CN101726458A - 电力机车受电弓碳板与铜导线摩擦性能测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

电力机车受电弓碳板与铜导线摩擦性能测试系统及方法，用于研究电力机车受电弓碳板与接触网铜导线之间在摩擦和高电流耦合作用下的性能。该系统包括升流器、受电弓碳板、铜盘、拉绳式摩擦力加载及测量装置、变频调速转动装置和控制和数据处理系统。受电弓碳板安装在拉绳式摩擦力加载及测量装置上，铜盘安装在变频调速转动装置上。受电弓碳板与铜盘由拉绳作用相互压紧，升流器产生高电流流过相互摩擦滑动的受电弓碳板和铜盘。设计了多种铜盘结构可模拟真实受电弓与接触网铜导线之间摩擦、高电流以及冲击耦合现象。该实验系统可用于研究摩擦、高电流以及周期冲击耦合作用下碳铜之间的摩擦磨损行为及物理化学作用。

Description

电力机车受电弓碳板与铜导线摩擦性能测试系统及方法

技术领域

本发明涉及电力机车受电弓碳板与接触网铜导线之间在高电流下摩擦磨损性能研究，属于电力机车实验设备技术领域。

背景技术

在电气化铁道中，电力机车通过受电弓从接触网上获取电能。受电弓碳板与接触网铜导线构成的是一对机械与高电压高电流耦合的特殊摩擦副，其载荷周期性随机变化、伴有强电流通过、两者高速滑动，并且工作环境复杂。受电弓碳板与接触网铜导线之间的电摩擦磨损制约高速铁路发展，其行为是高速铁路发展必须研究的课题。

对于受电弓碳板与接触网铜导线之间摩擦磨损性质的研究，大多采用通用摩擦磨损实验机，如销盘式摩擦实验机；也有采用具有集电功能的专业实验机来测定滑板比磨损量、接触导线磨损率以及滑板的耐电弧性等性能以评价受电弓碳板与接触网铜导线之间的摩擦性能。

销盘式摩擦实验机通常采用杠杆加载或者直接正压力加载方式，在实验过程中受电弓碳板与铜盘之间滑动摩擦，两者间抖动和冲击处于不可控状态，常伴有剧烈的刚性冲击，这和受电弓与铜导线之间实际工况差别很大，不能够很好地模拟实际工况。

具有集电功能的专用实验机通常将整个铜导线盘成一个尺寸很大的圆盘，同时将受电弓碳板压紧在铜导线圆盘上，其实验中冲击状态和销盘式摩擦实验机相似，导致整个实验系统尺寸庞大并且也不能很好地模拟受电弓碳板与铜导线实际工况。

在实际工作过程中，电力机车运动和接触网铜导线的抖动等原因导致受电弓和接触网铜导线之间的压力并不是恒定的，其压力波动甚至于产生电弧，这在上述实验机中均不能模拟。

发明内容

本发明提供的电力机车受电弓碳板与铜导线摩擦性能测试系统及方法，其目的在于：在高电流情况下，对受电弓碳板与铜盘之间进行点接触、线接触以及振动接触等多种摩擦实验。研究受电弓碳板和铜导线在高电流变压力下的摩擦磨损性能。研究受电弓碳板和铜导线之间的摩擦系数变化与流过电流、加载正压力以及相对滑动速度等因素的关系。模拟电力机车在运行过程中，受电弓碳板和接触网铜导线之间的接触状态，即模拟电力机车运行过程中接触正压力忽大忽小，并不时产生电弧的状态。

本发明的技术方案如下：

一种电力机车受电弓碳板与铜导线摩擦性能测试系统，该系统包括升流器、受电弓碳板、铜盘、摩擦力加载及测量装置、变频调速装置和控制及数据处理系统；所述的控制及数据处理系统分别控制升流器、摩擦力加载及测量装置和变频调速装置；升流器产生低压高电流交流电通过相互接触的受电弓碳板和铜盘后流入升流器，其特征在于：所述的摩擦力加载及测量装置采用拉绳式摩擦力加载及测量装置，所述拉绳式摩擦力加载及测量装置含有加载弓、第一拉绳、第二拉绳以及限位板；所述的加载弓为轴对称结构，加载弓位于第一限位板和第二第一限位板内；所述的受电弓碳板安装在加载弓的中部，受电弓碳板和铜盘接触的摩擦点与两拉绳的延长线的交点重合；所述的第一拉绳的一端与加载弓的右端连接，另一端固定，在该拉绳的中部安装有第一拉压传感器；所述第二拉绳的一端与加载弓的左端连接，另一端跨过滑轮与砝码连接，在该拉绳的中部安装有第二拉压传感器。

