弓网滑动电接触摩擦力特性与建模研究

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摘要

辽宁工程技术大学电气与控制工程学院的研究人员郭凤仪、陈明阳等，在2018年第13期《电工技术学报》上撰文指出，电气化铁路受电弓与接触网（弓网）系统的载流摩擦性能是影响列车受流和受电弓滑板磨损的关键因素。该文利用销盘式高速载流摩擦磨损实验机，以浸金属碳磨销与纯铜盘为摩擦副，获得与压力载荷、滑动速度、电流密度相关的摩擦力特性规律。

摩擦力随着压力载荷的增加而增大，随着电流密度的增加而减小，随着滑动速度的增加而增大。并且随着压力载荷的增加，摩擦力的增大幅度逐渐变缓。在此基础上，采用支持向量机建立弓网系统下与压力载荷、滑动速度、电流密度相关的摩擦力回归模型，采用遗传算法进行参数优化。利用实验数据，验证模型的有效性，为今后弓网系统摩擦力的进一步研究提供参考。

电气化铁路中，受电弓滑板与接触网导线组成一对特殊摩擦系统，即摩擦接触系统和电接触系统，两者之间彼此影响，共同作用，具有复杂性和交叉性[1]。受电弓与接触网（弓网）系统的载流摩擦磨损性能直接影响电力机车的动力供应和弓网系统的维护成本[2-5]。而载流摩擦磨损是滑动电接触的主要特征，其中摩擦力是造成接触磨损的主要因素，因此针对弓网系统摩擦力的研究具有现实意义。

有关弓网滑动电接触载流摩擦力方面的研究，国内外一些文献针对弓网系统摩擦系数、磨损率等特性规律进行了分析研究，但都很少涉及摩擦力特性的研究，也未见进行摩擦力建模方面的研究。文献[6-8]研究了接触压力、接触电流、滑动速度对摩擦因数及磨损率的影响以及弓网载流磨损的建模与预测。

文献[9]研究表明接触电流、法向载荷和滑动速度对不锈钢与浸渍铜金属化碳的摩擦和磨损行为具有明显的影响。文献[10]研究了无电流时摩擦系数显著高于有电流时摩擦系数，摩擦系数随着电流和法向力的增大而减小，但随着滑动速度的增大而略微升高。

关于摩擦力建模方面的研究，上官博等[11]基于Csaba摩擦模型研究出一个可以在接触面摩擦移动过程中，考虑法向载荷随时间变化的微滑移干摩擦模型。G. Palli等[12]针对机器人手关节的摩擦力补偿技术，基于简化的LuGre模型建立了一个新的摩擦力模型。这些文献虽然进行了摩擦力建模方面的研究，却都未涉及电流对摩擦力影响方面的研究。

本课题组近年来一直从事弓网滑动电接触相关研究，并取得了一些研究成果[13-15]。本文利用销盘式高速载流摩擦磨损实验机，进行了浸金属碳磨销与铜盘的载流摩擦磨损实验。获得与压力载荷、滑动速度、电流密度相关的摩擦力的特性规律，并利用金相显微镜结合不同实验条件下浸金属碳磨销的表面形貌进行了理论分析。

由于高速载流条件下的摩擦机理十分复杂，建立具有一定物理意义的数学模型比较困难，而回归模型可以通过大量实验数据进行模型训练，反映自变量与因变量之间的入出关系。支持向量机（Support Vector Machine，SVM）在回归问题，特别是在小样本回归问题的应用中更具有优势[16]，因此本文基于实验数据，在理论分析的基础上，采用支持向量机的方法建立摩擦力回归模型，采用遗传算法进行参数优化。利用实验数据，验证回归模型的有效性。

图1  高速载流摩擦磨损实验机

结论

1）载流摩擦过程中，摩擦力会先经历一个跑合期，这个期间摩擦力先从较小的初始值快速增加再逐渐趋于稳定，然后再进入一个相对稳定期。跑合期时间的长短与多个因素有关，不同条件下跑合时长不同。而稳定期的摩擦力围绕一个基本不变的中值上下波动，其波动呈显著的正态分布。

2）弓网滑动电接触下摩擦力随压力载荷的增加而增大，随电流密度的增加而减小，随滑动速度的增加而增大。并且随着压力载荷的增加，摩擦力的增大幅度逐渐变缓。

3）在弓网滑动电接触中，电流具有一定的润滑作用。在压力载荷与滑动速度不变的情况下，电流密度增加导致接触表面的温度升高是造成摩擦力减小的主要原因。

4）应用支持向量机建立了弓网滑动电接触下以压力载荷、电流密度和滑动速度作为自变量，以摩擦力作为因变量的SVR回归模型。采用遗传算法进行参数优化，通过实验数据验证了模型具有良好的预测精度和泛化能力，为今后弓网系统摩擦力的进一步研究提供了参考。