電力機車碳滑板磨耗規(guī)律的研究

趙 磊， 張 彬， 杜建波

(中國鐵路濟南局集團有限公司 濟南機務(wù)段 質(zhì)量信息分析中心， 濟南 250023)

碳滑板同接觸網(wǎng)接觸運動的關(guān)系比較復(fù)雜，受多種因素的影響：(1)載荷周期性隨機變化。雖然碳滑板同接觸網(wǎng)有固定的接觸壓力，一般在70～80 N之間，但在運行中由于弓網(wǎng)振動和接觸網(wǎng)Z字型布置，使得接觸壓力既有隨機性又有周期性[1]。(2)接觸移動時有強電流。碳滑板從接觸網(wǎng)獲取電流，電力機車電流在400 A左右，高速電力機車將提高到850 A[2-3]，在這種工況下易造成局部接觸高溫，同時當(dāng)因弓網(wǎng)振動瞬間離線時，易造成電弧侵蝕。(3)高速接觸滑動。目前電力機車的速度為160 km/h，但在實際運動過程中，機車速度較多保持在120 km/h左右，因此屬于高速摩擦副。(4)環(huán)境條件復(fù)雜。機車在實際運行過程中受多種環(huán)境因素影響，例如雨雪、沙塵、高溫、嚴(yán)寒、霜凍、地形、線路工況等，這些因素都對碳滑板的磨損特定有重要影響[4]。

綜上所述，機車在運行中弓網(wǎng)關(guān)系復(fù)雜，影響因素較多，在以往的研究當(dāng)中，多采用控制變量法對碳滑板的磨損情況進行研究[5-7]，例如電流、壓力、時間、速度等，雖然考慮多種變量，但實驗室內(nèi)的研究還是難以模擬機車運行的實際工況，文中以機車真實運用環(huán)境為基礎(chǔ)，研究碳滑板的磨耗情況，并采用最小二乘法進行線性模型，得出碳滑板磨耗規(guī)律。

1 跟蹤方法

濟南機務(wù)段質(zhì)量信息分析中心集成多種機車檢測監(jiān)測設(shè)備，其中入庫檢測主要包括受電弓及車頂狀態(tài)動態(tài)檢測系統(tǒng)、機車車輪動態(tài)檢測系統(tǒng)、走行部動態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)；車載監(jiān)測主要包括走行部監(jiān)測裝置和6A系統(tǒng)；遠程監(jiān)測包括CMD、MT-50設(shè)備等。全面匯總機車數(shù)據(jù)，大力發(fā)展數(shù)據(jù)檢修，是質(zhì)量信息分析中心的主要任務(wù)，眾多檢測設(shè)備也讓研究機車實際運用中碳滑板的磨耗情況成為可能。

1.1 受電弓及車頂狀態(tài)動態(tài)檢測系統(tǒng)

設(shè)備安裝在濟南機務(wù)段機6股入庫線路上，采用高速、高分辨率、非接觸式圖像分析測量技術(shù)，實現(xiàn)了對受電弓滑板磨耗、中心線偏移、工作壓力等關(guān)鍵特性參數(shù)的動態(tài)自動檢測和車頂異物及關(guān)鍵部件狀態(tài)的室內(nèi)可視化觀測。

跟蹤內(nèi)容：機車每次入庫時，受電弓檢測設(shè)備會對碳滑板進行檢測，從而獲取碳滑板磨耗厚度，相對于人工測量的方法，設(shè)備檢測誤差小，穩(wěn)定性好，精確度高。

1.2 6A系統(tǒng)

機車車載安全防護系統(tǒng)(簡稱：6A系統(tǒng))是針對機車的 高壓絕緣、防火、視頻、列車供電、制動系統(tǒng)、走行部 等危及安全的重要事項、重點部件和部位，采用實時檢測、監(jiān)視、報警并可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲和智能人機界面，整體研究設(shè)計而形成平臺化的安全防護裝置。

跟蹤內(nèi)容：機車運用過程中，Ⅰ、Ⅱ端受電弓是交替使用的，這就需要判斷出Ⅰ、Ⅱ端弓分別走行里程，在6A系統(tǒng)的"微機"選項界面，可以判斷機車在運行過程中弓位使用情況，從而進一步確定受電弓實際運用里程。

1.3 機車交路查詢系統(tǒng)

跟蹤內(nèi)容：可查詢機車運用交路情況，掌握機車車次信息、運行線路、發(fā)站到站情況，為獲取機車走行公里數(shù)做基礎(chǔ)。

1.4 CMD機車遠程監(jiān)控系統(tǒng)

CMD系統(tǒng)的主要功能是將機車各設(shè)備數(shù)據(jù)實時記錄并轉(zhuǎn)發(fā)，作為機車數(shù)據(jù)傳輸中樞，肩負著傳輸LKJ、TCMS、6A實時數(shù)據(jù)、北斗數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)記錄文件的重任。實現(xiàn)機車定位、機車質(zhì)量狀態(tài)監(jiān)測、機車運行安全監(jiān)測、動態(tài)跟蹤人車圖等功能，是機車車載監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成、車地?zé)o線傳輸和綜合應(yīng)用平臺。

