（机械设计及理论专业论文）接触网系统受流质量及浸金属碳载流磨损特性试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国城市化进程的加快，电气化铁路以其环保、节能、经济、安全等 优势越来越受到重视，而接触网系统问题是电气化铁路的三大难题之一。因此， 开展接触网系统受流质量和载流磨损特性研究对我国铁路事业的发展有着重要 的社会意义和巨大的经济效益。 本文利用销一盘式高速摩擦磨损试验机，对接触网系统受流质量和不锈钢 3 1 6 浸金属碳摩擦副载流磨损特性进行了试验研究。利用高速动态数据采集仪 记录电压信号，分析了滑动摩擦过程对受流质量的影响。采用精密电子天平测 量销试样的磨损量，结合光学显微镜( o m ) 、激光共聚焦扫描显微镜( l c s m ) 和扫描电子显微镜( s e m ) 等对试样进行磨损形貌分析，研究了初始电流、销 试样极性、刚度和速度等试验参数对载流磨损特性的影响，结果表明： 1 低速时，接触网系统能保持稳定受流；速度超过一定范围后，受流质量 随速度的增加而变差。系统的振动特性和滑动摩擦副的表面特性都会影响受流 质量。 2 在试验范围内，接触力越大，受流质量越好，稳定受流的速度范围越大。 且考虑接触网系统弹性时的受流质量比不考虑弹性时要好。 。 3 对于不锈钢3 1 6 浸金属碳摩擦副，无电流时，销试样的磨损率随速度的 增加而单调增加，此时摩擦副以磨粒磨损和粘着磨损为主。有电流时，销试样 的磨损率随电流的增加而增加，其摩擦面上有电弧烧蚀坑，同时伴有磨粒磨损， 粘着磨损和氧化磨损。盘试样表面有局部熔化的痕迹。 4 载流条件下销试样的磨损是机械与电气的耦合磨损，受流质量对销试样 的磨损率有一定影响，在试验范围内，随速度的变化，销试样的磨损率有极大 值。 5 在载流条件下，销试样作为阴极或者阳极接入电源，对其电弧烧蚀磨损 的影响不同。阴极在产生电弧的同时，产生大量的火花，而阳极产生电弧的同 时仅产生少量的火花。销试样作为阴极时的磨损率比作为阳极时高。 关键词：接触网； 受流质量；磨损；电弧放电；火花 a b s t r a c t w i t hc h i n a ，su r b a n i z a t i o n ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni sp a i d t oa ne l e c t r i f i e d r a i l r o a do w i n gt oi t sp r e d o m i n a n c ei ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，e n e r g ys a v i n g , e c o n o m y , s a f e t ya n ds t ) o n t h ec o n t a c tn e t w o r ks y s t e mi so n eo f t h et h r e ed i f f i c u l t p r o b l e m sf b ra ne l e c t r i f i e dr a i l r o a d t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nc u r r e n t r e c e i v i n gq u a l i t y o fc o n t a c tn e t w o r ks y s t e m sa n dw e a l ? b e h a v i o rw i t he l e c t r i cc u r r e n ti so fs i g n i f i c a n c e i ne c o n o m i cb e n e f i t sa n di nd e v e l o p m e n to fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n s as e r i e so ft e s t so nt h ec u r r e n t - r e c e i v i n gq u a l i t yo fac o n t a c tn e t w o r ks y s t e m a n dt h ew e a rb e h a v i o ro fs t a i n l e s ss t e e l3 1 6 c o p p e r - i m p r e g n a t e dm e t a l l i z e dc a r b o n w i t he l e c t r i cc u r r e n tw e r es t u d i e do nah i g h s p e e dp i n o n - d i s cf r i c t i o na n dw e a r t e s t e r t h ef a c t o r sa f f e c t i n g t h ec u r r e n t - r e c e i v i n gq u a l i t yo ft h ec o n t a c tn e t w o r ks y s t e m w e r ea n