接触轨受电鞋受流质量试验研究

接触轨受电鞋受流质量试验研究

随着我国经济的发展和城市化进程的加快，公共交通（铁路、公路、铁路、隧道和轻轨等）越来越受到重视其环保、节能、经济、快速和安全等优势，以及建设的崛起。牵引电机是轨道交通的驱动设备,它通过接触网从牵引变电所取得电能驱动机车,接触网系统受流质量的好坏会直接影响机车的正常牵引运行。受流问题已成为轨道交通中的一个非常重要的研究课题,引起了国内外学者和专家的广泛重视。目前,受流质量还没有统一的评价办法。日本、法国、德国以及欧洲铁路联盟对弓网受流质量的评价标准不尽相同,国内也还没有一个完整的弓网受流评价标准。现在评价弓网受流质量的主要指标有接触压力(包括最大值、最小值和平均值)、接触压力不均匀系数、离线率、波动传播速度、无量纲速度和多普勒系数、反射因素、增强因素等,这些技术指标仅从机械方面进行了评价。实际上,影响动态受流质量的因素除了机械方面的,还有电气方面的,它们相互依赖,相互制约,相互作用,只要其中一个环节出现问题,都会破坏正常的受流特性。本文作者模拟接触网系统工况,以高速接触轨/受电靴为摩擦副,在销盘式摩擦磨损试验机上进行了接触轨/受电靴系统受流质量的试验研究。1试验安装和方法1.1电流回路的模拟试验装置的结构简图见图1,无级变速直流电机17通过皮带轮机构带动主轴16和盘试样1旋转,盘试样1与销试样2间产生相对滑动。绝缘横梁14可绕导轨11下端的铰接销轴10回转,两端对称布置销夹持部件4。导轨11可沿导向滑键上下自由移动。通过增减标准砝码13调整销试样2上接触力的大小。弓网系统动力学研究表明,接触轨的不平顺是影响高速接触网系统接触受流质量的主要因素,受电弓的支撑弹性对弓网系统动力学有重要影响。因此,本研究作者考虑了受电弓系统的弹性,采用图1(b)的结构模拟受电弓的弹性。试验时,三相可控硅整流器产生直流电,电流从整流器正极流出,依次经电阻5、销试样夹持轴21(右侧)、销试样2(右侧)、盘试样1、销试样2(左侧)、销试样夹持轴21(左侧)、直流数字电流表9、可调电阻8,回到整流器负极,构成电流回路。测量转速的霍尔传感器3(由6位智能数显计数器提供5V直流电压)和测量电流的电阻5两端的电压信号分别接入高速动态数据采集仪6的2个通道,精确测试试验过程中电流变化的历程和盘试样旋转一圈的时间。1.2cu33.2销试样材料取自地铁受电靴,是一种浸金属碳材料,用电火花线切割机加工成圆柱状,直径为10mm,长度为22mm,其化学成分(以质量分数计,下同)为:C61.4%,Cu37.7%,电阻率为8Ω·mm2/m。盘试样的材料是316不锈钢,用板料切削加工成圆盘状,直径为278mm,厚度为10mm,其化学成分为:C0.08%,Cr16.12%,Ni10.06%,S0.02%,P0.03%,Si0.56%,Mn0.84%,Mo2.12%,Cu0.12%,Nb0.02%,Fe其余,电阻率为0.74Ω·mm2/m。1.3采样频率和时间用丙酮清洗盘试样和销试样的滑动接触面。调节可控硅整流器调压旋扭直至电路中直流数字电流表为50A,采集图1中电阻5两端电压信号,然后调整转速依次到10、20、30、……、100km/h,每种转速下先跑合10min,再采集电阻5和霍尔传感器3的电压信号。电压信号的采样频率为10240Hz,采样时间为100s。试验初始电流为50A,盘试样的转动角速度分别取0、224.8、449.6、674.4、……、2248r/min,即盘和销相对滑动线速度分别为0、10、20、30、……、100km/h,接触力分别为40、80和120N,即压强分别为0.2546、0.5093和0.7639MPa,弹簧刚度分别为刚性(即没有弹簧)和6、19和46N/mm。1.4动态受流试验整流输出电压(或电流)的平均值是反映整流电路转换关系的,是衡量整流电路性能的重要技术指标之一。当盘试样和销试样相对滑动时,流过电阻5的电流的平均值越大,表明电路中电能损失越小,受流质量越好;电流的平均值越小,表明电路中电能损失越大,受流质量越差。所以,本文作者取电流的平均值为动态受流质量的评价标准。图2表示初始电流I=50A、接触力N=80N、弹簧刚度k=6N/mm时,3种速度(v分别为0、50和100km/h)下的受流质量波形图。