本发明的技术特征还在于：所述的铜盘外形采用正外缘、偏外缘、螺旋外缘或螺旋偏外缘。

本发明所述的变频调速装置由变频器、调速电机、联轴节、中心转轴、轴承以及法兰盘组成，在所述的中心转轴与轴承之间设有内绝缘套，在轴承与法兰盘之间设有外绝缘套，所述的联轴节采用工程塑料。

本发明还提供了一种电力机车受电弓碳板与铜导线摩擦性能测试方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)调整第一拉绳和第二拉绳，使两拉绳延长线的交点与受电弓碳板和铜盘的接触点重合，测算两根拉绳与中轴线夹角α；

2)在夹角α已知条件下，从0.5Kg-10Kg逐渐增加砝码的重量F；

3)在夹角α和砝码总重一定情况下，分别或同时调整变频调速装置使铜盘获得所需要的转速W，转速W大小从0rpm至6000rpm变化；

4)通过升流器获得电流I，电流大小从0-500A；

5)利用数据采集卡采集第一拉压传感器和第二拉压传感器的输出电压V₁和V₂，采用下列公式：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_N=(V_1+V_2)\frac{F_0}{V_0}\sin \mathrm{\α}\\ F_f=(V_1-V_2)\frac{F_0}{V_0}\cos \mathrm{\α}\\ f=\frac{V_1-V_2}{V_1+V_2}\tan \mathrm{\α}\end{array}\right.$

式中：F₀、V₀为拉压传感器标定重量及电压，α为两根拉绳与加载弓中轴线的夹角，V₁和V₂分别为第一拉压传感器和第二拉压传感器的输出电压；

计算得到在转速W、电流I和加载砝码为F的条件下，受电弓碳板与铜盘之间挤压的正压力F_N及相互摩擦力F_f。

附图说明

图1为电力机车受电弓碳板与铜导线摩擦性能测试系统简图。

图2a、图2b为拉绳式摩擦力加载及测量装置的结构示意图。

图3为正压力和摩擦力测量原理图。

图4为电流回路及装置示意图。

图5为水平安装的拉绳式摩擦力加载及测试装置。

图6为正外缘铜盘的结构示意图。

图7为偏外缘铜盘结的构示意图。

图8为螺旋外缘铜盘的结构示意图。

图9为偏螺旋外缘铜盘的结构示意图。

图10为绝缘结构。

图中：1-控制以及数据处理系统；2-拉绳式摩擦力加载及测量装置；3-变频调速转动装置；4-受电弓碳板；5-铜盘；5.a-正外缘铜盘；5.b-偏外缘铜盘；5.c-螺旋外缘铜盘；5.d-偏螺旋外缘铜盘；6-升流器；21-加载弓；22a-第一拉绳；22b-第二拉绳；23.a第一限位板；23.b-第二限位板；24-滑轮；26.a-第一拉压传感器；26.b-第二拉压传感器；27-砝码；32-调速电机；33-联轴节；34-轴承；35-法兰盘；36.a-内绝缘套；36.b-外绝缘套；71-中心转轴；72-导线连接器；76-弹簧；77-回路碳刷；78.a-大电流导线；78.b-大电流导线；79-铜套。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细地描述，但本发明的实施方式不限于此。

图1为整个电力机车受电弓碳板与铜导线摩擦性能测试系统框图。包括如下部分：升流器6、受电弓碳板4、铜盘5、拉绳式摩擦力加载及测量装置2、变频调速转动装置3、控制以及数据处理系统1。控制及数据处理系统1分别控制升流器6、摩擦力加载及测量装置2和变频调速装置3。升流器6产生低压高电流交流电通过相互接触的受电弓碳板4、铜盘5后流入升流器；变频调速装置3控制铜盘转速和转动方向。

图2为拉绳式摩擦力加载及测量装置(竖直安装示意图)，该拉绳式摩擦力加载及测量装置含有加载弓21、第一拉绳22.a、第二拉绳22.b、第一限位板23a以及第二限位板23b；所述的加载弓为轴对称结构，加载弓位于第一限位板23.a和第二第一限位板23.b内；受电弓碳板4安装在加载弓21的中部，受电弓碳板和铜盘接触的摩擦点与两拉绳的延长线的交点重合；第一拉绳的一端与加载弓的右端连接，另一端固定，在该拉绳的中部安装有第一拉压传感器26.a；所述第二拉绳的一端与加载弓的左端连接，另一端跨过滑轮24与砝码27连接，在该拉绳的中部安装有第二拉压传感器26.b。加载弓21位于第一个限位板23.a和第二限位板23.b内，保证实验过程中，加载弓21及固定在其内部的受电弓碳板4悬浮在限位板内部而不会跳出。加载弓21为对称结构，具有对称中轴线。实验前，调整第一拉绳22.a及第二拉绳22.b，使其延长线交点与受电弓碳板4和铜盘5接触摩擦点重合。