a l y z e db a s e do nt h ev o l t a g es i g n a l sc o l l e c t e db yad y n a m i cd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m t h ew e a l m a s sl o s so fp i ns p e c i m e n sw a sw e i g h t e db yap r e c i s ee l e c t r o n i c b a l a n c e w o mm o r p h o l o g yo ft h es p e c i m e n sw a so b s e r v e db ym e a n so fo p t i c a l m i c r o s c o p y ( o m ) ，l a s e rc o n f o c a ls c a n n i n gm i c r o s c o p y ( l c s m ) a n ds e m t h e e 五f e c t so fi n i t i a lc u r r e n t ，c o n t a c tf o r c e ，s t i f f n e s s ，t h ep o l a r i t yo fp i ns p e c i m e n s ，s l i d i n g s p e e d ，e t co nw e a l b e h a v i o rw e r es t u d i e d t h er e s u l t sw e r ea sf o l o l o w s ： 1 t h ec u r r e n t r e c e i v i n gq u a l i t yo fac o n t a c tn e t w o r ks y s t e mk e e p ss t a b l ea tl o w s p e e da n di tw o u l db e c o m eb a dw i t ha ni n c r e a s e i ns p e e d f u r t h e r m o r e ，v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t a c tn e t w o r ks y s t e ma n ds u r f a c ec h a r a c t e d s t i c so fs l i d i n g f r i c t i o np a i r sa l s oa f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec u r r e n t r e c e i v i n gq u a l i t y 2 i nt h et e s tp a r a m e t e r s ，t h el a r g e rt h ec o n t a c tn o r m a lf o r c e ，t h e b e t t e rt h e c u r r e n t r e c e i v i n gq u a l i t yb e c o m e sa n dt h eh i g h e rt h es l i d i n gs p e e dc o r r e s p o n d i n g t o g o o dc u r r e n t r e c e i v i n gq u a l i t y t h ec u r r e n t - r e c e i v i n gq u a l i t yw h e nt h ep i ns p e c i m e n s a l es u p p o r t e db ys p r i n ge l e m e n t sb e c o m e sb e t t e rt h a nt h a tw i t h o u ts p r i n gs u p p o r t s 3 f o ras t a i n l e s ss t e e l3 1 6 c o p p e r - i m p r e g n a t e dm e t a u i z e dc a r b o nc o u p l e ，t h e w e a l r a t eo fp i ns p e c i m e n sw i t h o u te l e c t r i cc u r r e n te x h i b i t sam o n o t o n ei n c r e a s ew i t h i n c r e a s i n gs p e e d t h ew e a rm e c h a n i s mi sm a i n l ya t t r i b u t e dt oa d h e s i o na n da b r a s i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 l i 页 l _ _ l - l _ _ _ i _ _ l _ l l _ _ - _ _ _ _ - - - _ _ _ - _ - i _ _ _ _ _ l i _ _ _ _ _ _ _ _ 一 n ew e a rr a t eo fp i ns p e c i m e n sw i t h o u te l e c t r i cc u r r e n ts h o w sa m o n o t o n ei n c r e a s e w i t ha ni n c r e a s ei n e l e c t r i cc u r r e n t t h ew e a rm e c h a n i s mi sm a i n l ya t t r i b u t e dt o a d h e s i o na n da b r a s i o n ，o x i d a t i o na n de l e c t r i ca r ca b l a t i o nl o s s t h el o c a la r e ao ft h e d i s cs p e c i m e nw a sm e l t e d 4 t h ew e a l o fp i ns p e c i m e n sw i t he l e c t r i c a lc u r r e n ti n c l u d e sm e c h a n i c a lw e a r a n de l e c t r i c a lw e a r t os o m ed e g r e e ，t h ew e a rr a t eo fp i ns p e c i m e n si sr e l a t e dw i t h t h ec u r r e n t r e c e i v i n gq u a l i t y i nt h et e s tp a r a m e t e r s ，t h e r ei sam a x i m u mv a l u ei nt h e w e a rr a t eo fp i ns p e c i m e n sw i t ht h ev a r i a t i o no fs l i d i n gs p e e d 5 u n d e re l e c t r i c a lc u r r e n t ，t h ew e a rr a t eo ft h ep i ns p e c i m e na s c a t h o d ei s d i f f e r e n tf r o mt h a ta sa n o d e s e v e r ea r cd i s c h a r g ea n ds e v e r es p a r kc a nb eo b s e r v e d o np i ns p e c i m e n sa sc a t h o d e ，w h i l s ts e v e r ea r cd i s c h a r g ea n dal i t t l es p a r kc a nb e o b s e r v e do np i ns p e c i m e n sa sa n o d e f u r t h e r m o r e ，t h ew e a rr a t eo fp i ns p e c i m e na s c a t h o d ei sh i g h e rt h a nt h a ta sa n o d e k e yw o r d s ：c o n t a c tn e t w o r ks y s t e m ；c u r r e n t r e c e i v i n gq u a l i t y ；w e a r ；a r c d i s c h a r g e ；s p a r k 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密函使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 嗍中日 巷l 芯敬 弓。日 燧名m 日期：力男、厂乡夕 之台心 l 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、提出了接触网系统受流质量的新的评价方法。 2 、试验了销试样作为阳极和阴极的放电情形的不同，并分析了其原因。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 接触网系统概述 第1 章绪论 在世界上，高速铁路的诞生是继航天行业之后，最庞大最复杂的现代化 系统工程。它所涉及的学科之多、范围之广已充分反映了系统的综合性。高 速列车是高速铁路的核心，涉及许多方面新的技术问题。对它的基本要求是 启动快、速度高、停得住、运行平稳、振动与噪声小。高速铁路的技术水准 和技术难度集中反映在高速列车上。高速受流技术是高速列车的关键技术点 之一。弓网受流系统必须满足的基本条件是：良好的受流质量，良好的安全 性能，足够的使用寿命，尽可能减少周围影响环境产生的噪声【1 1 。 接触网是电气化铁路和城市轨道交通所特有的一种向电力机车或电动车 组提供电能且无备用的供电设备1 2 j 。它是电力牵引供电系统的重要组成部分， 通过电动车组的受电弓( 或受流器) 和接触网的导线( 或导轨) 的滑动接触， 使牵引电能由接触网进入电动车组，驱动牵引电动机使列车运行。 