降低高速受电弓碳滑板磨耗的技术对策

降低高速受电弓碳滑板磨耗的技术对策

于晨

中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛266000

摘要：电力机车提速的极限取决于弓网受流技术、车辆技术及制动技术，其中，弓网受流系统能否正常运行直接影响到电力机车的动力供应以及机车的持续运行。

关键词：高速受电弓；碳滑板；磨耗；主动控制系统；

动车组高速受电弓在运行中出现的碳滑板磨耗异常问题会导致碳滑板频繁更换，缩短受电弓使用寿命，甚至威胁行车安全。分析通过添加可自动调节受电弓压力的主动控制系统和使用新型碳滑板材料等技术对策，可有效降低高速受电弓碳滑板磨耗，延长其使用寿命，同时减少自动降弓等故障的发生。

一、受电弓主动控制系统

1.受电弓主动控制系统基于现代控制理论。欧洲、日本较早地在相关领域开展了研究，我国起步相对较晚。提出将两自由度集中质量受电弓模型和高阶滑模变结构控制策略应用于受电弓主动控制系统，并进行了仿真实验；研制的主动控制技术高速受电弓，在时速230km的德国高速铁路上成功进行了试验；随后意大利国铁集团资助了其国内多所大学进行主动控制系统的相关研究，并已成功研制出原型机。目前德国的CX型、DSA350系列和日本新干线700系受电弓是较为成熟的采用主动控制系统的受电弓。

2.在国内，在载流磨损理论基础上提出一种受电弓主动控制系统，可对弓网磨损量和接触压力进行实时监测和调整。硬件上，此系统由磨损检测、接触压力检测、红外拉弧检测、驱动模块和数据处理控制五大模块组成（见图1）。其中，磨损检测模块负责通过传感器采集碳滑板磨耗量、接触压力等数据，并将检测到的数据传送至相邻模块；接触压力检测模块采用应变电阻式压力传感器，将接收到的信号放大、滤波；红外拉弧检测模块可以快速检测是否存在弓网拉弧现象；驱动模块的驱动电路和电控比例阀依据输入的电信号成比例控制气流压力、方向等；数据处理与控制模块负责数据A/D和D/A转换。先将模拟信号转化为电信号，同时调用设置的算法实时得出压力值的最佳大小并发出对应的控制信号指令，再将控制指令通过A/D转换送至下一单元，最终反馈到受电弓做出相应动作。数据传输由FSO信号传输系统负责，可有效降低接触网对信号的电磁干扰。

图1受电弓主动控制系统

3.除此五大模块，系统还包含一套逻辑控制程序。主要功能是设定一个控制周期TC，在TC周期内控制磨损检测和接触压力检测模块实时采集弓网压力值F，并对磨耗量数据进行分析：若不存在异常磨耗，将当前弓网压力值F与上位机运算得出的最佳压力值F1进行比较，如F与F1相差过大，控制程序通过驱动模块调整接触压力达到最佳值；若存在异常磨耗，则进入中断子程序进行处理。当系统进入中断子程序时，需判断异常磨耗的原因，并控制电控比例阀对应调整。当磨耗量恢复正常，则退出子程序；否则处于安全考虑，需降弓并停车处理。此系统从理论上实现了对弓网接触压力的动态调整，避免了异常磨耗情况。在今后实际应用中，仍需机械、电气相关领域的深入研究加以支持。

4.提出一种基于PID算法的受电弓主动控制系统。系统可分为三大部分：控制系统、气路和受电弓。控制系统是研究的主要对象，负责获取行车数据和实现控制算法。从硬件组成上，控制系统被划分为七部分：MCU控制单元是系统核心，负责数据计算和发出控制指令；A/D、D/A部分负责数据转换；各模块通信的传输通路由RS485总线担当；数据传输模块向上位机软件提供各种采集到的有效数据；WAVEBOOK负责数据的采集和存储；I/O接口使MCU可直接控制继电器状态；CPLD识别和处理相位相差90°的脉冲信号，通过并口传送给MCU。在软件设计上，系统分成两部分：运行在MCU中的嵌入式软件系统和在PC中运行的上位机软件系统。前者主要功能是配置各功能子模块，包括通信模块、控制算法模块和主程序模块等。其中，控制算法模块会将PID算法计算得出的控制目标值传递给主程序，再由主程序控制相应模块按目标值标准进行调整。后者作用是接受底层软件系统传送的数据，进行计算、判断等一系列操作。此系统的实验经历了两个阶段。第一阶段在实验室中进行，通过对外接压力表读数与上位机中的数据，以及设定的目标值三者进行对比，得知三者数据相差不大。分析后确定误差主要来源于压力表读数精度，此结论证明系统在功能上可对接触压力进行有效调节。第二阶段实验是现场调试，采用WAVEBOOK进行数据采集，主要包括控制信号、反馈信号、机车速度信号、压力信号等。实验数据表明控制系统能对机车速度变化及时做出反应，并调节接触压力。不足之处是反馈稍有延迟性，这主要是由受电弓本身机械结构所限，需深入研究提高动态控制跟随性和灵敏度的方法。

