基于能量耗散的受电弓滑板摩擦磨损研究

作     者：李兵红 

作者单位：辽宁工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈忠华

授予年度：2023年

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

主      题：弓网系统 滑动电接触 载流摩擦 能量耗散 摩擦系数 磨损模型 表面形貌 

摘      要：作为电力机车牵引供电系统中不可或缺的一环,弓网系统在列车的稳定运行中扮演着重要角色。列车运行过程中,受电弓滑板与接触网导线通过滑动接触为列车提供运行所需的电能,二者之间既发生滑动摩擦,又传导电流,滑板与接触线构成一对机械与电气耦合的特殊摩擦副。滑动电接触条件下滑板磨损既有机械磨损又有电气磨损,还存在机械与电气的耦合作用,两者相互影响加剧了磨耗,一旦滑板磨耗到限没有得到及时更换,会影响列车的运行安全。因此,对滑板磨损量进行有效预测,可以为运行维护人员提供重要指导,有利于确保列车安全稳定运行,开展滑板摩擦磨损与建模研究具有重要现实意义。本文利用滑动电接触实验机,以浸铜碳滑板和纯铜接触线作为摩擦副进行载流摩擦磨损实验,提出了一种基于能量耗散来预测受电弓滑板磨损量的新方法,从系统做功的角度解释了受电弓滑板的摩擦磨损行为。实验研究了接触电流、接触压力和滑动速度对滑板磨损量的影响规律,包括电流对滑板摩擦系数的影响规律,结果表明:滑板摩擦系数随接触电流的增加呈现减小的趋势,且减小幅度逐渐减缓;接触电流小于150A时,滑板磨损量的增加程度相对缓慢,接触电流大于150A时磨损量增加较快,滑板磨损量呈现明显的增长趋势;滑板磨损量随滑动速度的增加而增加;随接触压力的增加呈先减小后增大的“U形变化规律。为了在摩擦系数发生变动的工况下准确表征滑板的磨损量,利用摩擦系数的实验数据,推导并验证了新的滑板摩擦系数数学模型。综合考虑电流做功和摩擦力做功对滑板磨损性能的影响,定义了电流做功与摩擦力做功的和为弓网载流摩擦耗散能量,采用弓网载流摩擦耗散能量来定量表征受电弓滑板的磨损程度,研究发现滑板磨损量与弓网载流摩擦耗散能量之间呈现显著的线性关系。结合新的摩擦系数数学模型,建立了基于能量耗散的受电弓滑板磨损数学模型,新的磨损模型预测值与实际值匹配良好,最小相对误差为0.385%,相对误差均值仅为5.100%,适用于工程实践。研究了滑板磨损量与接触电流和摩擦力之间的关系,结果表明在给定滑动速度和接触压力条件下,随着接触电流的增加,摩擦力减小,滑板磨损量逐渐增大,磨损量与摩擦力之间呈负相关。揭示了电流做功与摩擦力做功对弓网载流摩擦耗散能量的影响规律,发现随着接触电流的增加,摩擦力做功和电流做功产生的能量明显发生变化,摩擦力做功产生的能量减小,电流做功产生的能量不断增加,总耗散能量不断增加。当电流在0～150A之间时,摩擦力做功产生的能量所占比例大于电流做功产生的能量,滑板磨损主要以机械磨损为主;随着电流的增加,滑板主要磨损开始由机械磨损向电气磨损转变,在150A时摩擦力做功与电流做功产生的能量接近相同,此时机械磨损与电气磨损基本达到相对平衡;当电流达到200A时,电流做功产生的能量所占比例大于摩擦力做功产生的能量,此时滑板磨损主要以电气磨损为主,通过观察滑板表面的磨损形貌,发现滑板表面出现损伤程度较大的电弧烧蚀坑和裂纹,导致滑板磨损加剧。该论文有图27幅,表7个,参考文献76篇。