不同分離速度小電流滑動摩擦單電弧行為及燒蝕危害

張 旭，楊正海，上官寶，張永振

(河南科技大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院;b.國家高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用實驗室，河南 洛陽471023)

0 引言

滑動載流摩擦廣泛應(yīng)用于航空航天、電子電力、軌道交通、機械制造生產(chǎn)等多個領(lǐng)域[1-4]。伴生電弧難以避免，對載流摩擦副的危害極大[5]。隨著科技的發(fā)展，滑動載流摩擦副服役條件越發(fā)苛刻[6]，如鐵路弓網(wǎng)系統(tǒng)傳輸?shù)碾娏鲝?00 A提高到1 000 A，還在向更高電流發(fā)展；相對滑動速度從100 km/h提高到350 km/h，正在向400 km/h發(fā)展。伴生電弧的危害越來越嚴(yán)重，同時，工程技術(shù)(如材料性能、壽命要求等)對載流摩擦副的載流摩擦性能及可靠性要求越來越高[7]。因此，開展伴生電弧對滑動載流摩擦過程危害的研究具有重要意義。

滑動載流摩擦單伴生電弧往往會危害摩擦副的摩擦磨損性能[8]，損傷摩擦副材料[9]，惡化摩擦副的導(dǎo)電品質(zhì)[10]，造成嚴(yán)重的電磁噪聲污染[11]，另外，還會與其他因素起到耦合作用，危害滑動載流摩擦副。文獻[12]研究了單伴生電弧對載流摩擦副材料的燒蝕作用，研究結(jié)果表明：單伴生電弧引起的溫度驟升使摩擦副表面形成熔池及燒蝕坑，并隨電弧的發(fā)展而呈線性增大趨勢，甚至電弧湮滅后，熔池和燒蝕坑先進一步擴大，然后熔池再逐漸冷凝縮小。文獻[13]研究表明：單伴生電弧產(chǎn)生的電磁噪聲在不同位置產(chǎn)生的干擾程度并不相同，往往在弓網(wǎng)電分相處干擾最大。文獻[14]研究發(fā)現(xiàn)：弓網(wǎng)降弓電壓隨降弓速度的增大而增長得越快。這些大部分是在滑動載流摩擦試驗機上進行的面與面接觸的試驗，接觸區(qū)域大，產(chǎn)生的電弧各種各樣，很難對伴生電弧進行深入研究。

本課題組前期研究[15-17]發(fā)現(xiàn)：單伴生電弧燃燒過程產(chǎn)生的高溫，會使摩擦副表面發(fā)生熔融噴濺和高溫氧化，載流效率降低，載流穩(wěn)定性起伏增大(個別時候甚至超過了200%)，載流摩擦副的導(dǎo)電品質(zhì)嚴(yán)重惡化，材料損傷加重。但是，載流摩擦條件下產(chǎn)生的伴生電弧大多是短時小電流電弧，以前研究采用的電流和電壓偏大，產(chǎn)生的是長時大電流電弧，因此，本文擬采用球(T2 銅)/板(T2 銅)滑動載流摩擦副，在單點式載流摩擦試驗機上進行滑動載流摩擦試驗，探究不同分離速度小電流滑動摩擦單電弧行為及其燒蝕危害。

1 試驗材料、設(shè)備與方法

1.1 試驗材料

本試驗的滑動載流摩擦副試樣采用的是球試樣和板試樣。球試樣是將長為20 mm、直徑為2.5 mm的T2純銅柱的一端加工成30°錐角的圓錐，尖端加工成半徑0.5 mm的球形。板試樣是將尺寸為500 mm×300 mm的T2純銅板切割為尺寸40 mm ×40 mm的方形板。試驗前將球頭針試樣和板試樣分別用1 200#的金相砂紙打磨，再將其依次放入丙酮溶液和乙醇溶液中清洗5 min后取出，準(zhǔn)備進行試驗。