整个拉绳式摩擦力加载及测量系统也可水平安装，参见图5。水平安装时，实验过程中需要受电弓碳板4以及加载弓21保持在一平面内，在加载弓21上下两侧布置限位板，并保持第一限位板、第一限位板与加载弓21光滑滑动。

本发明提供的电力机车受电弓碳板与铜导线摩擦性能测试方法，其具体包括如下步骤：

1)调整第一拉绳22.a和第二拉绳22.b，使两拉绳延长线的交点与受电弓碳板4和铜盘5的接触点重合，测算两根拉绳与中轴线夹角α；

2)在夹角α已知条件下，从0.5Kg-10Kg逐渐增加砝码的重量F；

3)在夹角α和砝码总重一定情况下，分别或同时调整变频调速装置使铜盘获得所需要的转速W，转速W大小从0rpm至6000rpm变化；

4)通过升流器(6)获得电流I，电流大小从0-500A；

5)利用数据采集卡采集第一拉压传感器和第二拉压传感器的输出电压V₁和V₂，采用下列公式：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_N=(V_1+V_2)\frac{F_0}{V_0}\sin \mathrm{\α}\\ F_f=(V_1-V_2)\frac{F_0}{V_0}\cos \mathrm{\α}\\ f=\frac{V_1-V_2}{V_1+V_2}\tan \mathrm{\α}\end{array}\right.$

式中：F₀、V₀为拉压传感器标定重量及电压，α为两根拉绳与加载弓中轴线的夹角，V₁和V₂分别为第一拉压传感器和第二拉压传感器的输出电压；

计算得到在转速W、电流I和加载砝码为F的条件下，受电弓碳板与铜盘之间挤压的正压力F_N及相互摩擦力F_f。

拉绳式摩擦力加载及测量装置测试原理图见图3所示。测试过程中，加载弓21及受电弓碳板4可以简化成钢化三角形，其对称边长L，等于加载弓21上受电弓碳板4和铜盘5接触点与加载弓21上拉绳安装点的距离。第一拉绳22.a受力方向沿其固定点与B(B’)点连线；第二拉绳22.b受力方向沿滑轮点与A(A’)点连线。

如图3所示，在初始状态下，第一拉绳22.a与第二拉绳22.b关于加载弓21中轴线对称，且F₁＝F₂。假设当铜盘5开始逆时针转动后，加载弓21顺时针转动一个小角度dα，那么不同于初始状态，在绕C点形成一个顺时针的转矩，可表示为：

$M=[F_2\frac{L+a}{a}+F_1\frac{L+b}{b}]L\·\mathrm{d\α}---\left(1\right)$

上式中，a为第一拉绳22.a固定点与B(B’)点连线长度；b为第二拉绳22.b绕过滑轮24与A(A’)点连线长度。L为由加载弓21钢化三角形的等腰边长。由于摩擦力F_f以及正压力N始终通过C点，不产生绕C点转矩，所以，上式产生的回复转矩M理论上也应该等于0，即dα＝0。这说明，在实验过程中加载弓21绕C点的转动会立即被拉回到初始稳定位置，即摩擦点保持在实验初始的位置而不会发生错位，实验状态是稳定的。

系统实验状态包括加载电流、加载砝码、铜盘转动速度，上述三个条件下，系统在稳定的实验状态下，对拉绳拉力F₁、F₂以及F_f、F_N构成汇交平衡力系，受电弓碳板4和铜盘5之间的正压力F_N以及摩擦力F_f可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_N=(V_1+V_2)\frac{F_0}{V_0}\sin \mathrm{\α}\\ F_f=(V_1-V_2)\frac{F_0}{V_0}\cos \mathrm{\α}\\ f=\frac{V_1-V_2}{V_1+V_2}\tan \mathrm{\α}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：F₀、V₀为拉压传感器标定重量及对应输出电压。V₁、V₂为拉压传感器26.a及26.b输出电压。α为第一拉绳22.a、第一拉绳22.b与加载弓21中轴线夹角。就计算得到在转速W，电流I，加载砝码为F条件下，受电弓碳板4与铜盘5之间挤压的正压力F_N及相互摩擦力F_f。这样，通过采集并计算拉压传感器26.a(b)得到的输出电压可得受电弓碳板4和铜盘5之间的加载正压力F_N以及摩擦力F_f。两者比值为瞬时摩擦系数f。