电气化轨道交通的接触网按照悬挂方式不同分为三种，一种为柔性架空 接触网，一种为刚性架空接触网，一种为接触轨( 第三轨或第四轨) 供电。 1 1 1 柔性架空接触网 柔性架空接触网多用于铁路干线( 常速和高速) 、城市地面和工矿地面的 电气化铁道的牵引供电系统，它主要由支柱与基础、支持装置和接触悬挂等 几部分组成l j 。 支柱和基础承受接触悬挂和支持装置所传递的负载( 包括自身重量) ，并 将接触线悬挂到一定的高度上。基础承受支柱所传递的力矩并传给土体，起 支持作用。 支持装置是支持悬挂并将其负载传递给支柱的装置，包括腕臂、拉杆及 定位装置等。单线路上使用的腕臂结构有斜腕臂直腕臂和绝缘旋转腕臂等 几种形式，其中，重量轻、结构灵活的绝缘旋转腕臂得到广泛应用。软横跨、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 硬横梁( 跨) 广泛应用于站场及多线桥上，属多线路上的专用支持装置。 接触悬挂是将电能传导给电力机车的供电设备，包括承力索、接触线、 吊弦、补偿装置、悬挂零件及中心锚结等组件。类型很多，概括起来可分为 简单悬挂和链形悬挂两类。接触悬挂会直接影响运行速度和运营质量，受到 世界各国普遍重视和广泛研究。常用的悬挂形式分述如下： 1 、简单接触悬挂 简单接触悬挂是由一根或几根互相平行且直接固定到支持装置上的接触 线所组成的悬挂，一般用于车速较低的线路上。简单接触悬挂弛度大，弹性 不均匀。 图1 1 简单接触悬挂 如图1 - 1 所示，当受电弓由a 至b ( 或由b 至a ) ，可能会因车速大而导 致弓线脱离，产生电孤，同时，由于对b ( 或对a ) 点局部冲击，也可能会增 加接触线局部的机械磨耗和损伤。因此，这种接触悬挂最大行车速度不宜超 过4 0k m h 。 ( a ) ( b ) 1 、弹性吊索2 、接触线3 、短吊悬 图1 - 2 弹性简单接触悬挂 一些国家的干线上采用了改进的带弹性吊索的弹性简单接触悬挂，如图 1 2 所示。这种悬挂的特点是在悬挂点处加了一个8 - - 1 6m 长的弹性吊索， 改善悬挂点处的弹性，具有结构简单、支柱高度低、支柱负荷小、建造费用 低及施工维修方便等优点，可在速度不超过9 0k m h 的线路上采用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 、链形悬挂 链形悬挂是接触线通过吊弦( 或辅助索) 而悬挂到承力索上的悬挂。它 可以在某一温度下使接触线处于无弛度状态，即在整个跨距内接触线至轨面 保持相等的高度。其接触线悬挂于承力索上，基本消除悬挂点处的硬点，整 个跨距内弹性都比较均匀。同时，因承力索的存在，换算张力加大，质量加 大，增加了接触悬挂的稳定性。链形接触悬挂具有高度一致、弹性均匀，稳 定性好、受流性能良好等优点，在运量大、速度高的干线上得到广泛应用。 链形悬挂的类型很多，可根据悬挂链数、线索拉紧方法、悬挂点处的吊 弦形式和线索相对位置的特征等进行分类。 ( 1 )根据悬挂链数，链型悬挂可分为单链型接触悬挂、双链型接触悬 挂和三链型接触悬挂。 a 、单链形接触悬挂这种悬挂的接触线通过吊弦悬挂于承力索上，据悬 挂点处吊弦形式的不同又可分为简单链形悬挂和弹性链形悬挂两种，分别如 图1 3 ( a ) 和( b ) 所示。弹性链形悬挂可提高支柱点处的弹性，减少支柱 点处和跨距中部弹性的差异，提高弹性均匀程度。 ( b ) 图1 3 单链型接触悬挂 b 、双链型接触悬挂与单链型接触悬挂相比，增加了一根辅助导线，由 两根辅助索组成，其弹性更加趋于均匀。据悬挂点处吊弦形式的不同可分为 简单双链形悬挂和弹性双链形悬挂两种，分别如图1 - 4 ( a ) 和( b ) 所示。 ( b ) 图1 - 4 双链型接触悬挂 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 c 、三链型接触悬挂它包括承力索在内具有三条辅助索，其接触线的高 度趋于一致，弹性更加均匀，适用于高速运行区段。三链形接触悬挂的结构 已相当复杂，多于三条辅助索的多链形悬挂虽可增加弹性的均匀度和提高稳 定性，但安装和维修困难，实用意义很小。 ( 2 ) 根据线索的紧固方法，链型接触悬挂可分为未补偿链形接触悬挂、 具有季节调整的链形接触悬挂、半补偿链形接触悬挂和全补偿链形接触悬挂。 a 、未补偿链形接触悬挂其所有的线索两端均死固定( 即硬锚) ，温度 变化时，接触线和承力索的长度，即张力和弛度产生变化，因此，运行状态 不好。 b 、具有季节调整的链形接触悬挂为减小线索张力和弛度的变化范围， 在接触线的下锚处安装一个松紧调整螺丝，进行张力调整，如图1 5 所示。 通常在春秋两季各调一次，春季将接触线拉紧，使其张力夏季时不要过小； 秋季将接触线放松，使其张力冬季时不致超过最大许可值，张力的变化限制 在一定的范围内，弛度值也相对减小，改善了运行情况。 1 、调整螺丝2 、承力索3 、吊悬4 、接触线 图1 - 5 具有调整螺丝的单链型悬挂 c 、半补偿链形接触悬挂这种接触悬挂是在单链形接触悬挂中，只在接 触线下锚端加张力自动调整装置，承力索不补锚。 d 、全补偿链形接触悬挂这种悬挂的全部线索在下锚端均安装张力自动 调整装置。