電接觸摩擦磨損受流效率的實(shí)驗(yàn)研究

電接觸摩擦磨損受流效率的實(shí)驗(yàn)研究

1弓網(wǎng)滑動(dòng)電接觸分類研究目前，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家主要研究了電流、速度和壓力對(duì)弓網(wǎng)系統(tǒng)摩擦磨損性能和接觸阻力的影響，以及距離、能量和磨損量之間的關(guān)系。關(guān)于電壓流效率的研究很少，尤其是定量流量分析的影響因素。目前，國(guó)外對(duì)流量效率的研究較少，主要集中在流量損失和接觸網(wǎng)系統(tǒng)之間的相互作用上，提高了接觸網(wǎng)的特性，建立了拱網(wǎng)系統(tǒng)模型，分析了流量的穩(wěn)定性。課題組近年來一直從事弓網(wǎng)滑動(dòng)電接觸相關(guān)研究,對(duì)磨損率、摩擦系數(shù)以及接觸電阻與接觸溫度等隨接觸壓力、滑動(dòng)速度和接觸電流的變化特性已有一定研究。在此基礎(chǔ)上本文以銅導(dǎo)線/浸金屬碳滑板摩擦副為研究對(duì)象,使用自行研制的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),模擬電力機(jī)車在弓網(wǎng)系統(tǒng)中的接觸導(dǎo)線和滑板之間的“之”字形運(yùn)動(dòng)軌跡,得出大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上研究分析受流效率的影響因素。在弓網(wǎng)系統(tǒng)中,高速機(jī)車通過受電弓從接觸網(wǎng)上取得電能,驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)運(yùn)行。受電弓弓頭的滑板與接觸線接觸,產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),通過滑板從接觸網(wǎng)上取下電流,輸送給電力機(jī)車的過程,稱為受流。列車實(shí)際運(yùn)行過程中,受電弓滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線容易發(fā)生離線,離線對(duì)電力機(jī)車牽引供電非常有害,影響機(jī)車的受流。弓網(wǎng)系統(tǒng)中滑板和接觸導(dǎo)線的接觸狀態(tài)直接影響電力機(jī)車能否正常運(yùn)行。本文主要通過滑板與接觸導(dǎo)線的摩擦磨損實(shí)驗(yàn),分析滑動(dòng)速度、接觸電流、接觸壓力對(duì)受流效率和滑板磨耗率的影響規(guī)律。本文研究的目的是通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)影響銅錫導(dǎo)線/浸銅碳滑板受流效率及其磨損特性的因素做出理論分析。2實(shí)驗(yàn)參數(shù)實(shí)驗(yàn)使用自行研制的高性能滑動(dòng)電接觸磨耗實(shí)驗(yàn)機(jī)如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)機(jī)的速度可調(diào)范圍大,可以模擬電力機(jī)車弓網(wǎng)系統(tǒng)中接觸導(dǎo)線和滑板之間的“之”字形運(yùn)動(dòng)軌跡,可實(shí)現(xiàn)接觸導(dǎo)線和滑板之間的運(yùn)行速度在0~350km/h之間任意調(diào)節(jié);導(dǎo)線與滑板之間的接觸壓力可在0~200N之間改變;加載的接觸電流最大能達(dá)到800A;在實(shí)驗(yàn)過程中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦系數(shù)、磨耗量、接觸電壓、實(shí)際接觸電流等參量的實(shí)時(shí)在線測(cè)量、儲(chǔ)存,以便于后期的數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)中使用截面積為120mm2的銅錫導(dǎo)線,滑板為浸銅碳滑板。實(shí)驗(yàn)中滑板的磨耗率是以滑板相對(duì)于接觸導(dǎo)線滑動(dòng)104km后所損失的質(zhì)量來表示的,單位為g/(104km),磨耗率取左右兩個(gè)滑板磨耗量的平均值。