【原】辽宁工程技术大学等单位陈忠华、李兵红 等：弓网滑动电接触电磁热力耦合效应研究进展

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为电力机车提供牵引动力的受电弓滑板与接触网导线是典型的滑动电接触摩擦副，二者在工作中存在电、磁、热、力多场耦合效应，复杂的多场耦合作用将影响弓网的受流质量和摩擦磨损性能。本文从电、磁、热、力四个方面的研究内容进行了较为全面的梳理、归纳和评述，简要综述了弓网接触电阻、电弧、接触温度、电磁力和压力载荷等因素对弓网载流摩擦磨损性能的影响规律，针对多物理场作用下研究中存在的问题与不足，提出进一步研究和完善的意见。从提高弓网滑动电接触性能，保障列车安全稳定运行角度，采用弓网接触电阻、燃弧率以及接触温度对电接触性能的评价进行了阐述和探讨。

研究背景

弓网系统是电力机车牵引供电系统中不可或缺的一环，在能量转换和列车行驶过程中发挥着至关重要的作用。弓网滑动接触作为电、磁、热、力之间的动态耦合过程，受电弓滑板与接触网导线接触区域会伴随发生各种物理化学现象，这些现象使接触表面状态或特征发生改变，复杂的多场耦合效应将直接影响和制约机车受流的稳定性以及弓网之间的摩擦磨损性能。因此，对高速列车弓网系统多场耦合效应进行研究是必要的。

论文所解决的问题及意义

与一般机械摩擦系统不同，弓网系统受到机械、电气、磁场和传热等因素综合作用的影响，多物理场耦合效应示意图如图1所示。针对弓网滑动电接触多场耦合效应问题，本文分别从电、磁、热、力四个方面展开论述，对近几年来的相关研究进行归纳和总结，并对弓网电接触性能评价问题进行了初步探讨，以期为后续弓网电接触研究提供有效的参考意见。

图1 弓网系统多物理场耦合效应示意图

目前，对弓网滑动电接触表面所表现出来的电、磁、热、力效应等现象与机理进行深入揭示，仍然是电接触领域的研究重点，最终目的是在满足一定经济效益的前提下，提高弓网滑动电接触运行可靠性和弓网材料使用寿命，从而推进相关领域理论和技术水平的不断提高。

综述要点

目前，高速铁路技术在快速发展，列车运行环境日趋复杂，弓网滑动电接触在很多方面仍有待研究和发展，主要表现在以下几个方面：

1）接触电阻的研究

列车的运行环境越来越复杂，针对多因素影响下的接触电阻参数观测与数学化模型研究需深入探究，特别是高寒、低气压、大温差等极端气候条件对弓网接触表面的影响较大，对特殊环境以及极端气候条件下弓网滑动接触的电气特性进行研究，借助计算机技术来模拟弓网电接触整个过程以获得对过程特性的了解至关重要，从而建立多因素影响的更加精确的接触电阻数学模型是未来仍需进一步研究的工作。

2）弓网电弧的研究

当前，关于弓网电弧的研究主要集中在侵蚀机理方面，表面温升特性的建模分析也是在假定输入的条件下进行计算，这与实际受电弓滑板与接触网导线载流摩擦产生温升存在差距，并且电弧放电会加剧某些环境应力的作用，破坏接触表面状态，至今还没有一个完善的电弧侵蚀模型来定量计算材料的被侵蚀程度。未来应考虑微观尺度效应，开展不同领域间交叉模型的研究，建立多场耦合电弧侵蚀数值模型，利用数值优化方法对弓网电弧进行多尺度、参数化、定量化研究。

3）电磁噪声的研究

由于弓网电弧的特殊性，弄清弓网离线电弧电磁干扰的影响机理仍有许多问题需要研究，关于弓网电弧产生高频电磁干扰方面的研究仍然不够深入，特别是电弧产生的高频电磁辐射还没有适用的电弧模型。在后期的研究中，应注重对高频电磁辐射进行仿真与建模研究，以揭示高频段区域下弓网电弧电磁干扰的影响机制，离线电弧产生的高频电磁辐射仿真与建模也是未来研究的一个重要方向。

