集電弓與接觸網系統（簡稱弓網系統）作為電氣化鐵路的重要組成部份，二者透過滑動接觸為電力機車的穩定執行提供強大的牽引動力。二者在工作中存在電、磁、熱、力多場耦合效應，復雜的多場耦合作用將影響弓網的受流質素和摩擦磨損效能，開展電氣化鐵路弓網接觸多物理場耦合效應研究，對降低弓網執行維護成本，提高集電弓滑板和接觸網導線使用壽命等具有重要意義。
為有效提高弓網滑動電接觸效能，保障列車安全穩定執行，采用接觸電阻、燃弧率及接觸溫度對弓網電接觸效能進行評價，以期為多場耦合效應下進一步減少或避免弓網接觸故障的發生提供參考。
弓網滑動過程中，接觸電阻作為評價弓網接觸是否良好的一個直接依據，其阻值和穩定性與接觸壓力、接觸形式以及表面膜狀況等因素有關。弓網可靠接觸階段，接觸電阻值會在平均值上下做振幅不大的隨機波動，弓網接觸臨近失效時，接觸電阻值會出現大振幅的增大。
有文獻按照接觸電阻的變化規律，將接觸狀態分為穩定、不穩定和趨勢變化三種狀態，分別對不同階段的接觸電阻采用不同的預測模型，對接觸失效做出合理預測，為評估接觸可靠性提供了新的方法。有文獻分析了波動載荷、接觸電流和滑動速度共同作用時接觸電阻的變化規律，研究了弓網接觸的失效概率。在綜合考慮接觸電阻和電流穩定系數後，提出了弓網滑動電接觸失效準則，當接觸電阻增大超過臨界值時，弓網電接觸失效。
從接觸失效出發研究弓網滑動電接觸可靠性，建立失效概率模型來預測一定工況條件下的失效概率，不僅能夠保證弓網系統的安全穩定執行，並且還能預測剩余使用壽命，從而實作電接觸材料剩余價值的最大化利用。
任何部件的有效期和使用壽命都可以用如圖1所示的失效概率曲線來描述。可以看出，起始階段和磨損後期摩擦副的失效率最高，如果執行過程中工況條件變的比預想苛刻，那麽摩擦副的使用壽命必然會大幅縮減。
弓網滑動磨損過程可分為兩個階段：跑合期和相對穩定期。跑合期磨耗較大，一旦進入相對穩定期，磨耗率、接觸電阻就會保持在一個相對穩定的值附近；隨著執行時間的增加，滑板磨耗開始增加直至磨耗到限。
列車高速執行時，集電弓滑板與接觸網導線之間相互激勵產生振動波幅較大，不可避免地出現弓網燃弧現象。目前，通用的燃弧率計算公式為
中國鐵道行業標準TB/T 32712011【軌域交通 受流系統 集電弓與接觸網相互作用準則】對弓網燃弧率的要求為：速度等級小於等於250 km/h的路線，最大路線速度時燃弧率不大於0.1 %；速度等級大於250 km/h的路線，燃弧率不大於0.2 %。
TB 100092016【鐵路電力牽引供電設計規範】規定設計速度為120～250 km/h的路線，最高執行速度下的燃弧率不大於0.1 %，速度等級為300～350 km/h的路線，燃弧率不大於0.2 %；TG/GD 1242015【高速鐵路接觸網執行維修規則】規定執行速度大於或等於200 km/h和小於200 km/h僅執行動車組的路線，燃弧率應小於5 %，可知中國鐵道行業標準對弓網燃弧率的要求不盡相同，且設計規範、技術標準相差較大。
因此，在多種評價標準與規範並列的背景下，應結合實際執行工況，將弓網燃弧率控制在合理範圍內，以提高對弓網執行故障的評估，指導維修決策，保障列車高速安全執行。
由於接觸電阻的存在，使弓網接觸區域更多的電能轉化為熱能，而滑動摩擦作為典型的耗能過程，是電接觸表面產生附加熱量的重要來源。因此，接觸溫度不僅對弓網摩擦磨損產生直接影響，也可以反映弓網接觸效能的好壞。
有文獻研究發現，高電流工況下，滑板磨損量隨溫度呈先減小後增加的「U」形趨勢變化，在240 ℃附近存在最小值，建立了考慮溫度作用的浸金屬碳滑板磨損量預測模型，使集電弓滑板磨損量預測更加精確，對提高弓網系統執行穩定性具有指導意義。但是，將溫度作為評價指標來判斷弓網接觸效能的好壞並未上升到標準的地位，尚未有明確的溫度閾值來判定弓網接觸的可靠性，相關的研究還不太成熟。
此外，實際執行過程中是在機車頂部安裝或架設紅外熱像儀等儀器對弓網系統熱效應進行監測、評估，多用於對滑板和接觸線溫度範圍進行熱成像采集分析，反映滑板過熱、區間燃弧等情況，從而評估弓網接觸狀態是否良好，然而整體數據利用率不高，如何利用現有測試數據分析弓網執行狀態，將歷史數據與表征弓網電接觸效能的參數相結合，建立電接觸效能辨識模型，進而對弓網滑動電接觸效能做出合理評估，真正實作弓網系統的動態監測、故障診斷及提前報警，將是後續研究的重點。
本工作成果發表在2023年第10期【電工技術學報】，論文標題為「弓網滑動電接觸電磁熱力耦合效應研究進展」。本課題得到國家自然科學基金資助專案的支持。