其中滑板的質(zhì)量損失通過LT1002電子天平稱量得到,其精度為0.01g。3實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與理論分析3.1動(dòng)態(tài)受流效率為了衡量動(dòng)態(tài)接觸電流偏離靜態(tài)給定電流的程度,引入受流效率,其計(jì)算公式為式中,Iav為動(dòng)態(tài)受流平均值;Is為靜態(tài)給定電流值;η為受流效率,其值越大表明受流效率越好。3.2弓網(wǎng)接觸電阻rc接觸電阻是電流通過導(dǎo)電斑點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生收縮效應(yīng)引起的金屬電阻增量(收縮電阻)與表面膜電阻之和,是表征弓網(wǎng)電接觸特性的參數(shù),對(duì)于弓網(wǎng)系統(tǒng)中點(diǎn)狀接觸的粗糙表面,每個(gè)導(dǎo)電斑點(diǎn)的接觸電阻可用下式計(jì)算:式中,Rc為單個(gè)導(dǎo)電斑點(diǎn)的接觸電阻;Rf為單個(gè)導(dǎo)電斑點(diǎn)的表面膜電阻;ρ1、ρ2分別為接觸線和滑板材料的電阻率;a為單個(gè)導(dǎo)電斑點(diǎn)的半徑。3.3速度對(duì)流量分布效率的影響和分析3.3.1速度對(duì)受流效率的計(jì)算本次研究首先試驗(yàn)了速度分別為50km/h、100km/h和150km/h時(shí),接觸壓力為20~120N,電流為100A、150A和250A的受流特性。得出速度對(duì)受流效率影響的曲線如圖2所示。由圖2(a)可知,在電流為100A時(shí),受流效率隨著速度的增加逐漸降低,隨壓力的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),且在速度較小(50km/h)的時(shí)候增大的幅度較大,隨速度的增加受流效率增大的變化率逐漸減小,曲線趨于平穩(wěn)。由圖2(b)、2(c)可以看到,速度為50km/h時(shí)受流效率隨電流增大呈明顯的上升趨勢(shì),當(dāng)速度增大后受流效率普遍降低。3.3.2接觸表面氧化酶原汁的電流傳導(dǎo)率和滑動(dòng)速度設(shè)定一方面,隨著速度的提高,慣性力增大,實(shí)際接觸壓力變化量增大,平均接觸電阻增大,電路中平均電流減小,導(dǎo)致受流效率變差。另一方面,速度進(jìn)一步增加時(shí),發(fā)生離線的概率增大,且速度越高,離線率越高,此時(shí)接觸表面氧化膜形成的速度加快,致密度增加,實(shí)際通過接觸表面的電流減少,因此接觸對(duì)的電流傳導(dǎo)率下降。同時(shí),在相同電流條件下,增加滑動(dòng)速度會(huì)加劇電流的波動(dòng),影響受流的穩(wěn)定性。還有,在大電流情況下,摩擦生熱和焦耳熱產(chǎn)生的熱量使滑動(dòng)接觸表面材料軟化,接觸點(diǎn)剪切抗力降低,更容易被剪斷,此時(shí)摩擦力變小,接觸點(diǎn)發(fā)生粘合,粘著磨損使得磨屑增加,接觸電阻開始上升,從而接觸點(diǎn)上流過的電流減小,因此受流效率變差,由圖2(b)、2(c)可以看出,當(dāng)速度由50km/h增大到150km/h時(shí),受流效率明顯下降。3.4影響和分析內(nèi)流效率的差異3.4.1電流對(duì)受流效率的影響由圖3(a)可知,在運(yùn)行速度較小(50km/h和100km/h)時(shí),隨著接觸力的增大,電路中給定電流越大,受流效率越高;而當(dāng)運(yùn)行速度增大后,電流對(duì)受流效率的影響減小,此時(shí)速度是主要影響因素,曲線趨于平緩。圖3(b)中,接觸力在30~80N之間時(shí),受流效率隨電流增大而減小,而接觸力在80~120N之間時(shí),受流效率隨電流增大而增大,但是總體上受流效率還是呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。可以看到,隨著速度從50km/h變大到150km/h,受流效率開始變差。3.4.2接觸壓力的影響當(dāng)接觸壓力較小時(shí),此時(shí)滑板與接觸導(dǎo)線之間容易發(fā)生離線,又由于導(dǎo)電斑點(diǎn)兩端會(huì)積累大量的電荷,從而會(huì)在離線的時(shí)刻產(chǎn)生火花放電和電弧放電,放電所產(chǎn)生的熱能集中加熱最后分離的導(dǎo)電斑點(diǎn),使其溫度迅速上升到材料沸點(diǎn)而引起爆炸式氣化,溫度升高使材料融化,因此受流效率變差,隨著電流的增大這種現(xiàn)象會(huì)越來越嚴(yán)重。