1.2 試驗設(shè)備與方法

在單點式載流摩擦試驗機上進行試驗，試驗機原理如圖1所示。以球(T2銅)/板(T2銅)試樣組成滑動載流摩擦副，板試樣沿水平方向(Vx)運動，球試樣沿豎直方向(Vz)做分離運動，且球試樣接電源的正極，板試樣接電源的負(fù)極。采用恒流電源，試驗前球試樣與板試樣相互接觸，并導(dǎo)通電流。試驗時，用電壓表測量滑動載流摩擦副兩端的實時電壓，用電流表測量接通電流后摩擦副通過的實時電流，采集并保存球試樣與板試樣分離過程中摩擦副兩端的電壓降、電流及兩試樣的位移。采用JSM-5610 LV型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope， SEM)觀察試驗后球/板試樣的磨損燒蝕表面形貌，采用Nanofocus AG型三維表面形貌儀采集滑動載流摩擦副的燒蝕區(qū)域表面三維形貌。

試驗過程中，恒流電源的電壓為20 V，電流為20 A；板試樣的水平運動行程為20 mm，水平方向的速度Vx=10 mm/s；球試樣的豎直運動距離為5 mm，豎直方向的分離速度Vz分別為1 mm/s、2 mm/s、3 mm/s、4 mm/s和5 mm/s。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 單個單伴生電弧全壽命周期的電弧電壓和電流

圖2 單電弧電壓和電流的實時變化曲線

圖2是分離速度Vz為3 mm/s條件下，單次伴生電弧全壽命周期的單電弧電壓和電流的實時變化曲線。從電壓實時曲線可知：單伴生電弧萌生前，電壓幾乎為零，可以忽略不計；單伴生電弧萌生后，電壓隨著時間的變化而逐漸增大；單伴生電弧湮滅后，電壓增大，達到開路電壓，并保持不變。從電流的實時變化曲線來看：單伴生電弧萌生前，電流為穩(wěn)定接觸電流，略有波動；單電弧萌生后，電流隨時間的變化而逐漸減??；單電弧湮滅后，電流降低為0 A，與電壓的變化趨勢相反。

由圖2可知：單次伴生電弧全壽命周期的演變過程可分為5個階段，與大電流條件下[18]單電弧燃燒分為萌生階段Ⅰ、金屬蒸汽電弧階段Ⅱ、金屬蒸汽電弧轉(zhuǎn)變空氣電弧的過渡階段Ⅲ、空氣電弧階段Ⅳ及湮滅階段Ⅴ相對應(yīng)。金屬蒸汽電弧階段和空氣電弧階段在5個階段中所占的比例最大，是單電弧燃燒過程的主要階段，另外3個階段所占的比例則相對較小。單電弧金屬蒸汽電弧階段的電壓小于空氣電弧階段，空氣電弧階段的電流則小于金屬蒸汽電弧階段。

圖3是不同分離速度下單伴生電弧的電流和載流效率的變化曲線。圖3a是單伴生電弧在不同分離速度時電流的實時變化曲線，從圖3a中可以看出：不同分離速度時，單電弧燃燒全過程5個階段的界線變得模糊，個別階段甚至缺失，表明小電流條件下單伴生電弧的燃燒并不穩(wěn)定。圖3b為不同分離速度時，單電弧在金屬蒸汽電弧階段和空氣電弧階段的載流效率變化曲線。載流效率是指載流摩擦過程中實際電流平均值與給定電流的比值，用于評價載流性能。由圖3b可知：分離速度較低時，金屬蒸汽電弧階段的載流效率相對穩(wěn)定，約為65.02%；隨著分離速度的增大，金屬蒸汽電弧階段的載流效率急劇下降，當(dāng)分離速度為5 mm/s時，載流效率甚至降低到32.56%。分離速度較低時，空氣電弧階段的載流效率穩(wěn)定值約為33.52%；隨著分離速度的增大，載流效率同樣急劇下降，分離速度為5 mm/s時，載流效率降低到了17.43%，表明單電弧的載流性能隨分離速度的增大而下降。比較金屬蒸汽電弧階段與空氣電弧階段載流效率的大小，可以看出：金屬蒸汽電弧階段的載流效率遠大于空氣電弧階段的載流效率，但這兩個階段的載流效率都不高，表明單伴生電弧雖然是一種導(dǎo)電形式，但其對導(dǎo)電品質(zhì)明顯是有害的，與大電流單電弧對導(dǎo)電品質(zhì)有害的結(jié)論相一致[19]。