在温度和负载( 冰、风) 变化时，各线索的张力保持不变。因此， 具有较好的运行条件。 线索的张力不变并不能说明线索的弛度也不变，因为补偿器维持线索的 张力不变，在温度变化时，线索的弛度得到了良好的补偿；当负载变化时， 弛度将发生相应变化。在强冰冻地区，弛度往往会达到不允许的程度。 ( 3 ) 根据线索相对于线路中心的位置，链型悬挂可分为直链形接触悬 挂、半斜链形接触悬挂和斜链形接触悬挂。 a 、直链形接触悬挂接触线和承力索在平面上的投影相重合，线索既可 以沿线路中心布置，也可布置成“之”字形，如图1 - 6 所示。其“之”字值 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 既可每隔一个悬挂点形成一个，也可每隔几个悬挂点布置成一个循环。在曲 线区段上，直链形悬挂的投影成折线形状。 图1 6 直链型悬挂 b 、半斜链形接触悬挂这种悬挂的承力索沿线路中心布置，接触线成 “之 字形布置，如图1 7 所示。其吊弦的横向偏斜不大，对接触线的固定 构件和机械计算方法均不必特别考虑。与直链形悬挂相比，不仅有较好的稳 定性，而且施工更为方便，只需接触线按标准要求定位，承力索沿线路中心 布置即可。 图1 - 7 半斜链型悬挂 c 、斜链形接触悬挂 这种悬挂的吊弦偏斜很大，必须采用特殊的办法解 决接触线的扭转问题。在承力索和接触线间存在明显的横向水平力，计算方 法复杂。在直线区段上，链形悬接如图1 8 所示，接触线和承力索依次在悬 挂点固定于线路两侧。在曲线区段上，斜链形悬挂的承力索对接触线有一个 相当大的外侧位移，吊弦是倾斜的，在跨距中部把接触线向外侧拉。 7 承力察 、 接 i l 线 、 & ， 、o 一 p 一- - j c 图1 - 8 直线区段上的斜链形悬挂 斜链形悬挂的特点是风稳定性好，适用于强台风和曲线比较多的区段， 但施工困难，一般很少采用。 1 1 2 刚性架空接触网 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 从1 8 9 5 年美国巴尔的摩第一条电气化铁路中首次应用架空刚性悬挂接 触网以来，至今已有1 0 0 多年的历史了。随着工程和运营的增多，架空刚性 悬挂在电气化铁路和城市轨道交通中应用越来越广泛。经不断演变，架空刚 性悬挂的断面结构逐渐形成两个代表结构i 副，即以日本为代表的“t 型结构 和以法国、瑞士等国为代表的“n 型结构，如图1 1 0 所示。此外，还有双 接触线式刚性悬挂，带弹性支座的刚性悬挂【7 l 以及一些新型的刚性悬挂方式 i s l o 。 ( a ) “t ，型结构【1 1 】( b ) “，型结构1 1 2 1 图1 - 9 刚性架空接触网 1 、“t 型和“n 型两种结构的评估嗍 ( 1 )总线刚度自重不同：“t 型总线的垂直断面系数约为“n 型的 一半，而自重较“ 型重1k g m 。“t 型悬挂跨距一般采用5m ，最大允 许6m ；“n 型悬挂跨距在车速为1 0 0k m h 以下时允许1 2m ，1 0 0k m h 以 上还可允许8m 。 ( 2 ) 接触线的固定方式不同：“t 型采用连续的长线夹固定接触线， 而“ 型靠总线自身固定接触线。“t 型放线时对接触线施加较大的放线 张力，否则易造成导线在线夹间形成“v 型或反“v ”型而产生硬点。此外。 长线夹固定接触线在放线或换线时工效低，仅为“ 型的1 8 。 ( 3 )成本差异：由于线夹上螺栓螺母多，“t ”型较“兀一型成本高。 综上所述，n 型结构刚性悬挂靠自身夹持接触线，自重较轻，成本较低， 结构更为合理，通过十多个国家、三十多条地铁的运营和设计上的不断改进， 刚性接触网系统已日臻完善，非常可靠1 1 引。 2 、刚性架空接触网与架空柔性接触网相比的特点”d 4 j ( 1 ) 对隧道净空要求低：在隧道中安装对空间的需求很小，总线本身( 包 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 括接触线) 仅需要1 1 0m m 的空间，加上支撑装置和电气安全距离( d c l 5 0 0 v ) ，从总线的接触面到隧道顶部也只需要3 0 0m m 。因此可减小隧道的净空， 节省投资。 ( 2 ) 横截面载流量大：总线的载流量相当于1 2 0 0 - - 1 5 0 0m m 2 的铜导 线，对采用低电压( d c7 5 0v 或d c 1 5 0 0v ) 的城市地铁而言，即使列车开 行间隔很短( 2r a i n ) ，也不需额外增加辅助馈线来减小接触网电压降。而传 统柔性接触网使用双承力索和双接触线后，仍需增加3 - - 4 根1 5 0m m 2 的辅 助馈线，使其结构复杂。 ( 3 ) 接触线无轴向力：总线仅承受自重，不需额外机械张力支持，不 存在断排或断线的可能，从而避免了柔性钻弓、烧融、不均匀磨耗、高温软 化、线材缺陷以及受电弓故障造成的断线故障。刚性悬挂的故障是点故障， 而柔性悬挂的故障范围为一个锚段，所以刚性悬挂事故范围小。 ( 4 ) 结构简单：柔性接触网由许多部分和零部件组成，而总线所需零 部件较少，各零部件的连接牢靠，事故几率低，施工和维修方便。 ( 5 ) 可靠性高：总线的形状类似散热器，显著改善散热效果。