弓网载流摩擦耦合温度场的仿真研究_董霖_李传喜_陈光雄_等

（２） 在弓网法向接触压力一定、但相对运动速 度不同的条件下，弓网接触界面的耦合温度随电流 的增大而升高；但相对运动速度越高，弓网接触界
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中 国 铁 道 科 学 第 ３５ 卷
图 ２ 弓 网 载 流 耦 合 瞬 态 温 度 场
研究表明影响受电弓滑板与接触线摩擦磨损的 主要因素是弓网间的电流、相对运动速度和法向接 触压力，但重 要 因 素 是 弓 网 间 的 温 升 。 ［３－４］ 弓 网 载 流系统是一个复杂的多物理场耦合系统，系统的温 升是焦耳热和摩擦热耦合作用以及电弧热综合作用 的结果，磨损率最大值取决于摩擦面接触点因温升 而软化的情况，而发热量又是相对运动速度、摩擦 因数和法向接触压力等的函数。如何对多种热源导 致的温度场进行耦合，并研究其变化规律，是一个 尚待解决的科学问题。
２ ４００
１２．６ ０．４２５
４６９
２８
３．５０×１０－６
８ ９００
１１０ ０．３２０
３８４
３．９０×１０２
１．６６×１０－５
１．１９７ ３ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
１ １００
２．６０×１０－２
热辐射 电导率／ 相对介 黏度／ 系数 （Ｓ·ｍ－１） 电常数 （Ｐａ·ｓ）
０．２８ １．００×１０５ １．２ ０．８０ ５．５６×１０７ １．０
１１４．２１０ ５
（３）
式中：ｖ 为 相 对 运 动 速 度，ｋｍ·ｈ－１；Ｉ 为 电 流，
Ａ；Ｆｃｏｎ为 最 佳 法 向 接 触 压 力 ，Ｎ。
基 于 载 流 摩 擦 学 理 论， 采 用 ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌ－ ｔｉｐｈｙｓｉｃｓ ４．３ｂ多物 理 场 有 限 元 仿 真 分 析 软 件， 研 究弓网间不同相对运动速度、电流和法向接触压力 条件下的弓网载流摩擦瞬态和稳态耦合温度场的温 度变化情况。在一定的电流、速度条件下，耦合温 度随法向接触压力的增大，呈先减小后增大的变化 趋势；仿真得到最佳法向接触压力及其对应的耦合 温度随电流、相对运动速度的三维变化图；非线性 回归分析计算得到在不同速度和电流条件下，最低 耦合温度所对应的接触压力计算式。研究对于解决 目前我国高速弓网载流磨损严重的问题，提高弓网 使用寿命，降低铁路运营成本，提高现有铁道受流 装备的应用水平都具有一定的科学意义。
收 稿 日 期 ：２０１３－０６－３０； 修 订 日 期 ：２０１４－０１－０７ 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （５１００５１８８）；四川省杰出青年学术技术带头人 培 育 计 划 项 目 （２０１１ＪＱ００３９）； 国 家 人 社 部 留 学 回
国人员科技活动择优资助项目；西华大学人才培养与引 进 项 目 （Ｒ０９２０２０３）； 四 川 省 高 校 重 点 实 验 室 开 放 研 究 基 金 资 助 项 目 （ＳＺＪＪ２０１１－０１４）；四川省教育厅重点科研项目 （１３ＺＡ００２１） 作者简介：董霖 （１９７３—），男，四川自贡人，教授，博士。
鉴于滑板与接触线相对运动的周期性和几何结 构的对称性，同时为了提高软件计算效率，利用多 物理场耦合 分 析 软 件 ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ ４．３ｂ 建立受电弓滑板与接触线间弓网载流摩擦耦合温度
Ｒｅｓ ＝ｋｃｏｎ（０．１０２Ｆｎ）－ｋ
（１）