图4显示电力机车受电弓碳板与铜导线摩擦性能测试系统中大电流流过受电弓碳板4和铜盘5的回路及结构简图。铜盘5安装在中心转轴71上，铜盘下面为铜套79，铜盘5和铜套79相互压紧。通过变频器和变频调速电机调节铜盘5转动速度，以获得不同的摩擦线速度。加载弓21受到第一拉绳22.a及第二拉绳22.b作用，压紧加载弓21内部受电弓碳板4至铜盘5表面。回路碳刷77通过弹簧76压紧在铜套79上。大电流导线78.a通过导线连接器72与受电弓碳板4导通，大电流导线78.b则直接连接在回路碳刷77上。实验过程中，电流具体流向为：升流器6产生大电流，电流依次流过大电流导线78.a、导线连接器72、受电弓碳板4、铜盘5、铜套79、回路碳刷77和大电流导线78.b，最后流入升流器6。

铜盘5安装在中心转轴71上，中心转轴71通过联轴节连接至变频调速电机32，见图10。这样，通过变频调速电机调节铜盘5转动速度，可获得不同的摩擦线速度。

为模拟真实受电弓碳板和接触网铜导线之间的接触情况，本发明采用改变铜盘5外缘结构及偏心的方法获得不同的接触方式，具体见表1圆盘模拟的接触现象。具体圆盘结构见图6至图9。

表1四种铜盘结构与受电弓碳板的接触形式

	恒定正压力	周期性冲击	接触摩擦区域
				正外缘铜盘5.a	是	无	一个点
偏外缘铜盘5.b	否	有	一个点
				螺旋外缘铜盘5.c	是	无	一条线
螺旋偏外缘铜盘5.d	否	有	一条线

图6为正外缘铜盘的结构示意图，正外缘铜盘5.a与受电弓碳板4接触摩擦实验过程中，接触摩擦点为初始接触点，并在实验中保持不变，正压力也保持不变。

图7为偏外缘铜盘结的构示意图，d为偏心距，偏外缘铜盘5.b与受电弓碳板4接触摩擦实验过程中，接触摩擦点能基本保持不变，但是受电弓碳板4被偏外缘铜盘5b周期推开距离2d行程，这样，当偏外缘铜盘5b转动速度较大时，会产生电弧，电弧位置固定，正压力周期变化。

图8为螺旋外缘铜盘的结构示意图，其中θ为螺旋角，H为滑动距离；螺旋外缘铜盘5.c与受电弓碳板4接触摩擦实验过程中，接触摩擦点在碳板上上下滑动，滑动距离为H，但是受电弓碳板4不会被推开，正压力保持不变。

图9为偏螺旋外缘铜盘的结构示意图，其中d为偏心距，θ为螺旋角，H为滑动距离；螺旋偏外缘铜盘5.d与受电弓碳板4接触摩擦实验过程中，接触摩擦点不仅在碳板上下滑动，滑动距离为H，而且受电弓碳板4会被周期推开，正压力周期变化，当螺旋偏外缘铜盘5d转动速度较大时，会产生电弧，且电弧在碳板上下滑动。

图10为绝缘结构设计，铜盘5固定在中心转轴71上，为使电流不流过轴承34、变频调速电机32，损坏轴承34及变频调速电机32，本发明采用绝缘结构。具体为：在中心转轴71与轴承34之间、轴承34与法兰盘35之间设计绝缘套36.a和36.b，联轴节33采用工程塑料，保证通过受电弓碳板4和铜盘5的电流不流过轴承34、法兰盘35和变频调速电机32，系统绝缘。

实施例一：

1、采用5KW升流器可以产生输出电压最高为10V，输出电流最大为500A的低压大电流。设计、安装、调整得到公式(2)中α＝60°。选择拉压传感器，调整后测量得到F₀/V₀＝1Kgf/1V。实验过程中，采用数据采集采集拉压传感器26.a及26.b输出电压V₁，V₂。带入公式(2)得到：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_N=\frac{\sqrt{3}}{2}(V_1+V_2)\\ F_f=\frac{1}{2}(V_1-V_2)\\ f=\sqrt{3}\frac{V_1-V_2}{V_1+V_2}\end{array}\right.$