(a) 不同分離速度時電流隨時間的變化曲線

(b) 不同分離速度時載流效率的變化曲線

圖3 不同分離速度時單伴生電弧的電流和載流效率的變化曲線

2.2 不同分離速度下單伴生電弧的功率、燃弧時長和弧長

圖4是不同分離速度時單伴生電弧功率的實時變化曲線。單伴生電弧功率的大小等于電壓與電流的乘積[20]。從單個單伴生電弧功率的實時變化曲線來看：分離速度為2 mm/s時，單電弧萌生前，功率的實時大小在較小的范圍內(nèi)波動，其值約為20 W；隨著單伴生電弧的萌生，功率急劇增大，達到最大值后保持穩(wěn)定，在110 W左右波動，約是單電弧萌生前的5.5倍；隨著單電弧的湮滅，功率又迅速下降為0 W,表明單電弧的萌生增大了導(dǎo)電功率輸出。對照單伴生電弧全過程的5個階段，可以看出：金屬蒸汽電弧階段和空氣電弧階段的功率大小相差并不大，中間3個階段約占整個過程的90%。比較不同分離速度的功率變化曲線發(fā)現(xiàn)：單電弧燃燒時，功率的穩(wěn)定值在110 W左右波動，表明小電流單電弧的功率輸出受分離速度的影響不大。比較不同分離速度時單伴生電弧實時功率的變化趨勢，可以看出：單電弧燃燒時輸入的能量[21](單伴生電弧實時功率與時間的積分)呈現(xiàn)減小的趨勢。

圖5是不同分離速度時小電流單電弧的燃弧時長和最大弧長(燃弧時長與分離速度的乘積)的變化曲線。從燃弧時長曲線來看：不同分離速度時單電弧的燃弧時長略有波動，但相差不大，為1.4～1.9 ms，不超過2.0 ms。從單電弧的最大弧長變化曲線來看：隨著分離速度的增大，最大弧長逐漸增大，其值從1.472 μm增大到9.444 μm。

圖4不同分離速度時單伴生電弧功率的實時變化曲線

圖5不同分離速度時單伴生電弧的燃弧時長和最大弧長的變化曲線

2.3 摩擦燒蝕表面的微觀形貌

圖6是電壓20 V、電流20 A、水平相對滑動速度為10 mm/s、分離速度為3 mm/s的條件下，單電弧燒蝕后板試樣的SEM圖片。圖6a是燒蝕區(qū)微觀全貌照片，圖6b～圖6d分別是圖6a中a、b、c區(qū)域的放大圖。a區(qū)域呈現(xiàn)熔池凝固形貌，凝固物平鋪于摩擦副表面，存在大量氣泡，附著有少量的細(xì)小顆粒，表明該區(qū)域發(fā)生了熔融，如圖6b所示。b區(qū)域呈現(xiàn)條狀凝固形貌，多層重疊，方向雜亂，條狀物形成的原因是液態(tài)金屬噴濺凝固，表明該區(qū)域發(fā)生了多次不同方向的噴濺，如圖6c所示。c區(qū)域存在球形凝固物，其形成原因是液滴在空中飛行過程中，由于表面張力作用形成球形，并發(fā)生凝固，最后落在磨損面上，表明該區(qū)域發(fā)生了濺落，如圖6d所示。此外，在熔融區(qū)域和較遠溫度變化很小的區(qū)域，存在既無融化，也無濺落的熱影響區(qū)[18]。因此，單電弧的燒蝕區(qū)域存在熔融區(qū)、噴濺區(qū)、濺落區(qū)和熱影響區(qū)，但熔融區(qū)、噴濺區(qū)和濺落區(qū)這3個區(qū)域的界線不明確，方向不明確。

