弓網接觸界面熱效應與磨損量的數值模擬*

火文輝，李忠學

(蘭州交通大學機電工程學院，甘肅蘭州 730070)

0 引言

隨著高速列車運行速度的進一步提高，弓網磨損問題越來越突出，已逐漸成為制約列車安全運行和進一步提速的關鍵問題之一。影響弓網摩擦磨損的主要因素有電流、速度、接觸壓力等。張婧琳通過試驗分析指出，在這三個影響因素中，電流對摩擦副的摩擦磨損性能影響最顯著［1］。趙燕霞通過試驗分析指出，磨損量隨速度的增大有增大的趨勢，并且也指出接觸壓力的波動幅度對材料載流摩擦磨損性能有顯著影響，接觸壓力的波動越大，影響越明顯［2］。通過大量的載流摩擦磨損試驗發現，在一定的條件下，磨損量與溫度有較強的線性正相關性［1，3-4］。由于接觸線與滑板材質不同，磨損量主要體現在滑板的摩擦磨損。筆者應用COMSOL Multiphysics有限元分析軟件［5］分析了電流、速度與接觸壓力對弓網接觸界面滑板的摩擦磨損的影響。

1 弓網載流摩擦磨損熱傳導的數學模型

弓網接觸界面熱效應［10］主要是由焦耳熱、摩擦熱以及電弧熱綜合作用的結果。弓網系統是假定物性參數為常數、第二類邊界條件下為半無限大物體的熱傳導問題，弓網接觸界面的溫度場可以從以下方面確定［1］:

電流通過時產生的焦耳熱:

相對滑動摩擦時產生的摩擦熱:

傳熱過程的控制方程為:

式中:J為電流密度;E為電場強度;Ff為摩擦力;v為受電弓滑板相對于接觸線的等效滑動速度;ρ為密度;Cp為比熱容;T為溫度;t為時間;k為熱傳導系數;Q為單位體積總熱功率。……