弓网受流质量主要影响因素浅析

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随着高速电气化铁路加快建设，弓网受流质量也越来越受到电气化铁路建设和运营人员的重视。本文分析了接触压力、滑板材质、接触线材质及截面形状对受流质量的影响。为保证良好的受流质量，滑板和接触导线应具有一定的接触压力。滑板和接触导线分别属于两个弹性系统――受电弓系统与接触网系统，两个弹性系统相互接触提供了滑板和接触导线之间的接触压力。接触压力必须符合规律，在一定范围内波动。受电弓的滑板和接触网导线是电力牵引供电系统中重要的组成元件，滑板和接触线必须满足一定的性能要求，同时要求受电弓滑板材料必须与铜合金接触导线相匹配。

受电弓接触压力滑板接触导线城市轨道交通以电能为驱动力，采用轮轨运转方式，具有安全、快捷、准时、舒适、运量大、无污染、占地少等鲜明的特点，是城市公共交通的一个重要组成部分。电力机车、电动车辆从接触网接触导线或导电轨受取电流的装置称为受流器，是轨道交通车辆与固定供电装置之间唯一的电连接环节，受流器性能优劣直接影响电力机车或电动车辆的工作状态。随着机车运行速度的不断提高，对受流器性能的要求也越来越高。

受电弓是受流器中的一种，属于上部受流，与其他受流器相比，具有较好的受流质量。受电弓安装在机车或动车车顶上，受电弓弓头的滑板与接触线接触，相对滑动，从接触网上取下电流，输送给电力机车，这一过程称之为受流。受电弓与接触网可靠地接触是保证高速受流的重要条件。

受流质量是指负荷电流通过接触线和受电弓滑板接触面的流畅程度。影响受流质量的因素很多，下面就接触压力、滑板材料、接触线材质三个主要方面加以分析。

一、弓网接触压力

受电弓和接触线之间必须有一定的接触压力，才能保证牵引电流的顺利流通。弓网实际接触压力由三部分组成：受电弓升弓系统施加于滑板，使之向上的垂直力为静态接触压力；接触网沿线各点的刚度不同，接触悬挂本身存在弹性差异，抬升力不同，运行中上下振动，从而产生交变的动态接触压力；受电弓在运行中受空气流作用产生的一个随速度增加而迅速增加的空气电动力，使接触压力增加。

1.静态接触压力与静特性

额定静态接触压力是指在静止状态下，受电弓弓头滑板在工作高度范围内对接触网导线的压力，它与工作高度之间的关系称为受电弓的静特性。受电弓滑板沿接触导线滑动，若接触压力太小，则接触电阻增大且易跳动，使供电时断时续，导致接触不良甚至引起火花或电弧；若接触压力太大，增加滑板和导线的磨损，缩短使用寿命。因此，要求受电弓的机械结构能保证滑板在工作高度范围内具有相同的接触压力。

2.动特性

机车运行时，受电弓是随着接触导线高度的变化而上下运动的。当运动速度不大时，接触压力可视为基本按静特性曲线变化，但随着车速的增高，受电弓上下运动的惯性力、气体动态分力、列车运动产生的干扰力等动态参数直接决定受流质量。

在动能相等的情况下，把受电弓运动系统的质量归化到滑板上，该质量称为归化质量。它与受电弓提升高度的关系称为受电弓的动特性。为了在动态情况下取得较稳定的接触压力，就要设法尽量减少归化质量，特别是减轻上部结构质量，弓头部分一般采用较轻的铝合金材料。

3.空气电动力

当列车速度达到250km/h及以上时，高速气流产生的空气动力对列车部件的影响也越来越大，并且空气阻力占到了总阻力的75%―80%，直接制约列车的行进速度，良好的受电弓空气动力性能是保证弓网系统具有良好稳定性和跟随性的重要因素，目前对空气动力学性能的研究主要有实验研究法和模型模拟试验法。

4.弓网接触压力简析

弓网接触压力能直观的反映受电弓滑板和接触线间的接触情况，它必须符合规律，在一定范围内波动。上述三种作用力的合力，如果过大，接触线的抬升量会超过范围，使接触线局部弯曲，引起接触线疲劳损伤，同时使接触导线和集电头接触板的磨耗加大，缩短其使用寿命，严重时会引起断线等弓网事故。如果接触压力太小，会使弓网接触不良，增加离线率，拉弧现象严重，供电时断时续，烧损接触线。

二、滑板的质量和机电性能对受流质量的影响

1.受电弓滑板的性能要求

受电弓的滑板是电力机车上重要的集电元件，它安装在受电弓的最上部，直接与接触导线接触，在滑动状态下从接触导线上获得100―1000A的电流，为机车供应电力。随着车速的不断提高，对受电弓滑板的综合性能也提出了越来越高的要求。列车高速运行，一方面，滑板表面摩擦产生的热量大大增加，致使滑板表面升温，引起滑板表面状况恶化；另一方面，当滑板遇到接触网上的“硬点”时会产生阶跃式的冲击，造成瞬间离线拉弧现象，在接触点处产生3000℃以上的高温，导致接触点软化甚至熔融，电烧蚀严重致使滑板表面质量下降，摩擦因数增加，磨损加剧。为此，滑板的性能必须满足以下要求：