跟蹤內(nèi)容：機車交路查詢系統(tǒng)會受局域限制，同時如若機車因突發(fā)狀況更換車次或更改線路，交路系統(tǒng)則不能及時變更歷史交路信息，CMD系統(tǒng)具有實時查詢機車車次信息和運行軌跡功能，因此即使機車因突發(fā)情況未能按照原始交路計劃運行，也可以掌握機車實際交路情況。

1.5 列車時刻查詢軟件

跟蹤內(nèi)容：通過機車交路系統(tǒng)和CMD系統(tǒng)準(zhǔn)確獲得機車運行交路情況以后，可以通過列車時刻查詢軟件來獲取機車運行里程信息。

2 方案實施

確定碳滑板跟蹤方法以后，選定HXD3D 0187和HXD3D 0562兩臺機車進行跟蹤研究，跟蹤時間為7個月，每臺機車分為Ⅰ端和Ⅱ端受電弓，每端受電弓有兩條碳滑板，因此一臺機車跟蹤4條碳滑板，升弓壓力均設(shè)定為80 N。

圖1 機車受電弓位置示意圖

日期車次出發(fā)站到達站里程/km弓位最小剩余/mmAB最小剩余/mmCD2017-02-17Z170青島濟南393Ⅱ 2017-02-17Z167濟南徐州319Ⅱ 2017-02-17K48徐州濟南319Ⅰ39.138.2 ????????????????????2017-09-29K1512徐州聊城397Ⅰ 2017-09-29K8324/1聊城濟南124Ⅱ 31.734.32017-09-30K1561濟南徐州319Ⅰ 2017-09-30K1562徐州濟南319Ⅱ 31.834.4

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 線性相關(guān)系數(shù)

引入相關(guān)系數(shù)公式，其中r值0<|r|≤1，|r|越接近于1，x，y之間的線性越好，r為正，直線斜率為正，稱為正相關(guān)；r為負，直線斜率為負，稱為負相關(guān)。|r|接近于0，則測量數(shù)據(jù)點分散或x，y之間為非線性。r0稱為相關(guān)系數(shù)起碼值，與測量次數(shù)n有關(guān)，當(dāng)|r|>r0時，則具有較好的線性相關(guān)性，通過計算，判斷得出碳滑板磨耗數(shù)據(jù)具有較好的線性擬合條件。

(1)

3.2 線性擬合處理

對所有的碳滑板數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，線性擬合得出線性公式，如圖2所示，其中HXD3D 0187機車D碳滑板由于在跟蹤過程中更換過，因此未納入統(tǒng)計。

由圖3中數(shù)據(jù)可以看出，在機車實際運行過程中，隨著應(yīng)用里程的增加，碳滑板的厚度逐漸減小，基本按照線性關(guān)系磨耗。擬合成線性公式y(tǒng)=ax+b，其中y表示碳滑板厚度值，x表示碳滑板實際應(yīng)用里程，a表示磨耗率，b表示碳滑板的初始厚度值，我們將圖3 7條碳滑板的磨耗公式求取平均，得出一個大約的磨耗公式：

y=-5.78×10-5x+b

(2)

從式(2)中，可以計算得出碳滑板的一些參數(shù)，例如，一條新碳滑板從應(yīng)用到超限報廢，大約可走行276 816 km；碳滑板磨耗1 mm，大約可走行17 301 km；滑板運用10 000 km，大約磨耗0.58 mm等；通過式(2)可以進一步了解碳滑板的應(yīng)用性能，從而為受電弓檢修工藝的制定和技術(shù)文件的下發(fā)提供指導(dǎo)依據(jù)。

圖2 HXD3D 0187機車碳滑板數(shù)據(jù)

圖3 HXD3D 0562機車碳滑板數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

(1)在機車實際應(yīng)用過程中，碳滑板的磨耗受多種因素影響，但其磨耗規(guī)律趨于線性，隨著走行里程的增加厚度逐漸降低。

(2)對所跟蹤的碳滑板數(shù)據(jù)進行線性擬合，不同碳滑板間所得公式斜率較為接近，說明不同機車不同碳滑板磨耗速率相差不大。

(3)機車在運用過程中通常是升后弓運行，Ⅰ、Ⅱ端受電弓交替使用，在長期的統(tǒng)計過程中發(fā)現(xiàn)，Ⅰ、Ⅱ端受電弓使用頻率均等，各自應(yīng)用里程接近。