这种散 热效果和无张力可以防止总线和接触线过热，无需担心线路繁忙和线网短路， 无需担心断线电击威胁和列车阻塞现象。 ( 6 ) 安装精度要求高：架空刚性接触悬挂的接触线高度误差为5m m ， 锚段关节和线岔处两悬挂的高差为0 1m m ，且两悬挂的中心线要与受电弓 的中心重合。在曲线地段，为了保证接触线不出现偏磨现象，总线横断面的 中心线要与轨面垂直。这几个参数与轨道参数关系密切，轨道的超高略加改 变或起拨道床时，对接触线的高度及接触线的偏磨都将产生影响，尤其对锚 段关节和线岔处两接触线的高差影响大，如不及时跟随调整，可能发生打弓 拉弧现象，严重时还会使接触线和受电弓受到损伤。 ( 7 ) 架空刚性接触网弹性很小：受电弓与接触线为刚性接触，因此不 适应1 6 0k m h 以上的高速运行要求。 1 1 3 接触轨系统( 第三轨或第四轨) 1 、接触轨简介【1 6 1 接触轨是沿着电气化铁路运行轨布置并将电力输送给机车的刚性输电导 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 轨，因其一般布置在两条运行轨道的侧边或两条轨道中间，因此又叫做“第 三轨，也称“导电轨。第三轨以其地铁隧道净空高度低、工程总投资少、 供电故障少、维护方便等特点得到广泛的应用，北京、天津、武汉和广州的 牵引网均使用了第三轨供电方式。 世界上最早开始使用接触轨的系统，是由v o l k se l e c t r i cr a i l w a y 于1 8 8 3 年在英国著名旅游胜地布莱顿为游人建设的游览车供电系统，第三轨布置在 运行轨中间。接触轨在高架段一般安装于列车前进方向的左侧，隧道内一般 安装于列车前进方向的右侧；在道岔、车站等特殊区段换边，特别是在车站 站台段，将接触轨安装在站台对侧。 伦敦地铁是世界上少数几个采用第四轨系统的地铁之一，运行轨外侧是 + 4 2 0v 的第三轨，中间是2 1 0v 的第四轨，两者合作提供了6 3 0v 的直流电 源。第四轨是第三轨的回路。 最早的接触轨材料为普通碳钢，电阻损失很大，需要更多的输电变电站； 现在多采用钢铝复合接触轨，其由高导电性铝型材作导电主体，用不锈钢作 接触轨顶部的耐磨表面，与低碳钢接触轨相比，具有以下优势：( 1 ) 电导率 高，电压降及牵引能耗成比例下降，牵引变电站的数目减少；( 2 ) 不锈钢接 触面光滑，耐腐蚀，耐磨耗，可延长接触轨与受流器的寿命；( 3 ) 重量轻， 便于施工安装。 目前，世界上城市轨道交通中的直流牵引网电压等级繁多，接触轨系统 的电压等级有6 0 0 、6 3 0 、7 0 0 、7 5 0 、8 2 5 、9 0 0 、1 0 0 0 、1 2 0 0 、1 5 0 0v 等。 2 、安装及使用方式 接触轨的安装及使用有三种方式，分别为上接触受流式、侧接触受流式 和下接触受流式。 上接触受流式结构最简单，但其暴露的部分会有散落的树叶及杂物，并 易受恶劣天气的影响，如被冰雪覆盖等。因此，在露天部分使用上接触受流 式需考虑详尽的维护方案。北京地铁、纽约地铁都采用上接触式。 侧接触受流式对维护的要求大大降低，一般应用在空间受限且不易采用 下接触式结构的条件下。汉堡都市铁路( s b a h n ) 是使用侧接触式接触轨系 统的一个实例i 副。 下接触受流式【1 7 】最为安全，防护罩对带电接触轨的防护性能好，带电接 触轨不容易被无意识的触摸到，能确保人身安全。其接触表面不会存留任何 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 杂物，遮挡雨雪条件也优于上部受流方式，是目前最为流行的安装及使用方 式。图1 1 0 为下接触受流式钢铝复合轨安装布置图。 绝缘防护罩 图1 1 0 下接触受流式钢铝复合轨安装布置刚邛1 3 、接触轨的优点 接触轨系统结构简单，安装难度小，维护简单，维护成本小，而基础设 施的无维修化具有非常重要的意义，显然具有很大的优势；对净空没有特殊 要求，工程土方量小；接触轨安装在轨侧，不高于桥翼，给人一种简洁干净 效果，不会对城市景观产生较大的影响：有较高的抗风性能，不会产生较大 的风偏移值，不会导致刮弓事件的发生，避免对运营造成重大影响；钢铝复 合轨与电力机车集电靴之间的接触面为不锈钢层，使用寿命长。 1 2 受流质量评价方法 高速客运专线牵引供电系统最关键技术在于弓网受流系统。高速运行情 况下，不仅要保证接触网的静态性能，更应考虑接触网的动态性能，即精确 可靠的静态性能是保证可靠实现动态性能的要素之一，但保证了精确可靠的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 静态性能不一定就能取得良好的动态参数特性。由于受流是在接触网和受电 弓两者之间相互接触移动中实现的，所以，不仅接触网和受电弓本身要满足 运动中的受流要求，而且两者之间相互良好的配合也同等重要。因此，不能 只单独强调接触网或受电弓，在实施过程中，应从选择符合要求的接触网及 受电弓、制定选择良好匹配关系的评价标准、配备高速受流性能测试设备三 个方面综合考虑i l 引。 1 2 1 柔性架空接触网系统的受流质量 1 、受流质量静态评价标准 常用的受流质量静态评价标准【2 0 】包括静态弹性系数、静态弹性不均匀度 系数、静态抬升力和静态抬升量等几项标准。