（1）电阻率低，耐弧性强，接触电阻要小；

（2）熔点高，导热性能良好；

（3）力学性能好，能承受一定的冲击载荷，弹性好，机械强度高；

（4）与铜或铜合金接触线之间摩擦系数低，对接触导线及滑板自身的磨耗小；

（5）质轻，便于实现轻量化和标准化。

2.受电弓滑板材质分类及应用

（1）纯金属滑板

钢、铜等纯金属滑板机械强度高，取材方便，使用寿命长，成本低，引发故障概率低，但对接触网导线磨耗大，现已不使用。

（2）粉末冶金滑板

粉末冶金滑板分铜基和铁基两类。铜基粉末冶金滑板机械强度较好，表面硬度适中，滑板和导线的磨耗比较匹配。针对粉末冶金材质较少，含油较低的缺点，我国研制了机械复合式铜基粉末冶金滑板。这种滑板可随时提供，大大的降低结对接触导线的磨耗，同时其自身的耐磨性也比较好，表面硬度稍高，不易出现断裂、不均匀磨损现象。自身含有材料，能减轻对接触导线的磨损；但由于其表面硬度远高于铜线硬度，对铜导线的磨耗也是比较大的。

（3）碳滑板

碳滑板对导线磨耗低，可延长导线的使用寿命，但机械强度低，易出现断裂、掉块，引发弓网事故概率大，使用寿命短，适用范围受到限制。

（4）浸金属碳滑板

浸金属碳滑板分为整体式和组装式两类，具有较好的电学性能，基本解决了碳滑板机械强度低的问题，耐磨性能大为提高，能根本解决导线磨耗太快的问题；但抗冲击力不足，易出现掉块，使用过程中需要整形，价格过高，维护成本也较高。

（5）碳-铜复合材料滑板

碳-铜复合材料滑板是以硬质金属粉作为碳增强体，经烧结等工序而制成。碳粉表面依次进行化学镀、电镀铜的方法，使碳粉粒子具有良好的导电性，且可通过控制电镀时间来控制镀层厚度，使碳粉在做复合填料方面有了更为广泛的应用前景。

目前，铜合金接触导线已达70%以上，要求受电弓滑板材料必须与铜合金接触导线相匹配。开发研制铜系金属基体与碳系剂比例合适的高强度、高冲击韧性、低电阻系数、低磨耗比的新型碳滑板材料是我国电力机车受电弓滑板材料的发展方向。

三、接触线材质对受流质量的影响

接触网导线也称为电车线，其材质、工艺及性能、接触线截面积的选择等应满足牵引供电计算的要求。

1.接触线的性能要求

具有较小的电阻率、较大的导电能力；要有良好的抗磨损性能，使用寿命长；要有高强度的机械性和较强的抗张能力。

2.接触线按材质分类及应用

接触线按照材质主要分为铜接触线、钢铝接触线和铜合金接触线。

我国电气化铁路建设初期，采用的是铜接触线，TCG-110、TCG-100用于站场正线和区间，TCG-85主要用于站场侧线。

为了减少有色金属铜的使用量，我国研制使用了以铝代铜的钢铝接触线。钢铝接触线是由导电性能较好的铝和机械强度较高的钢滚压冷轧而成，刚的部分用于保证应有的机械性能和耐磨性能，铝的部分用于导流。我国采用的钢铝接触线有GLCA100/215、GLCB80/173以及内包钢的GLCN型钢铝接触线。钢铝接触线具有很好的机械强度，不容易断线，安全性能好，并且具有价格便宜、材料来源广泛的优点。

铜合金线以其抗拉强度高、耐高温性能好的优势逐渐被业内人士所认可，目前地铁中常采用CTHA―110型、CTHB―120型银铜合金接触线，镁铜合金接触线也有使用。

四、结论

受电弓滑板、接触网导线及弓网弹性系统之间的相互作用，影响电力机车运营速度和安全可靠性，速度越高，弓网关系越不稳定。为提高受流质量，要从接触网和受电弓的具体设计参数入手，从结构上保证受电弓与接触网有良好的弹性接触并有适合的接触压力；并尽量采用轻质材料，降低弓头归化质量，保证良好的弓网动力学特性；建立受电弓――接触网系统模型，分析参数及其相互关系是提高弓网供电质量的必修课题。

参考文献：

[1]王宁，单圣熊.受电弓与接触网接触压力分析.电气化铁道，2000，（2）.

[2]吴程钦，李岚.受电弓与接触网相互作用综述.百度文库.

[3]杨俭，宋瑞刚，方宇.城市轨道交通车辆受电弓――接触网系统稳定性分析，铁道学报，2011，（9）.