二、碳滑板材料改进

1.材料学领域相关科研人员也在不断努力，试验适合受电弓的滑板材质。最初滑板的材料以烧结合金为主，此种材料在列车运行过程中易与铜质接触导线发生金属摩擦，造成损耗。为减少此类损耗，以碳为主要制成材料的碳系滑板应运而生。碳系滑板主要成分为石墨，具有摩擦因数小和自润滑等优点，会降低与金属导线摩擦损耗，达到理想滑动状态。同时碳系滑板也因价格较低和对金属导线磨耗小，降低了铁路运营成本。目前，碳系滑板因其良好特性而广泛应用于动车组受电弓。

2.为提高碳系滑板的实用性，改进其电阻率高、强度低等缺点，通常会在纯碳系滑板基础上混合金属材料，形成复合碳基滑板。根据制造工艺不同，金属复合碳滑板主要有混合烧结型和浸金属型两类。前者是将碳和金属两种粉末高压压制成型后，再放置于高温下烧制而成；后者是将有空隙的碳滑板浸入到熔化金属后经高压压制得到。山下高贤等统计了两种类型碳滑板每万公里的磨损量，混合烧结型为1.03mm/万km，浸金属型为0.64mm/万km。虽然混合烧结型碳滑板因焙烧步骤使其强度要高于浸金属型，但是此组数据表明，其磨耗量也相对较高，因此浸金属型碳滑板是目前高速受电弓碳滑板普遍采用的类型。

3.实验比较了浸铜合金和浸铜两种浸金属碳滑板的性能。在摩擦实验中，分别对实验开始60min后的两种碳滑板磨耗数据进行记录。对比发现，浸铜合金碳滑板的平均磨耗量为39.8μg/C，浸铜碳滑板的平均磨耗量为47.3μg/C，浸铜合金碳滑板的磨耗量要小于浸铜碳滑板。这是因为前者含有的低熔点合金在摩擦一定时间后会浸入到磨损表面，增加其耐磨性。在电接触试验中，通过观察两种浸金属碳滑板在进行多次电弧烧蚀后的表面微观照片和分析磨损速率数据后，得出浸铜合金碳滑板的烧蚀速率高于浸铜碳滑板的结论，这是由于浸铜合金碳滑板含有的低熔点金属在实验中快速熔化所致。最后将两种滑板浸入水中进行电接触实验，由于水的挥发使阴极材料烧蚀几率减少，因此在水中滑板的电弧烧蚀速率要低于空气中。

4.日本一些材料研究人员也在探寻未来将碳纤维强化复合材料（C/C复合材料）引入到受电弓滑板中。C/C复合材料是将碳系材料作为基础并加以碳纤维强化的一种合成材料，在飞机、赛车制造等领域已得到广泛应用。相较浸金属型碳滑板，此种滑板的基础材料和强化碳纤维的主要元素都是碳，因此具备了纯碳滑板摩擦系数小等优点，同时自身又具有强度高、磨耗量小的特点。土屋广志等分别对纯碳滑板、浸金属碳滑板和C/C复合材料滑板从物理特性和通电摩擦特性上进行了实验比较。可见，具备众多优秀特性的C/C复合材料在未来有很好的发展前景，但目前受研究进展、制造工艺等条件限制，实际应用条件不成熟且价格昂贵，并不适用于大批量生产。

受电弓滑板在材料更新上也在断进行尝试。从烧结合金滑板到纯碳滑板，再到浸金属型碳滑板的广泛使用，其耐磨性和强度等一直都在提高。为满足不断发展的高铁技术要求，今后将有更多新型材料被运用到高速受电弓滑板上。

参考文献：

[1]张雪飞，铁路机车受电弓碳滑板材料研究.2017.

[2]李卫华，浅谈降低高速受电弓碳滑板磨耗的技术.2017.