(a) 燒蝕區(qū)的全貌圖

(b) 圖6a中a區(qū)域的局部放大圖

(c) 圖6a中b區(qū)域的局部放大圖

(d) 圖6a中c區(qū)域的局部放大圖

圖6 單電弧燒蝕后板試樣的SEM圖

圖7a是分離速度為5 mm/s的條件下，板試樣滑動載流摩擦單伴生電弧燒蝕后的表面三維形貌圖，圖7a中燒蝕區(qū)(主要是發(fā)生熔融、噴濺和濺落的區(qū)域)相對原始表面光滑平坦，原始表面上存在的犁溝形貌中斷。圖7b是圖7a中原始表面a位置的截面輪廓曲線圖，從圖7b可以看出：原始表面輪廓曲線中，最大高度為18.721 μm，最小高度為-17.214 μm，最大高度差為35.935 μm。圖7c是圖7a中穿過燒蝕區(qū)b位置的截面輪廓曲線圖，從圖7c可以看出：燒蝕區(qū)的長度約為200 μm，輪廓曲線在零點附近波動，最大高度差小于9 μm，遠小于板試樣原始表面的粗糙度，在此條件下，板試樣的燒蝕區(qū)將原始表面的凸起峰熔融燒蝕，填充表面的犁溝溝壑，使得燒蝕區(qū)表面變得光滑平整。故小電流條件下單電弧燒蝕有利于改善載流摩擦副表面質(zhì)量，同時，其造成的材料損傷與大電流條件下電弧造成嚴(yán)重材料損傷的結(jié)論并不一致[20]。

(a) 單伴生電弧燒蝕后的表面三維形貌

(b) 圖7a中a位置的截面輪廓圖

(c) 圖7a中b位置的截面輪廓圖

圖7 板試樣滑動載流摩擦單伴生電弧燒蝕后的表面三維形貌及截面輪廓圖

圖8是采用電壓20 V、電流20 A、水平相對滑動速度為10 mm/s，不同分離速度條件下，板試樣上單電弧燒蝕區(qū)的面積和最大高度差的變化曲線，其中，燒蝕區(qū)包括熔融區(qū)、噴濺區(qū)和濺落區(qū)3個區(qū)域。圖8a是不同分離速度下單電弧燒蝕區(qū)的面積變化曲線。由圖8a可知：隨著分離速度的增加，單電弧燒蝕區(qū)的面積先減小后增大，其最小值約為0.023 mm2。圖8b是不同分離速度下燒蝕區(qū)輪廓曲線上最高點與最低點的高度差(下稱最大高度差)。由圖8b可以看出：隨著分離速度的增大，燒蝕區(qū)的最大高度差呈現(xiàn)增大的趨勢，表明燒蝕區(qū)表面平整程度隨分離速度的增大而增大。燒蝕區(qū)面積和最大高度差變化是電弧極性斑點、電弧能量過程和電弧運動等因素共同作用的結(jié)果，一定程度上代表了單電弧造成材料損傷的程度。

(a) 燒蝕區(qū)面積

(b) 燒蝕區(qū)最大高度差

圖8 不同分離速度下板試樣燒蝕區(qū)的面積和最大高度差的變化曲線

3 結(jié)論

(1)從電壓、電流及功率的角度看，單伴生電弧的演變過程可分為萌生、金屬蒸汽電弧、過渡、空氣電弧及湮滅5個階段。其中，隨著時間變化，電流逐步減小，電壓逐步增大，最終達到開路電壓，中間3個階段的功率相差不大，電弧功率達到穩(wěn)定值時，其大小約為110 W，約是滑動接觸時消耗功率的5.5倍。

(2)隨著分離速度的增加，單伴生電弧的最大弧長從1.472 μm逐漸增大到9.444 μm。單電弧的功率和燃弧時長變化不大，試驗條件下單電弧的穩(wěn)定功率均在110 W上下波動，燃弧時長為1.4～1.9 ms。

(3)單電弧的燒蝕區(qū)域存在熔融區(qū)、噴濺區(qū)、濺落區(qū)和熱影響區(qū)，但熔融區(qū)、噴濺區(qū)、濺落區(qū)這3個區(qū)域的界線和方向不明確。小電流單電弧條件下板試樣的燒蝕區(qū)表面變得光滑平整。隨著分離速度的增加，燒蝕區(qū)面積先減小后增大，最小值約為0.023 mm2，燒蝕區(qū)表面平整程度增大。