辽宁工程技术大学郭凤仪等：弓网滑动电接触摩擦力特性与建模研究

郭凤仪  陈明阳  陈忠华  时光  回立川

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170698

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导语

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。论文研究了摩擦力与弓网间压力载荷、滑动速度、电流密度的特性规律；在此基础上建立了摩擦力模型。

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研究背景所

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。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。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。

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论文所解决的问题及意义

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，并利用镜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。在此基础上建立了摩擦力回归模型。

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论文方法及创新点

1）利用实验机获得的实验数据，得到摩擦力特性规律。

图1  高速载流摩擦磨损实验机

图2  不同电流密度下摩擦力随压力载荷变化曲线

(a) 25 N, 120 km/h, 50.1 A/cm²

(b) 45 N, 120 km/h, 50.1 A/cm²

图3  不同压力载荷下销试样的表面形貌

(a) 35 N, 120 km/h, 50.1 A/cm²

(b) 35 N, 120 km/h, 83.5 A/cm²

图4  实验中不同电流密度下销试样的表面温度

2）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。

图5  MSE指标进化曲线

表1  参数值

SVR模型

C

ε

γ

MSE

摩擦力

95.9462

0.0100453

0.237179

2.70231×10-3

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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。

本文引用

郭凤仪, 陈明阳, 陈忠华,时光, 回立川.  弓网滑动电接触摩擦力特性与建模研究[J]. 电工技术学报, 2018, 33(13): 2982-2990.

Guo Fengyi, Chen Mingyang, Chen Zhonghua, Shi Guang, Hui Lichuan. Research on Friction Characteristics and Modeling of Pantograph-Catenary Sliding Electrical Contact[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(13): 2982-2990.

  团 队 及 作 者 简 介   

辽宁工程技术大学

电器基础理论及其应用研究团队先后承担6项国家级（包括5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50余篇；荣获国家、省（部）科技奖励6项，获得国家发明等专利18项。公开出版《电接触理论及其应用技术》、《电器学》、《矿山智能电器》等著作与教材。

郭凤仪

郭凤仪，博士生导师，辽宁省首批特聘教授。现任辽宁工程技术大学电气与控制工程学院院长。兼任中国电工技术学会理事、中国电工技术学会电器智能化系统及应用专业委员会委员、中国电工技术学会电接触与电弧专业委员会委员、中国煤炭工业技术委员会电气专家委员会副主任委员、辽宁省普通高等学校电气类专业教学指导委员会副主任委员、中国煤炭学会煤矿自动化专业委员会委员，辽宁省电工技术学会常务理事、美国IEEE 会员、日本IEICE 会员等。《工矿自动化》、《辽宁工程技术大学学报》编委会委员。首届国家煤矿安全技术会诊专家。

先后负责完成国家自然科学基金、霍英东教育基金会青年教师基金等省部级以上纵向课题20 余项，完成横向科研项目30 余项。获国家及省部级科技奖励6 项。出版学术著作3 部，在国内外重要期刊发表学术论文200 余篇，其中SCI、EI收录60 余篇，带领团队多次应邀参加IEEE Holm、ICEC、GD 等重要国际会议并做学术报告。申请或授权国家专利18 项。

主要研究方向为电器基础理论及其应用、电器智能化技术及应用、矿山机电工程技术。

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