这样，通过第一拉压传感器26.a及第二拉压传感器26.b分别输出电压V₁和V₂，即可计算出动态正压力、摩擦力以及摩擦系数。

实施例二：

采用正外缘铜盘5a进行实验。正外缘铜盘5a与受电弓碳板4接触摩擦实验过程中，接触摩擦点为初始接触点。实验过程中，正压力基本保持不变，摩擦稳定。实验中，可以实时升高通过受电弓碳板4与铜盘5的电流，可见摩擦点出现明显碳板熔化现象。

实施例三

采用螺旋偏外缘铜盘5d进行实验。实验过程中，接触摩擦点不仅在碳板上下滑动，滑动距离为H，而且受电弓碳板4会被周期推开，正压力周期变化，当螺旋偏外缘铜盘5d转动速度较大时，会产生电弧，且电弧在碳板上下滑动。可以明显观察到电弧现象。较好地模拟了受电弓与接触网铜导线之间压力波动及电弧产生现象。

Claims (4)

1.电力机车受电弓碳板与铜导线摩擦性能测试系统，该系统包括升流器(6)、受电弓碳板(4)、铜盘(5)、摩擦力加载及测量装置、变频调速装置(3)和控制及数据处理系统(1)；所述的控制及数据处理系统分别控制升流器、摩擦力加载及测量装置和变频调速装置；升流器(6)产生低压高电流交流电通过相互接触的受电弓碳板(4)和铜盘(5)后流入升流器，其特征在于：所述的摩擦力加载及测量装置采用拉绳式摩擦力加载及测量装置(2)，所述拉绳式摩擦力加载及测量装置含有加载弓(21)、第一拉绳(22.a)、第二拉绳(22.b)以及限位板；所述的加载弓为轴对称结构，加载弓位于第一限位板(23.a)和第二第一限位板(23.b)内；所述的受电弓碳板安装在加载弓的中部，受电弓碳板和铜盘接触的摩擦点与两拉绳的延长线的交点重合；所述的第一拉绳的一端与加载弓的右端连接，另一端固定，在该拉绳的中部安装有第一拉压传感器(26.a)；所述第二拉绳的一端与加载弓的左端连接，另一端跨过滑轮(24)与砝码(27)连接，在该拉绳的中部安装有第二拉压传感器(26.b)。

2.根据权利要求书1所述电力机车受电弓碳板与铜导线摩擦性能测试系统，其特征在于：所述的铜盘采用正外缘铜盘(5.a)、偏外缘铜盘(5.b)、螺旋外缘铜盘(5.c)或螺旋偏外缘铜盘(5.d)。

3.根据权利要求书1或2所述电力机车受电弓碳板与铜导线摩擦性能测试系统，其特征在于：所述的变频调速装置(3)由变频器、调速电机(32)、联轴节(33)、中心转轴(71)、轴承(34)以及法兰盘(35)组成，在所述的中心转轴与轴承之间设有内绝缘套(36a)，在轴承与法兰盘之间设有外绝缘套(36.b)，所述的联轴节(33)采用工程塑料。

4.一种采用如权利要求1所述系统的电力机车受电弓碳板与铜导线摩擦性能测试方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)调整第一拉绳(22.a)和第二拉绳(22.b)，使两拉绳延长线的交点与受电弓碳板(4)和铜盘(5)的接触点重合，测算两根拉绳与中轴线夹角α；

2)在夹角α已知条件下，从0.5Kg-10Kg逐渐增加砝码的重量F；

3)在夹角α和砝码总重一定情况下，分别或同时调整变频调速装置使铜盘获得所需要的转速W，转速W大小从0rpm至6000rpm变化；

4)通过升流器(6)获得电流I，电流大小从0-500A；

5)利用数据采集卡采集第一拉压传感器和第二拉压传感器的输出电压V₁和V₂，采用下列公式：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_N=(V_1+V_2)\frac{F_0}{V_0}\sin \mathrm{\α}\\ F_f=(V_1-V_2)\frac{F_0}{V_0}\cos \mathrm{\α}\\ f=\frac{V_1-V_2}{V_1+V_2}\tan \mathrm{\α}\end{array}\right.$

式中：F₀、V₀为拉压传感器标定重量及电压，α为两根拉绳与加载弓中轴线的夹角，V₁和V₂分别为第一拉压传感器和第二拉压传感器的输出电压；

计算得到在转速W、电流I和加载砝码为F的条件下，受电弓碳板与铜盘之间挤压的正压力F_N及相互摩擦力F_f。

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