式中：Ｒｅｓ为接触 电 阻，ｍΩ；Ｆｎ 为 法 向 接 触 压 力，
综合以上仿真结果，得到弓网最佳法向接触压 力 （此压 力 下 温 度 对 磨 损 的 影 响 最 小 ） 如 图 ４ 所 示。由图４可见：最佳法向接触压力随着电流的增 大而增大，随相对运动速度的增大而减小；在最佳 法向接触压力作用下，弓网接触界面温度随着弓网 间电流和相对运动速度的增大而增大。仿真结果与 弓网载 流 试 验 文 献 ［５，１１—１４］ 得 出 的 试 验 结 论 相吻合。 由图４可以看出：弓网的最佳法向接触压力为 相对运动速度和电流的函数，对以上数据进行多元 非线性回归分析，求解得到最佳法向接触压力与速
近年来，国内外众多学者对弓网间的电流、相 对运动速度、法向接触压力及耦合温度等因素对载 流摩 擦 磨 损 的 影 响 进 行 了 试 验 研 究。Ｓｅｎｏｕｃｉ Ａ 等 研 ［３］ 究了热、电和机械作用对铜接触线磨损 的 影
响；Ｈｅ Ｄ Ｈ 等 研 ［５］ 究了弓网 复 合 材 料 在 载 流 摩 擦 中接触温升的变化；Ｋｕｂｏ Ｓ 和 Ｎａｇａｓａｗａ Ｈ 等［６－７］ 研究了电流、电弧对载流摩擦磨损的影响；董霖等 研究了地铁第三轨与受电靴摩擦副之间不同电极性 的载流摩擦磨损特性 ； ［８］ 戴利民等研究滑板材 料 受 流摩擦时接触点瞬态温升对磨损性能的影响 等 ［９］ 。
图３ 点 Ｃ 处耦合温度随速度、电流和法向接触压力的变化
面的耦合温度在高电流时反而略有下降。 （３） 在弓网相对运动速度一定、但电流不同的
条件下，弓网接触界面耦合温度随着弓网法向接触 压力的增大呈现先降低后升高的变化趋势，且电流 越大耦合温度越高。
（４） 在弓网间电流一定、但相对运动速度不同 的条件下，弓网接触界面耦合温度随着法向接触压 力的增大呈现先降低后升高的变化趋势，且相对运 动速度越高，耦合温度在较大法向接触压力作用下 也越大。 ２．３ 弓 网 最 佳 法 向 接 触 压 力
１．８０×１０－５
仿真参数：弓网间电势为２５ｋＶ； 受电弓滑板 和接触线间的初始温度与环境空气温度相同，均为 ２０ ℃；电压初始值为０Ｖ。 ２．１ 瞬 态 温 度 场
弓网 间 的 法 向 接 触 压 力 为 ９０ Ｎ、 电 流 为 ４００ Ａ、相对运动速度为２００ｋｍ·ｈ－１时， 接 触 线 由 弓 网接触界面上的点 Ａ 向点Ｂ 方向滑动至滑板长度 １ ９５０ｍｍ 的一半 时， 弓 网 载 流 耦 合 瞬 态 温 度 场 的 分布如 图 ２ （ａ） 所 示， 弓 网 接 触 界 面 上 耦 合 温 度 随时间变化 情 况 如 图 ２ （ｂ） 所 示。 图 中： 点 Ｃ 为 耦合温度最高点。 由图２可以看出：受电弓滑板与接触线在相对 滑动过程中，耦合温度从点 Ａ 侧向点Ｂ 侧逐渐升 高，在弓网接触界面上的点 Ｃ 附近形成了一个高
温区；弓网接触界面 ＡＢ 的耦合温度随着摩擦时间 的增加而逐步地升高。 ２．２ 稳 态 温 度 场
在弓网间不同相对运动速度、电流和法向接触 压力下，弓网接触界面上点 Ｃ 处的稳态温度变化 情况如图３所示。由图３可得出如下结论。
（１） 在弓网法向接触压力一定且弓网间电流较 小时，弓网接触界面的耦合温度随相对运动速度的 增大而升高；当弓网电流稍大时，弓网接触界面的 耦合温度随相对运动速度的不断提高呈现先降低后 升高的变化趋势。
第３期 弓网载流摩擦耦合温度场的仿真研究
１０３
１ 弓 网 载 流 摩 擦 耦 合 温 度 场 有 限 元 模型
实际运行中弓网接触电阻受多因素影响，其变 化规律较复杂，可采用基于载流摩擦学理论、且工 程上常 用 的 接 触 电 阻 计 算 公 式 进 ［１０］ 行 计 算 分 析， 该公式为