4）表面膜特性的研究

对弓网滑动电接触来说，摩擦与电流的相互作用取决于界面特征与表面膜性能的综合影响效果，而热效应及接触表面膜层的形成是重要的考虑因素。为了降低磨损，常常需要通过改善润滑特性来提高电接触材料的载流摩擦性能，基于多元多尺度理念，在不影响其导电性的前提下添加不同种类或不同尺度的增强相，从而实现协同润滑效应将是未来的热点研究方向。

5）弓网接触面的磁效应研究

磁场对弓网滑动电接触性能的影响不容忽视，电磁力会对受电弓滑板产生作用，导致接触状态发生变化。研究表明，通过引入外加磁场的方式可有效改善载流摩擦磨损性能，将磁场作为一种延长受电弓滑板使用寿命的主动控制方法是可行的，但滑动电接触过程中磁场与电场的耦合效应及相互转化关系尚无研究，弓网接触状态受磁场的影响机理尚不明确，未来如何利用磁场在弓网运行过程中发挥有效作用，是值得研究的新问题。

6）接触压力的研究

作者课题组对弓网最优压力载荷的研究取得了一些成果，为电力机车弓网系统压力载荷的主动控制提供一定指导，但是理想的弓网关系应该是受电弓对接触网具有良好的跟随性，即随网性能。随网性能是受电弓作用在接触线上的压力与接触网的弹性波动压力变化趋势一致的行为。优良的随网性能不仅会大大减少弓网离线电弧的产生，还会显著降低弓网的磨损，提高弓网运行寿命。然而如何做到受电弓的随网压力与接触网的波动压力变化趋势一致或者接近，从而达到弓网滑动电接触系统的力-电匹配是实现随网性能的关键，这将是后续值得重点研究的问题。

7）摩擦力的研究

要想使建立的摩擦力模型能够比较全面地描述载流摩擦现象，其结构一定相对复杂，属于强非线性模型；而弓网摩擦力的大小取决于多方面的因素，不仅包括摩擦接触的表面材料特性、波动的正压力，还包括相对运行位移、加速度、环境温湿度等，已建立的模型中未能全面考虑实际运行过程中环境温湿度等干扰因素，今后应针对这些问题进一步进行相关的研究，建立更加精确的模型。

8）弓网滑动电接触寿命预测与失效研究

应加强对多场耦合作用下弓网滑动电接触寿命预测与失效的研究。弓网电接触以往主要以单因素对载流摩擦磨损行为的实验研究为主，其理论研究主要以现象解释为主，缺乏多因素耦合作用的影响研究，而受限于测试方法，尚不能完整、准确地反映弓网间的相互作用，实验也很难获得滑板与接触线内部能量的分布和演化。因此，动态行为监测与多场耦合分析是深入开展弓网载流磨损特性研究的关键，采用试验与数值分析相结合的方法深入探究多因素、多环境耦合作用下载流磨损机理以及失效机制，建立弓网电接触寿命预测与失效数学模型，可以对电接触行为进行合理预测、评估。

团队介绍

辽宁工程技术大学、温州大学电器基础理论及其应用研究团队在郭凤仪教授带领下，团队现有教授3人，副教授8人，讲师3人。团队成员获得“兴辽英才计划”科技创新领军人才、辽宁省特聘教授、辽宁省优秀人才、辽宁省科技创新团队等荣誉。团队先后承担8项国家级（包括7项国家自然科学基金，1项霍英东教育基金会青年教师基金）和15项省部级科研项目及校企合作横向课题30余项。在国内外重要学术期刊发表论文200余篇，其中被SCI、EI收录80余篇；荣获国家、省（部）科技奖励6项，获得国家发明专利等30余项。公开出版《电接触理论及其应用》、《电器学》、《矿山智能电器》、《电器基础理论》等著作与教材。

本工作成果发表在2023年第10期《电工技术学报》，论文标题为“弓网滑动电接触电磁热力耦合效应研究进展”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。

引用本文

陈忠华, 李兵红, 陈明阳, 平宇, 郭凤仪. 弓网滑动电接触电磁热力耦合效应研究进展[J]. 电工技术学报, 2023, 38(10): 2777-2793. Chen Zhonghua, Li Binghong, Chen Mingyang, Ping Yu, Guo Fengyi. Research Advances in Electrical-Magnetic-Thermal-Mechanical Coupling Effects of Electric Contact Between Pantograph and Catenary. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(10): 2777-2793.

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