滑動電接觸表面粗糙度與接觸電阻特性

王大語，王智勇，雒賢華，郭鳳儀

（1. 遼寧工程技術大學 電氣與控制工程學院，遼寧 葫蘆島 125105；2.溫州大學 電氣與電子工程學院，浙江 溫州 325035）

0 引言

電氣化鐵路中，列車通過受電弓滑板與接觸導線的滑動接觸獲得電能，滑板與接觸導線之間的電接觸性能將直接關系到列車的安全穩(wěn)定運行，而接觸電阻是反映電接觸性能的關鍵指標之一，故接觸電阻的影響因素及其建模一直備受國內外學者關注.

至今，國內外研究人員對粗糙表面接觸電阻問題的研究已取得一些成果.文獻[1]建立了三維分形的接觸電阻模型，研究了分形參數對粗糙表面形貌的影響；文獻[2]分析了接觸載荷和分形參數對實際接觸面積、接觸電阻、電流密度的影響，表明增大接觸載荷和減小表面粗糙度可以防止電蝕發(fā)生；文獻[3]研究了粗糙度量級與分布形態(tài)對電樞與軌道接觸狀態(tài)的影響，研究表明接觸面越粗糙，電樞材料熔化越嚴重，接觸狀態(tài)越差；文獻[4]構建了一個隨機粗糙表面，對接觸界面凸峰接觸情況、應力分布進行分析，結果表明隨著法向壓力增大，凸峰接觸數目增大，接觸面積變大；文獻[5]提出一種表面粗糙度對含金涂層聚合物顆粒觸頭接觸電阻影響的模型，表明若要準確計算接觸電阻，需充分考慮接觸面粗糙度；文獻[6]提出一種多場、多尺度的理論，得出機械載荷和電流作用下粗糙接觸面的電阻率和熱導率，并通過實驗和仿真得出接觸電阻與原有結果相比較，證明了該理論的可行性；文獻[7]對密封式繼電器觸點進行形貌和失效分析，根據觸點表面接觸關系，建立了接觸電阻模型；文獻[8]提出一種融合觸點表面微觀粗糙度參數與宏觀性能參數的方法，并以接觸電阻為橋梁證明此方法的可行性；文獻[9]考慮石墨表面的氧化燒蝕，基于分形理論，建立了銅電極與石墨焊接池之間的接觸電阻模型，研究表明燒蝕作用會使接觸電阻增大.目前的研究大部分都是單獨研究速度、壓力、電流對表面粗糙度或接觸電阻的影響，還未有將粗糙度、接觸電阻兩者之間的關系聯系到一起的研究，探究粗糙度對接觸電阻的影響可以從微觀領域揭示接觸電阻變化的機理，對今后受電弓滑板的制備、接觸導線的選型以及弓網之間最優(yōu)接觸壓力的確定具有一定的指導意義.

近年來課題組一直從事弓網滑動電接觸的研究工作[10-12]，已取得較為深入的研究成果.在此基礎上，本文利用自制滑動電接觸實驗機開展載流摩擦實驗，研究壓力、速度、電流以及運行時間對摩擦副材料表面粗糙度的影響，并對接觸電阻與摩擦副表面材料粗糙度之間的關系進行分析.

1 實驗方案及現象

1.1 實驗方案

利用自行研制的滑動電接觸實驗機[10]，開展不同接觸壓力、滑動速度和接觸電流條件下的載流摩擦實驗.保證其他實驗條件不變時，分別在接觸壓力60～100 N、滑動速度50～100 km/h、接觸電流50～200 A、滑動時間600～2 400 s 的條件下進行實驗.

實驗使用接觸導線材料為銅，截面積為120 mm2，硬度HB值為96.2. 滑板材料為浸金屬碳，化學成分和性能參數見表1、表2.

表1 滑板材料化學成分質量分數Tab.1 mass fraction of chemical composition of slide material

表2 滑板材料性能參數Tab.2 performance parameters of sliding plate materials

實驗過程中使用熱成像儀采集滑板表面溫度信息.實驗后使用電子顯微鏡采集滑板表面形貌圖像，并使用表面粗糙度測量儀測量浸金屬碳滑板表面輪廓的算數平均差Ra，Ra為取樣長度內輪廓偏距絕對值的算數平均值，是粗糙度最主要的評定參數.每次實驗后取樣5 次，求出5 次Ra的平均值.

1.2 實驗現象

接觸壓力為70 N，滑動速度為70 km/h，給定電流150 A，此時接觸電阻波動曲線見圖1.由圖1可知，實驗過程中，接觸電阻一直在隨時間變化.

圖1 接觸電阻隨時間變化Fig. 1 contact resistance variation with time

在接觸壓力、接觸電流、滑動時間相同，滑動速度不同的實驗條件下，采集實驗后滑板表面掃描電鏡圖像見圖2.

圖2 不同速度下滑板表面形貌Fig.2 surface morphologies of slides at different speeds

在接觸壓力、滑動速度、滑動時間相同，接觸電流不同的實驗條件下，采集實驗過程中滑板表面溫度，見圖3.