有限元 计 算 具 有 精 度 高、 边 界 适 应 性 好 等 优 点，能计算瞬态和稳态温度场的特性。针对弓网摩 擦副温升的弓网载流摩擦耦合温度场的有限元研究 近些年才 开 展 起 来， 研 究 多 采 用 有 限 元 软 件 ＡＮ－ ＳＹＳ进行仿真 计 算， 有 限 元 几 何 模 型 用 三 维 ＣＡＤ 软件编写并导入，耦合要通过研究人员手动编写程 序来实现，计算效率较低。本文基于载流摩擦学理 论，应用 多 物 理 场 耦 合 分 析 软 件 ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌ－ ｔｉｐｈｙｓｉｃｓ ４．３ｂ 这 一 大 型 数 值 仿 真 软 件 建 立 模 型， 并采用其内置的焦耳热耦合算法模块，高效率地实 现了焦耳热和摩擦热的耦合，建立了受电弓滑板和 接触线在 焦 耳 热 和 摩 擦 热 耦 合 作 用 下 的 有 限 元 模 型，研究不同弓网间电流、相对运动速度和法向接 触压力条 件 下 弓 网 载 流 摩 擦 耦 合 温 度 场 的 变 化 情 况，为解决高速弓网载流磨损、提高弓网使用寿命 提供科学依据。
４．３ｂ系统内 部 耦 合 算 法 实 现； 忽 略 弓 网 间 产 生 的 弓网摩擦副进行 仿 真 试 验， 材 料 （包 括 环 境 空 气）
电弧热。
参 数 见 表 １。
表 １ 材 料 参 数
材料
浸金属碳滑板 铜接触线 空气
密度／ 杨氏模
定 压 比 热 容／
导 热 系 数／
热膨胀
（ｋｇ·ｍ－３） 量／ＧＰａ 泊 松 比 （Ｊ·ｋｇ－１·Ｋ－１）（Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１） 系 数／Ｋ－１
建模时，采用自由三角形划分网格；受电弓滑 板与接触 线 间 的 焦 耳 热 采 用 焦 耳 热 物 理 场 模 块 建 立，摩擦热通过在此模块中添加摩擦功而引入，焦
（ ） （ ） ｈ
＝
０．０３７ｋ ｌ
ρｌｖ μ
０．８ ｃｐμ ｋ
０．３３
（２）
式中：ｌ为 受 电 弓 滑 板 仿 真 等 效 长 度，ｍ；ｖ 为 相
对运 动 速 度，ｋｍ ·ｈ－１；ｋ 为 空 气 的 导 热 系 数，
Ｗ· （ｍ·Ｋ）－１；ρ 为 空 气 的 密 度，ｋｇ· ｍ－３；μ 为空气 动 力 黏 度，Ｐａ·ｓ；ｃｐ 为 空 气 的 比 定 压 热
容，Ｊ· （ｋｇ·Ｋ）－１。
２ 计算结果及分析
耳 热 和 摩 擦 热 的 耦 合 由 ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ 以浸金属 碳 滑 板 和 ＣＴ１５０ 型 铜 接 触 线 组 成 的
（１．西华大学 机械工程与自动化学院，四川 成都 ６１００３９；２．西南交通大学 摩擦学研究所，四川 成都 ６１００３１）
摘 要：基于载流摩擦学理论，应 用 多 物 理 场 有 限 元 分 析 软 件 ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ， 建 立 焦 耳 热 和 摩 擦 热耦合作用下受电弓滑板与接触线间的弓网载流摩擦耦合温度场有限元模型，仿真研究弓网间电流、相对运动 速度和法向接触压力不同条件下弓网载流摩擦耦合温度场的变化情况。结果表明：在弓网间电流、相对运动速 度一定的条件下，弓网载流摩擦耦合温度随弓网间法向接触压力的增大呈先减小后增大的变化趋势；最低耦合 温度所对应的弓网间最佳法向接触压力随弓网间电流的增大而增大，随着弓网间相对运动速度的增大而减小。 通过非线性回归分析方法给出了弓网间不同相对运动速度和电流条件下与最低耦合温度所对应的弓网间法向接 触压力，为解决高速弓网载流磨损、提高弓网使用寿命，提供科学依据。