刚性接触网条件下浸金属碳滑板载流摩擦磨损性能及磨损模型的研究

作     者：刘达毅 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈光雄

授予年度：2022年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：载流摩擦磨损 磨损机理 电弧烧蚀 浸金属碳滑板 离线率 

摘      要：受电弓/接触网系统作为地铁列车主要的受流装置被广泛应用于各地铁线路上,地铁线路的接触网系统可分为柔性接触网、刚性接触网以及第三轨式接触网,其中刚性接触网因其零部件少、安全可靠、维护成本低等优点被广泛应用于地铁隧道内。但是刚性接触网不具备弹性,列车运行过程中的振动冲击容易损伤接触线导致硬点等问题,硬点的出现会进一步加剧振动,导致弓网离线产生电弧。在电弧烧蚀和机械磨损的作用下,滑板和接触线的磨损现象日益严重。本文以刚性接触网条件下的浸金属碳滑板为研究对象,基于高速载流摩擦磨损试验机对浸金属碳滑板的载流摩擦磨损特性进行试验研究。为了探究滑板在不同试验条件以及长时间服役情况下磨损率的变化趋势,设置单次试验滑动距离为1000 km。基于大量试验数据,建立了一种针对地铁工况的浸金属碳滑板磨损模型,为解决地铁受电弓滑板异常磨损问题提供帮助。研究结果表明:电流大小和摩擦副之间的冲击振动是影响滑板磨损率的主要因素。本文取得的主要结论如下:(1)在电流、法向载荷和滑动速度这三个试验参数中,法向载荷和滑动速度可以显著影响浸金属碳滑板/铜银合金接触线之间的离线率。随着法向载荷的增大,离线率明显下降,但电弧的持续时间变化并不明显,而随着滑动速度的增大,摩擦副之间的离线率和电弧持续时间均呈现出先增大后减小的趋势,滑动速度为80 km/h时,摩擦副之间的放电现象最为严重。(2)接触电阻随法向载荷的增大而下降,随滑动速度先增大后减小,载流效率则正好相反。(3)电流的增大对离线率的影响并不显著,但依然可以增大电弧的放电强度,使摩擦副之间的摩擦系数出现明显的下降趋势,滑板的磨损量迅速增加。在电弧的烧蚀作用下,滑板表面出现明显的裂纹和烧蚀坑,且电流越大,烧蚀坑的面积也越大。(4)增大法向载荷可以降低离线率,从而减少电弧放电带来的热量,滑板的磨损量不断降低,表面的烧蚀坑也逐渐变少,裂纹较为细微。当法向载荷增大到45 N时,摩擦副表面硬质颗粒的犁削作用使接触线表面出现划痕。(5)随着滑动距离的不断增加,载流效率上升,滑板的磨损量逐渐下降并趋于稳定,由于试验初期滑板表面较为粗糙,摩擦副之间的实际接触面积较小,非接触区域容易产生微电弧。此外,由于摩擦副之间实际接触面积较小,接触电阻较大,摩擦副之间的电阻热增加,滑板的磨损量也更大。随着滑动距离的增加,摩擦副之间的接触面积增大,磨损量趋于稳定。(6)对浸金属碳滑板磨损模型的研究表明,电弧热和焦耳热是造成滑板材料损失的主要原因,当离线率增大时,电弧热造成的滑板磨损量会迅速增加,从而导致滑板总体磨损量迅速增大。增大法向载荷可以降低离线率,从而减少电弧热导致的磨损。(7)运用所建立的磨损模型,以太原地铁为例,计算出推荐的单滑板接触压力大小介于42～46 N之间。