圖3 不同電流條件下實驗過程中滑板最高溫度Fig.3 maximum temperature of the slides under different currents

2 實驗結果

圖4 為不同實驗條件下，實驗后粗糙度、接觸電阻隨接觸壓力、滑動速度、接觸電流、滑動時間的變化.

由圖4（a）可知，在其他實驗條件一定時，接觸壓力越大，粗糙度的值越小，接觸電阻值也越小.當給定的接觸壓力較小，在60～70 N 時，隨著接觸壓力的增大，粗糙度與接觸電阻的減小幅度較大.隨著接觸壓力的持續(xù)增大，粗糙度與接觸電阻的減小幅度也逐漸減小.

由圖4（b）可知，其他實驗條件一定時，隨著滑動速度的不斷提升，粗糙度與接觸電阻逐漸增大，并且增大趨勢較大.隨著速度的進一步提高，粗糙度與接觸電阻的增大幅度略有減小.

由圖4（c）可知，其他實驗條件一定時，實驗給定的電流值越大，粗糙度越小，接觸電阻的值越小.

由圖4（d）可知，在接觸壓力、滑動速度、接觸電流一定時，實驗滑動時間越長，粗糙度越小，接觸電阻越小.且隨著滑動時間逐漸增大，粗糙度的變化越不明顯，而當滑動時間大于1 800 s 時，接觸電阻略有增大，隨后趨于平穩(wěn).

圖4 不同實驗條件對粗糙度、接觸電阻的影響Fig.4 influence of different experimental conditions on roughness and contact resistance

3 理論分析

3.1 不同實驗條件對摩擦副粗糙度的影響

（1）接觸壓力對摩擦副粗糙度的影響

受電弓與接觸網接觸事實上是通過碳滑板與導線的接觸面上的接觸斑點相互接觸，通過這些斑點來傳導電流[13].當有外力作用在微觀粗糙不平的接觸面上時，會發(fā)生彈性形變和塑性形變，當作用在接觸面上的壓力較小時，接觸斑點大多發(fā)生彈性形變，壓力持續(xù)增大，則更多的接觸斑點上會發(fā)生塑性形變.

當滑動速度不變的情況下，隨著接觸壓力的增大，滑板與接觸網導線相互摩擦，產生摩擦熱，摩擦力與摩擦熱的計算為

式（1）～式（2）中，f為動態(tài)滑動摩擦力，N；μ為摩擦系數；F為靜態(tài)接觸壓力，N；W為摩擦力做的功，J；s為相對滑動距離，m.

普遍認為接觸面的摩擦系數與粗糙度有關[14]，當粗糙度一定時，施加接觸壓力越大，弓網之間產生的摩擦力就越大，列車運行中作用在接觸斑點上的橫向剪切力也就越大，這會加劇材料的磨損；同時，在運行路程一定時，摩擦副表面的摩擦力越大，產生的摩擦熱也就越多，摩擦熱會導致材料發(fā)生軟化，原本發(fā)生彈性形變的接觸斑點更容易發(fā)生塑性形變，導致摩擦副表面的粗糙程度變小.因此，由圖4（a）可以看出，隨著接觸壓力的進一步增大，摩擦副表面越來越光滑，能從發(fā)生彈性形變轉化為塑性形變的接觸斑點越來越少，接觸表面粗糙度變化幅度也就越來越小.

（2）滑動速度對摩擦副粗糙度的影響

當接觸壓力不變的情況下，滑動速度較低時，機械振動幅度較小，動態(tài)接觸壓力的變化并不明顯，不會對材料的磨損造成較大影響，所以接觸表面粗糙度的變化很小.

但是由圖4（b）可知，當速度大于60 km/h 之后，粗糙度開始明顯增大.這是因為在實際運行中，隨著滑動速度的不斷加快，弓網系統(tǒng)的機械振動幅度不斷增大，會有離線的情況發(fā)生，產生電弧.滑動速度越快，離線時間越長，單次電弧持續(xù)時間也就越長；同時，速度越快會使離線率大幅上升，燃弧率的升高也會導致單位時間內電弧產生的總能量更大.觀察圖2（a）、圖2（b）可知，滑動速度為60 km/h 時，電弧并未對接觸面造成過多侵蝕，滑板表面磨損大多為機械磨損；當滑動速度為90 km/h時，可以看出電弧會對接觸面造成了嚴重的侵蝕，材料因高溫而蒸發(fā)、轉移，出現了大量的侵蝕坑，從而導致接觸面粗糙度發(fā)生明顯變化.

（3）接觸電流對摩擦副粗糙度的影響

在接觸壓力和滑動速度一定時，隨著電流增大，接觸溫度升高[15].

由圖3（a）、圖3（b）可以看出，當接觸電流為50 A 時，滑板表面最高溫度為35.2 ℃，當接觸電流達到200 A 時，滑板表面最高溫度為203 ℃，這表明接觸電流越大，產生的焦耳熱也就越多，接觸面材料溫度也就越高.隨著溫度的上升，材料會發(fā)生軟化，相同的接觸壓力作用在接觸面上時，接觸斑點更容易發(fā)生磨損，使接觸面更加光滑，粗糙度更小.

