的匹配性研究还缺少相关理论和数据支撑［5-10］。

文中基于我国的500 km/h高速弓网关系试验台，开展速度400、450、500 km/h下不同型号接触线与不同受电弓滑板的载流磨损匹配性试验，研究不同速度下的弓网摩擦副的载流磨损匹配性，为更高速度列车的运行提供技术支撑和理论指导。

1 试验

1.1 试验设备

高速弓网载流磨损匹配性研究在我国的500 km/h高速弓网关系试验台上进行，试验设备如图1所示。

图1 高速弓网关系试验台

1.2 试验材料和试验参数

试验材料选型依据我国现有的接触线和受电弓滑板的相关标准TB/T 2809—2017《电气化铁路用铜及铜合金接触线》、TJ/CL 328—2014《动车组碳滑板暂行技术条件》等的要求，并参考我国现有350 km/h高速列车的接触线和滑板型号以及服役现状，分别选用CTS150和CTMH150这2种型号的接触线，对磨材料则选用纯碳滑板和浸金属碳滑板2种型号。

弓网匹配性载流磨损试验的弓网接触压力和电流等试验参数根据我国高速列车的服役工况以及经验公式进行计算，弓网载流磨损试验参数见表1。

表1 弓网载流磨损试验参数

1.3 试验过程及方法

试验过程包括试验前测量—试验—试验后测量等过程。具体试验方法如下：

弓网载流磨损试验前需要首先测量试验用接触线和滑板的质量，然后将试验用的接触线、滑板根据表1中的试验参数安装到高速弓网关系试验台上，启动高速弓网关系试验台，监控相关试验参数，开始试验。试验完成后，拆卸试样，按试验前的方法测量接触线的磨后直径、滑板的磨后质量，计算磨耗速率。

文中试验数据测量采用静态测量方法，试验中通过如下参数表征接触线和滑板的载流磨损性能：接触线面积实测磨耗比（mm2/万弓架次），滑板质量实测磨耗比（g/万机车公里）。这些参数通过式（1）、式（2）计算得出：

式中：Wzl为滑板重量实测磨耗比，g/万机车公里；Wjcx为接触线面积实测磨耗比，mm2/万弓架次；mcs为滑板初始质量，g；mmh为滑板磨耗后质量，g；Ljc为机车里程，万机车公里；Axcs为接触线初始截面积，mm2；Axmh为接触线磨耗后截面积，mm2；nsdg为受电弓通过接触线次数，万弓架次。

试验过程中，为了比对不同参数对载流磨损的影响，本次试验将400 km/h下CTS150接触线和纯碳滑板的载流磨损试验实测数据作为基准，其他参数下的实测磨耗比与此试验数据的比值作为相对磨耗比（%）进行对比，后续所述的磨耗比均为相对磨耗比。

2 试验结果与分析

CTS150、CTMH150铜合金接触线与纯碳滑板和浸金属碳滑板是目前常用的弓网摩擦副。随着列车速度的逐渐提高，接触线和滑板单位时间内的磨耗量增加，弓网之间的动态作用力、温升等均会发生变化，其磨耗比也随之变化。不同列车运行速度下，选用合适的匹配摩擦副材料对降低运维成本、保证列车运行可靠性具有重要作用。文中分别通过试验对比研究了速度400、450、500 km/h下接触线和受电弓滑板的载流磨损匹配性能。

2.1 400 km/h速度匹配性

在400 km/h下CTS150、CTMH150铜合金接触线与纯碳滑板和浸金属碳滑板的相对磨耗比如图2所示。

分析CTS150接触线与受电弓滑板的载流磨损匹配性，从图2中可以看出，在400 km/h速度下，CTS150接触线与滑板进行载流磨损过程中，无论接触线面积磨耗比，还是滑板质量磨耗比，其基本都是先在500万机车公里时达到最大值，后续载流磨损基本趋于稳定或平缓下降状态，说明500万机车公里时载流磨耗的1个磨耗状态的临界点。

图2 400 km/h接触线和滑板的磨耗比

同时对比发现，CTS150接触线与纯碳滑板和浸金属碳滑板的稳定后的磨耗比表现出相反的磨耗规律。载流磨耗3 000万机车公里稳定后，CTS150与浸金属碳滑板匹配时的接触线面积磨耗比是与纯碳滑板磨耗时的35%，而CTS150与浸金属碳滑板匹配时的滑板质量磨耗比则是与纯碳滑板磨耗时的约5倍。从单纯的磨耗数据中，不易判断CTS150接触线与纯碳滑板、浸金属碳滑板哪种匹配性更好；但是考虑到实际服役过程中，接触线的使用年限一般为30年，一旦接触线安装好后30年内基本不需要更换，并且其更换带来的成本更高；而滑板一般几个月可以更换一次，并且更换方便。因此，CTS150接触线的匹配滑板要从运维成本以及试验数据综合考虑。