对于一种确定的接触悬挂，上 述评价标准值可以通过如下方法得到：近似计算公式、计算机仿真模拟计算、 实验室小比例模型的测试和现场测试。静态评价标准在一定情况下对受流质 量的评价有所帮助，可以作为评价受流质量的参考资料，但没有确切的标准 值作为评价依据，因此，应用静态评价标准时必须具体问题具体分析。 ( 1 ) 静态弹性系数 在接触网静止的状态下，对接触线的点工由下向上施加垂直力f ，接触 线的抬高值) ，例和垂直力之比p 似称为该点的静态弹性系数。 p 。型 ( 1 1 ) 、 f 静态弹性系数仅表示点对点的接触悬挂的弹性性能，不具备悬挂的整体 概念。沿接触线的静态弹性系数变化越小，说明受电弓的垂直运动越小，进 而接触线和受电弓之间的接触力波动也越小。因此，接触线的静态弹性系数 应该尽可能恒定。 ( 2 ) 静态弹性不均匀度系数 静态弹性不均匀度系数“用来衡量静态弹性系数的恒定程度。 ut 丑坚迫1 0 0 ( 1 2 ) e m + e 响 为易于操作，实际上用跨中测量的静态弹性系数e l 代替e 用甜，用悬挂点 或第一吊弦处测量的静态弹性系数白代替e 州跏，从而得到一种略带修j 下的静 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 态弹性不均匀度系数： “。丝1 0 0 x( 1 3 ) “= 二_ 一 l l j ) e f + e | 一般来说，静态弹性不均匀度系数越小，静态弹性系数越恒定，越有利 于改善弓网关系。 ( 3 ) 静态抬升力和静态抬升量 接触网静态抬升量是指低速状况下受电弓自身上下运动的惯性和空气动 力对抬升力无影响时由静态抬升力引起的抬升量，与静态抬升力及接触网弹 性成正比。降低弹性可以降低抬升量，减少刮弓的概率，保证行车安全。接 触网在悬挂定位处的接触线抬升量是有限制的，当受电弓以静态抬升力沿接 触网匀速运行时，由于弹性不均匀会使受电弓周期性振动造成弓网间的接触 力周期变化，弹性不均匀系数越大则激发的周期振动幅值越大。 2 、受流质量的动态评价标准 接触网一受电弓系统受流质量的动态评价标准包括以下内容：接触线的 波动传播速度、离线时间及离线率、动态接触压力及标准偏差、动态抬升量、 受电弓归算质量和上下位移量等。 在评价受流质量时，不能仅用单项指标进行评价，而是应进行综合评价 考虑。法国f 2 0 】是用各项指标的算术平均值来衡量受流质量： 民i l l ( 墨+ k + 蚝+ k 4 ) 4 ( 1 4 ) 式中，k 、砭、墨、疋分别与接触线抬升量、振幅、离线率、接触压 力不均匀系数成正比。当心 1 6 时，不适合高速；1 1 k o 1 时，为中等受流 质量；当 1 1 时，能够满足高速受流的要求。梅志红等人【2 4 】通过剖析影响 高速受流的本质因素，分析了受流的评判标准，以模糊理论为基础，提出了 对接触网受流质量进行综合评价的数学模型，阐述了评价过程的三要素，即 系统的观点、模糊数学的方法及计算机应用。 ( 1 ) 动态接触压力 弓线之间的接触压力与接触线的高度变化、悬挂特性、线路状态、运行 速度等多种因素有关，将受到各种外在及内在、有形及无形的力的影响。受 电弓的高度变化迅速，产生较大的惯性力，对接触压力产生较大的影响。 在受电弓发生高度变化时，其自身结构还产生相应的摩接力已。此外，还有 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 加于受电弓上的空气动力丑。要保证机车良好受流，就要使弓线之间接触压 力的变化尽量小，且处于规定购范围内，太大会使弓网间磨耗加剧，造成接 触线的抬升量过大，受电弓运动振幅加大，受流状况恶化；太小将导致接触 不良，容易引起离线，产生电弧，烧伤接触导线和受电弓滑板，影响其使用 寿命。综上所述，弓线间的动态接触压力p 可由下式表示： p p o 己只足 ( 1 - 5 ) 式中：只受电弓的抬升力 受电弓弓铰接处的摩擦阻力 受电弓压力的动态分量，由受电弓的归算质量及垂 直加速度决定 丑受电弓压力的空气动态分量 接触线与受电弓的动态接触压力及其变化情况，是弓网系统受流质量的 最终评价标准。现在研究弓网系统动态特性的文献 2 3 3 8 1 相当多，研究的侧 重角度也各异，有的文献 2 5 3 1 1 偏重从接触网方面来研究，有的文献 3 z - 3 4 】 偏重从受电弓方面来研究，并提出受电弓的主动控制方法，以减小弓线间的 接触压力变化，有的文献偏重在特殊工况条件( 如接触线断线 3 6 1 、脱冰 3 7 】 等) 下的弓线间的动态特性研究，有的文献 3 8 1 研究接触网系统受流稳定的 速度范围。 ( 2 ) 离线 受电弓与接触线脱离时会形成电弧，加大滑板和导线的磨耗程度，同时， 会使电力机车主回路产生突变电压，加速电器的绝缘老化和损伤。离线过大 会造成供电中断，使机车丧失牵引力或制动力，甚至使之颠覆。离线可用下 述两个数值评价： 离线率：在一个锚段内，离线时间和运行时间之比； 离线持续时间：在o 1 0 m s 时称为小离线，1 0 - - - 1 0 0m s 时称为中离线， 大于1 0 0m s 时称为大离线。小离线是由于滑板的微振动或导线的波状磨耗引 起的，中离线和大离线是因受电弓框架跟不上接触线的高度变化或因硬点冲 击造成的。 离线率和离线持续时间越小越好。