图2中虚线为对应的霍尔传感器3的电压信号波形,它的一个脉冲表示盘试样旋转一圈,实线为电阻5两端的电压波形。可以看出,动态受流时,电路中电阻两端的电压并不完全具有周期性,是准周期的,所以取盘试样运行一圈的电压作为一个周期进行计算是不合理的。作者通过大量的试验和试算,发现以盘试样旋转100圈的电压作为一个周期进行计算具有很好的重复性和一致性。因此,测试数据的处理方法是:对于每一种试验参数,首先根据霍尔传感器的电压信号波形确定盘试样旋转100圈所对应的起始时刻和终止时刻,计算此时间段内电阻5两端电压的平均值,然后将该平均值乘以标定系数,所得值即为这种试验参数下的电流。采用MATLAB软件编程处理数据。2结果和分析2.1没有弹簧时的试验图3(a)、(b)和(c)分别示出了有弹簧时受流电流I随盘试样转速v的变化关系图,图3(d)为没有弹簧时的变化关系图。从图3中可以看出,在速度较低时,电路中平均电流几乎不变,受流质量稳定,接触力大小对受流质量几乎没影响,当速度超过某一值后,接触力越大,电路中平均电流越大,受流质量越好。但转速为70km/h(静态接触压力为80和120N、有弹簧条件下)时,受流质量明显变差。2.2弹簧对受流质量的影响图4所示为3种接触力下,刚度和速度对受流质量的影响。可以看出,接触力为40N,速度低时,有无弹簧时的受流质量差别较大,速度高时差别较小。接触力为80和120N,有弹簧时,稳定受流的速度范围分别是0～30和0～50km/h;而无弹簧时,稳定受流的速度范围分别是0～10和0～20km/h。总体而言,在低速时,弹簧刚度对受流质量几乎没有影响,都能保持稳定受流;盘试样转速超过某一值后,有弹簧时的受流质量比没弹簧时好。这是由于弹簧具有减振作用,惯性力相对较小,实际接触压力波动幅度较小,受流质量波形的畸变率和离线率小,平均电流减小幅度小。2.3接触电阻与转速的影响由于轴承存在游隙等原因,主轴在旋转过程中会产生轴向窜动、扭转振动和弯曲振动,这些振动与系统的振动特性有关。当速度增加时,或盘试样旋转的频率或倍频在系统的某一阶固有频率的邻域内,接触压力波动幅度增大,最小接触压力减小,甚至离线,产生电弧放电,恶化受流质量。据文献接触电阻公式,接触压力的变化会引起接触电阻变化,进而改变电路中电流。当接触压力为0时,接触电阻理论上趋于无穷大,电路中的电流为0。这2种情况分别对应受流质量波形图中电压波形的波形畸变和离线2种情况。当接触压力大于0时,其值越小,单位变化量引起的接触电阻变化量越大,反之,接触电阻变化量越小。低速时,由于频率较低,销试样所受惯性力很小,实际接触压力很大且变化很小,电路中的接触电阻几乎不变,所以,平均电流几乎不变。随着速度的提高,惯性力增大,实际接触压力变化量增大,平均接触电阻增大,平均电流减小。速度进一步增加时,会发生离线,且速度越高,离线率越高,平均电流越小。当盘试样转速为70km/h时,电路中平均电流显著减小,这可能是由于盘试样旋转的频率或倍频在试验系统的某一阶固有频率附近引起共振,使受流质量明显变差。盘试样转速超过一定值后,相同刚度条件下,接触力越大,受流质量越好。这是由于,转速相同,则惯性力相同,接触力越小,实际接触压力越小,导致平均接触电阻越大,平均电流越小。当接触力进一步减小时,则出现离线,且接触力越小,离线率越高,电路中的平均电流越小,这与受流质量波形图一致。2.4盘试样表面形貌从图4还可看出,盘试样低速旋转时(例如弹簧刚度为19N/mm,接触力为120N,速度为10～50km/h),电路中平均电流略大于静止时的平均电流50A。这可能是由于在大气环境中,固体表层上存在普通污染膜、吸附膜和氧化膜,盘试样旋转时,摩擦接触面上电阻率较大的膜被部分或全部磨掉,接触电阻减小,导致电路中总电阻减小,因此,平均电流增大。图5是盘试样表面三维激光共焦显微形貌,其中图5(a)为局部二维形貌,图5(b)为该局部对应的三维表面形貌。图5(a)中有一些或大或小的白色亮块,而在图5(b)中的对应位置可以看到这些白色亮块都高于基体。这可能是因为,在滑动过程中,“离线”导致两摩擦面间产生电弧放电,表层金属在温度高达数千开尔文的电弧热作用下迅速熔化成液体,由于表面张力作用,这些液体“内聚”,冷却后即形成高于基体的白色亮块,增加表面的不平顺性,在盘试样旋转过程中增大对销