此外，对比CTMH150接触线与受电弓滑板的载流磨损匹配性发现，400 km/h速度下CTMH150接触线与浸金属碳滑板匹配时，其接触线面积磨耗比随着磨耗机车公里呈现逐渐增加的趋势，而滑板质量磨耗比则是同样在500万机车公里时出现最大值，随后逐渐降低。CTMH150接触线与纯碳滑板匹配时，其接触线面积磨耗比和滑板质量磨耗比均是在500万机车公里时出现最大值，此后随着磨耗机车公里逐渐降低或趋于稳定状态。

对比发现，400 km/h速度下载流磨耗3 000万机车公里后，CTMH150接触线与纯碳滑板和浸金属碳滑板的磨耗比则表现出相近的磨耗规律，即CTMH150接触线与纯碳滑板匹配时的接触线和滑板磨耗比均小于其与浸金属碳滑板匹配时的磨耗比。从图2中可以看出，载流磨耗3 000万机车公里后，CTMH150接触线与纯碳滑板匹配时的接触线面积磨耗比为与浸金属碳滑板匹配时的69%，而滑板质量磨耗比则为23%。说明400 km/h速度下CTMH150接触线与纯碳滑板具有更好的匹配性。

分析4种匹配工况下的滑板质量磨耗比，发现无论哪种接触线与浸金属碳滑板匹配时，其滑板重量磨耗比均明显高于与纯碳滑板匹配时的磨耗。

2.2 450 km/h速度匹配性

在450 km/h下，CTS150、CTMH150铜合金接触线与纯碳滑板和浸金属碳滑板4种匹配工况下的载流磨损性能如图3所示。

图3 450 km/h接触线和滑板的磨耗比

450 km/h下，CTS150接触线与受电弓滑板的载流磨损匹配性，发现接触线面积磨耗比和滑板质量磨耗比大部分均是随着磨耗机车公里先增加至最高值，然后逐渐趋于稳定或缓慢降低，其中滑板质量磨耗比的临界点为500万机车公里，而接触线面积磨耗比的临界点则在500万～1 000万机车公里之间。分析发现，CTS150接触线与浸金属碳滑板的接触线面积磨耗比是随着磨耗机车公里逐渐增加的。

针对CTS150接触线，在载流磨耗3 000万机车公里并趋于稳定时，其与纯碳滑板匹配时的接触线面积磨耗比为与浸金属碳滑板匹配时的34%，而滑板质量磨耗比则为与浸金属碳滑板匹配时的15%，说明CTS150接触线与纯碳滑板匹配时具有较好载流磨损性能。

而CTMH150接触线在载流磨耗3 000万机车公里后，其与纯碳滑板匹配时的接触线面积磨耗比、滑板质量磨耗比分别为与浸金属碳滑板匹配时的55%和10%。

450 km/h下，无论CTS150还是CTMH150接触线，其与纯碳滑板匹配时均具有较低的接触线面积磨耗比和滑板质量磨耗比，说明纯碳滑板在450 km/h下具有较好载流磨损匹配性，而CTS150接触线具有更低的接触线磨耗量。

2.3 500 km/h速度匹配性

在500 km/h下，CTS150、CTMH150铜合金接触线分别与纯碳滑板和浸金属碳滑板进行载流磨耗过程中的接触线面积磨耗比和滑板质量磨耗比如图4所示。500 km/h时接触线磨耗比和滑板磨耗比随载流磨耗公里增加表现出不同变化规律。

图4 500 km/h接触线和滑板的磨耗比

500 km/h时接触线面积磨耗比的总体趋势均是随着磨耗公里逐渐增加，而接触线与纯碳滑板对磨时的滑板质量磨耗比则是先升高至最高点后再逐渐降低，500万机车公里是其临界点；接触线与浸金属碳滑板的滑板质量磨耗比的总体趋势是逐渐增加。其中，CTS150接触线与浸金属碳滑板载流磨耗过程中在2 000万机车公里时出现一个低值，随后总体逐渐升高。

同时对比发现，载流磨耗3 000万机车公里后，CTS150和CTMH150与纯碳滑板匹配时的接触线和滑板磨耗比均低于其与浸金属匹配时的磨耗比。其中，CTS150与纯碳滑板对磨时的接触线面积磨耗比、滑板质量磨耗比分别为与浸金属碳滑板的21%和11%；而CTMH150接触线与纯碳滑板对磨时的接触线面积磨耗比、滑板质量磨耗比则分别为与浸金属碳滑板的24%和14%。发现CTS150接触线与纯碳滑板匹配时具有更低的接触线面积磨耗比和滑板质量磨耗比。