而當(dāng)接觸壓力增大后,滑板與接觸導(dǎo)線的離線率降低,因此發(fā)生火花放電和電弧放電的幾率也降低,受流效率提高?？梢杂^察到,當(dāng)運(yùn)行速度提高時(shí),滑板與接觸導(dǎo)線之間發(fā)生離線,受流效率開始下降。在滑板和接觸線之間充滿高溫導(dǎo)電氣體的條件下,可能在10-3s以內(nèi)就形成電火花,大量的電火花匯集成電弧,當(dāng)弓網(wǎng)恢復(fù)接觸后,電弧熄滅。弓網(wǎng)之間的電弧拉長(zhǎng)到一定距離后也會(huì)熄滅。在高速運(yùn)行的情況下,接觸副的電弧弧根會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)熄滅,盡管電弧溫度很高,但其熱流對(duì)接觸副的侵蝕卻有限,對(duì)接觸副的影響也有限。高速運(yùn)行中的電弧對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響,但卻能保證受流的連續(xù)性,維持受流的穩(wěn)定性。3.5非機(jī)械力對(duì)流效率的影響3.5.1接觸力對(duì)受流效率的影響當(dāng)接觸力分別為40N、70N和100N時(shí),運(yùn)行速度從50km/h變化到200km/h,電流為100A、200A和250A,得出接觸力影響受流效率的曲線,如圖4所示。由圖4(a)可以看出,隨著接觸壓力的增大,受流效率也在不斷增大,此時(shí)受流效率的變化率較低,曲線顯示比較平穩(wěn)。隨著電流的逐漸增大,由圖4(b)、4(c)可以看出,在低速和大接觸力的條件下受流效率很明顯呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),但是其隨速度變化的穩(wěn)定性不好,當(dāng)速度超過100km/h時(shí),受流效率η下降的速度很快。3.5.2接觸壓力的影響接觸力的大小直接影響載流的性能。接觸壓力較小時(shí),導(dǎo)電斑點(diǎn)兩端積聚大量電荷,隨著滑板的離線瞬間會(huì)產(chǎn)生火花放電,由于接觸力小,此時(shí)受流的效率和穩(wěn)定性很不好。接觸力增大后,摩擦副表面的粗糙凸起穿透接觸表面的氧化膜,使得接觸電阻減小,從而形成更多的局部金屬接觸,有效導(dǎo)電斑點(diǎn)增多,電流的傳導(dǎo)路徑就越多,銷盤之間的接觸變好。由于接觸面間建立了很好的金屬連接,從而電弧強(qiáng)度和頻率減小,降低了電氣磨損程度,因此磨損量也減小。接觸力F與接觸電阻Rc成反比,當(dāng)接觸壓力大于零時(shí),接觸壓力越小,單位接觸壓力變化量引起的接觸電阻變化量越大;接觸壓力越大,單位接觸壓力變化量引起的接觸電阻變化量越小。當(dāng)速度超過100km/h時(shí),受流效率η下降的速度很快,這是由于隨著速度的增大,滑板與接觸導(dǎo)線的離線頻率也增大,速度越高,離線率越高,所以接觸電阻增大,實(shí)際接收到的平均電流降低,因此受流效率變差。4接觸壓力對(duì)受流效率的影響(1)本實(shí)驗(yàn)通過自行設(shè)計(jì)的滑動(dòng)電接觸摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)來模擬弓網(wǎng)系統(tǒng)中高速列車滑板與接觸導(dǎo)線之間的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)驗(yàn)研究了不同的滑動(dòng)速度、接觸電流以及接觸壓力對(duì)受流性能和摩擦磨損性能的影響,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析影響受流效率的因素。(2)受流效率隨著速度的增加逐漸降低,且在速度較小時(shí)隨接觸壓力增大的幅度較大,隨速度的增加受流效率增大的變化率逐漸減小。運(yùn)行速度越慢,摩擦副產(chǎn)生的磨損量越大,當(dāng)運(yùn)行速度增加時(shí),磨損量減小。(3)接觸力越大,給定電流越大,受流效率越高,而當(dāng)速度增大時(shí),