（4）滑動時間對摩擦副粗糙度的影響

在接觸壓力、滑動速度、接觸電流大小都一定時，隨著實驗滑動時間的增加，接觸斑點上累積的摩擦熱、焦耳熱逐漸上升，材料發(fā)生軟化，接觸斑點更容易被磨損，接觸面變得更加光滑.結合圖4（d）可知，當滑動時間超過1 200 s，粗糙度減小幅度逐漸減小，這是因為隨著滑動時間的增加，能發(fā)生塑性形變的接觸斑點越來越少，接觸面的光滑程度不會發(fā)生太大的變化，故粗糙度變化幅度趨于平穩(wěn).

3.2 不同實驗條件對摩擦副接觸電阻的影響

（1）接觸壓力對摩擦副接觸電阻的影響

由圖4（a）可以看出，隨著壓力增大，接觸電阻呈減小的趨勢.當壓力作用在接觸面時，硬度大的接觸斑點發(fā)生彈性形變，硬度小的發(fā)生塑性形變.隨著壓力增大，發(fā)生塑性形變的接觸斑點越來越多[16].同時，壓力增大導致表面粗糙度減小，這會讓很多之前未發(fā)生接觸的空隙產生接觸，接觸斑點總數增加，接觸總面積增大，接觸電阻變小.

當壓力達到90 N 以上時，能再發(fā)生塑性形變的接觸斑點已經很少，未發(fā)生實際接觸的空隙也很少[17].因此接觸斑點數量變化減小，接觸面積增大的幅度變小，所以接觸電阻變化率也將減小.

（2）滑動速度對摩擦副接觸電阻的影響

在接觸壓力、接觸電流一定時，速度的增大，會使弓網之間的機械振動加劇，滑板與導線之間接觸狀態(tài)變差，產生離線電弧，對接觸面的材料造成侵蝕，侵蝕坑使接觸面之間產生空隙，導致一部分接觸斑點喪失，接觸面積減小，接觸電阻增大.

當滑動速度大于90 km/h 時，此時機械振動不再加劇，滑板表面粗糙度不會繼續(xù)大幅度改變，接觸斑點數目不再大幅變化，接觸面積減小程度變小，因此接觸電阻的變化率也減小.

（3）接觸電流對摩擦副接觸電阻的影響

從圖4（c）中可以看出，接觸電阻隨接觸電流的增大而減小.這是因為增大接觸電流，會使接觸面之間的焦耳熱增加，溫度的升高使材料更容易發(fā)生軟化并利于更多的接觸斑點發(fā)生塑性形變，降低了接觸面的粗糙度，增大接觸面積，使接觸電阻減小.

同時，接觸面材料溫度的改變會導致其電阻率發(fā)生變化，溫度越高電阻率就越大，接觸電阻也就越大.但在實驗中，因接觸斑點軟化促進塑性形變發(fā)生致使接觸電阻變小的趨勢大于因溫度升高導致電阻率增大致使接觸電阻變大的趨勢[11]，故最終接觸電阻程減小的趨勢.二者之間相互作用，使接觸電阻減小量并不是很大.

（4）滑動時間對摩擦副接觸電阻的影響

在接觸壓力、滑動速度、接觸電流一定時，滑動時間越長，接觸電阻越小.滑板的載流磨損過程可以分為跑合期、相對穩(wěn)定期兩個階段[12]，滑動時間小于1 200 s 時處于跑合期，這個階段內磨耗率隨時間的增加而降低，實際接觸斑點數量增加，接觸面積變大，接觸電阻減??；1 200 s 后進入相對穩(wěn)定期，磨耗率趨于穩(wěn)定，接觸面積變化較小，接觸電阻變化也就較小.

持續(xù)運行時，弓網之間的產生的摩擦熱、焦耳熱越來越多，溫度的上升導致滑板材料的電阻率增大，所以圖4（d）中可以看到，當滑動時間大于1 800 s 后，接觸電阻稍有升高的趨勢.

4 結論

（1）開展滑動電接觸載流摩擦實驗，研究弓網滑動摩擦副表面粗糙度特性，研究表明：接觸壓力、接觸電流越大，滑動時間越長，摩擦副表面粗糙度越小；滑動速度越大，摩擦副表面粗糙度越大.

（2）從摩擦副表面粗糙度特性入手，研究其對接觸電阻的影響，從微觀方面探究接觸電阻的變化規(guī)律.隨著接觸壓力的增大，接觸面粗糙度值越小，接觸電阻越??；隨著速度的增大，電弧侵量越大，接觸面粗糙度值越大，接觸電阻越大；運行時間越長，接觸面粗糙度值越小，接觸電阻越小.

（3）電流大小對粗糙度有較大的影響，但最終對接觸電阻影響較小.隨著電流密度的增大，粗糙度值減小趨勢較明顯，但接觸電阻減小幅度較小.