单弓受流时，以离线率不超过5 ， 离线持续时间小于5 0m s 作为控制标准。 ( 3 ) 接触线的波动传播速度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 当机车速度与接触线的波动传播速度相近时，维持接触网和受电弓的接 触就很困难，甚至会产生断线的危险。因此，实现电气化铁路的高速化首先 必须注意的一点就是接触线的波动传播速度比机车速度要高。将接触线的波 动传播速度看作弦的横波速度，其大小为： c = 居 6 ， 式中：c 一接触线的波动传播速度 p 接触线的线密度 卜接触线的张力 由式( 1 6 ) 可知，接触线的波动传播速度和接触线线密度成反比，和接 触线的张力成正比。一般来说，悬挂类型确定后，接触线波动传播速度越大 越好。因此，宣采用轻型高张力的接触线，以提高波动传播速度，从而改善 高速铁路接触网受流质量。 ( 4 )多普勒因子、反射因子和增强因子 在受电弓高速运行中，会受到接触悬挂等各种结构匹配及参数的内在干 扰及影响，其被动力激发的接触悬挂形成的振动波与高速运行的受电弓形成 了非常复杂的振动状态，它们之间是互相影响及制约的。这种影响、制约及 其相互作用的关系称为多普勒效应，用多普勒系数口表示。它是一个与波动 速度及运行速度有关的系数，可表达为： a - 型( 1 一- 7 一) 一 l) ( c + v ) 式中：，列车实际运行速度 理论分析表明：接触网适应高速的性能与接触线、承力索及吊弦三者之 间的耦合及参数因素有关，即接触线的振动波在非均质点( 如吊弦点、线夹 点处) 被反射，这种反射的影响用反射因子，表示，反射因子，越小，表明 接触悬挂的耦合性能越好，其波动速度会大为提高。 反射因子与承力索和接触线的张力及线密度有关，可用下式表示： ，。1 兰! ；一 ( 1 - 8 ) 0p m t 。+ qp t 式中：卜承力索的张力 p 。承力索的线密度 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 受电弓在高速运行中，在通过定位点或跨距内等距吊弦点时，还会周期 性的激发接触线的振动( 以波动形式表现) ，这种接触线被激发的振动波在传 播和反射中时而被增强，振幅的增强程度用增强因子y 表示。 反射因子厂、增强因子，与多普勒因子a 三项因素的关系可用下式表示： ，；二 ( 1 9 ) ，；一 l 工y ， 口 增强因子y 、反射因子，及多普勒系数a 三项因素中，影响较大的为增 强因子，理论分析证明：减小增强因子对改善受流质量是有利的。减小) ，的 途径是减小，即采用增大接触线张力，减小承力索张力的方法，以改善高 速受流质量。 1 2 。2 刚性接触网系统的受流质量 刚性接触网系统包括接触轨( 第三轨和第四轨) 系统和刚性架空接触网 系统两种，刚体接触悬挂的接触压力仅随受电弓抬升力而交化，若接触悬挂 高度一定，且是完全平滑的，那么弓网就能处于良好的接触状态，即接触悬 挂和受流器的工作状态是根据接触悬挂的施工精度及不平顺的程度决定【6 j 。 目前，刚性架空接触网系统受流特性的研究主要从弓网系统的耦合动力 学1 3 9 4 0 l 方面入手，分析接触网的振动特性，并分析悬挂机构刚度、列车运行 速度、接触网跨距、弓头质量、接触网不平顺性、接触网坡度和弓网接触刚 度等参数对弓网间接触压力的影响。研究接触轨系统的受流特性的文献还没 看到，仅仅有测试接触轨系统动态接触压力、离线率等来评价受流质量的文 献【4 1 1 。 1 3 载流摩擦学研究现状 摩擦磨损是一种十分常见的自然现象，自1 6 9 9 年a m o n t o n s 和1 7 8 5 年 c o u l o m b 建立古典摩擦定律以来，对摩擦学的研究就一直没有间断过，主要 涉及摩擦、磨损、润滑、疲劳损伤、摩擦光【4 2 1 、摩擦热【4 3 l 和摩擦声【4 4 】等方面。 载流摩擦磨损是个十分复杂的过程，影响因素众多，除常规摩擦磨损的 影响因素，如滑动速度、法向压力、表面状况、温度、实验环境、润滑条件 等外，还有电流、电弧、接触电阻等的影响，这些因素相互影响、相互作用、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 相互制约，使载流摩擦磨损的研究有许多难以想象的困难。有关载流摩擦磨 损的研究始于二十t 生h 2 - - 十年代【4 副。近年来随着高速电气化铁路和城市轨道 交通的迅速发展，载流摩擦磨损的研究也掀起了高潮，特别是在日本、法国、 德国等高速电气化铁路发达的国家的研究尤为活跃。目前，虽然载流摩擦磨 损的机理及探寻耐磨材料、合理搭配摩擦副等方面取得不少成果，但至今未 能找到通用的理论解释载流摩擦磨损现象。因此，进一步研究载流摩擦磨损 仍有很有意义，并能为实际工业应用提供参考。 1 3 1 试验装置 在载流摩擦磨损的研究中，存在着许多形式不一和研究对象不一的试验 装置。国际上尚无统一的试验台，研究所用装置大多由常规摩擦磨损试验装 置改造而成，而摩擦学的研究对系统有很大的依赖性，因此，试验结果的可 移植性较差。 目前，研究载流摩擦磨损的试验装置主要四类：环一块式【蛔、线一条式f 绷、 销一盘式【4 8 1 、线一滑块式【4 9 】，如图1 1 1 所示。前三种试验装置均通过试验盘 的旋转运动来产生摩擦对偶件之间的相对运动，试