剛性接觸網(wǎng)-受電弓載流磨損性能的試驗研究

梅桂明

（西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031）

到2019 年底，我國地鐵和輕軌線路總里程已經(jīng)達到6600 km. 剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)因隧道空間占用小，接觸線不需要預(yù)緊力，施工和維修費用低等一系列優(yōu)點，在地鐵線路上得到了大量的應(yīng)用. 我國川藏鐵路因為橋梁和隧道長度占總線路長度的70%～80%，從節(jié)約建造成本的角度，也有可能采用剛性接觸網(wǎng)的供電制式. 我國地鐵剛性接觸網(wǎng)近20 a 的使用經(jīng)驗也發(fā)現(xiàn)，這種制式的接觸網(wǎng)系統(tǒng)存在受電弓滑板和接觸線材料嚴重磨損的問題[1-2]. 地鐵浸金屬碳滑板材料的正常使用壽命為2.5 萬～3.0 萬公里，嚴重時磨耗達到16～20 mm/萬公里；銅銀合金接觸線的使用壽命最短約為3.5～5.0 a[3-4]. 浸金屬碳材料是目前地鐵、普速鐵路和高速鐵路使用的耐磨性能最好的一種滑板材料，造價也是最高的一種. 滑板和接觸線材料的異常磨耗，也意味著列車取流質(zhì)量的下降，既增加地鐵列車的運營成本，也容易損壞列車的電器元件. 因此，開展剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)載流摩擦磨損性能研究有著積極的意義.

迄今為止，對剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)材料磨損問題的研究還比較少見，Wei 等[5]研究了剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的接觸線和受電弓滑板磨耗的理論預(yù)測方法，Simarro等[6]研究了剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)弓網(wǎng)動力學(xué)模型的驗證方法. 大量的工作主要圍繞高速鐵路柔性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的摩擦磨損問題進行研究[7-14]. 比較一致的觀點認為，高速鐵路弓網(wǎng)載流摩擦磨損主要由機械磨損和電氣磨損組成，其中電氣磨損如熱磨損和電弧燒蝕磨損占較大的比重，控制了電弧燒蝕磨損就可以成倍地提高滑板材料的耐磨性[15-22].

本文對地鐵剛性接觸網(wǎng)-受電弓滑動摩擦系統(tǒng)在直流電流通過條件下的摩擦磨損性能進行了試驗研究，探討了剛性接觸網(wǎng)-受電弓滑動摩擦副載流條件下發(fā)生嚴重磨損的機理.

1 試驗簡介

1.1 試驗設(shè)備

本試驗在環(huán)-塊式載流摩擦磨損試驗機（見圖1）上進行，它主要由變頻電機、直徑為1100 mm 的轉(zhuǎn)動盤、滑板座、機座等零部件組成. 接觸線固定在轉(zhuǎn)動盤的外圓柱面上，滑板固定在滑板座上. 變頻電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動盤轉(zhuǎn)動，帶動接觸線相對于滑板作水平方向的相對滑動，模擬弓網(wǎng)之間沿線路縱向的相對滑動. 此外，滑板相對于接觸線還作垂直方向的往復(fù)運動，模擬弓網(wǎng)沿線路橫向的拉出值相對運動.

圖1 試驗機Fig. 1 Test machine

1.2 試驗材料

試驗用的接觸線樣品取自地鐵剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)在用的銅銀合金接觸線，其橫截面尺寸與地鐵線路在用的接觸線橫截面尺寸一致. 滑板材料樣品取自地鐵剛性接觸網(wǎng)受電弓在用的浸金屬碳滑板材料，其橫截面尺寸與地鐵在用的滑板材料的橫截面尺寸一致，長度為120 mm. 本次試驗用的接觸線和滑板材料的化學(xué)成分和物理性能見表1 和表2 所示.

表1 接觸線的化學(xué)成份和物理性能Tab. 1 Physical parameters and chemical compositions of contact wire

表2 滑板材料的化學(xué)成份和物理性能Tab. 2 Chemical compositions and physical parameters of strip

1.3 試驗參數(shù)

剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的地鐵列車一般由6 輛車輛組成，在列車的一前一后各使用一個受電弓取流，每個受電弓并排使用4 根滑板. 每個受電弓通過電流約為DC 0～1400 A，總法向力120 N. 因此，本次試驗參數(shù)選取如下：滑動速度V= 60 km/h，滑板的通過電流I= 0，400 A，每根滑板與接觸線之間的法向力Fn= 30 N，試驗的滑動距離d= 900 km.

1.4 試驗測量方法

使用精度為0.1 mg 的電子天平測量滑板的重量，滑板的磨損量定義為試驗前、后滑板的質(zhì)量損失除以滑板材料的密度. 由于接觸線的磨耗比較小，而且接觸線是固定在試驗機轉(zhuǎn)動盤外圓柱面上，拆裝困難，不容易準確測量接觸線的磨耗，因此本試驗暫不考慮接觸線的磨耗. 使用熱成像儀測量滑板的溫度，使用霍爾電流傳感器和電壓傳感器分別測量電弧電壓和電流，電弧電壓和電流信號使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并行采集. 本研究曾經(jīng)試驗過用1000、5000、10000 Hz 3 種不同的采樣頻率采集電弧電壓和電流的數(shù)據(jù)，由于采集結(jié)果差別不大，為方便數(shù)據(jù)處理，本研究的采樣頻率取為1000 Hz. 定義電弧能量為

式中：U為滑板和接觸線之間的電壓，V；t為試驗時間，s.

由于U和I都是離散數(shù)據(jù)，所以電弧能量用辛普森積分法來計算. 圖2 是使用熱成像儀測量的滑板-接觸線摩擦副的溫度，可看見滑板溫度最高為312.0 ℃. 熱成像儀測量溫度的數(shù)據(jù)更新頻率為60 Hz.

圖2 接觸線-滑板摩擦副的溫度測量結(jié)果Fig. 2 Measured temperature of contact wire-strip pair

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 摩擦系數(shù)隨滑動距離的變化

圖3 顯示了滑板-接觸線摩擦副滑動摩擦?xí)r摩擦因數(shù)隨滑動距離的變化，可以看出：滑動開始時，摩擦因數(shù)的數(shù)值略大，隨著滑動距離的增加，摩擦因數(shù)略有減??；無電流時的摩擦因數(shù)比有電流時的摩擦因數(shù)略大，例如，當(dāng)d= 150 km，I= 0 時，摩擦因數(shù)μ= 0.25，而當(dāng)d= 150 km，I= 400 A 時，μ= 0.22.這是因為有電流時，滑板-接觸線摩擦副經(jīng)常發(fā)生電弧放電現(xiàn)象，滑板材料的溫度比較高，滑板出現(xiàn)材料軟化，滑板材料的主要成份是碳，容易粘附到接觸線表面，在接觸線摩擦表面形成氧化膜，因而減小了摩擦因數(shù)[19].

圖3 摩擦因數(shù)隨滑動距離的變化Fig. 3 Variation of friction coefficient against sliding distance

2.2 滑板磨損率隨滑動距離的變化

圖4 顯示了滑板磨損率隨滑動距離的變化關(guān)系，可以看出：有電流時滑板的磨損率w隨著滑動距離的增大略有減小，當(dāng)d= 150 km，I= 400 A 時，w= 5.100 mm3/km，而當(dāng)d= 750 km，I= 400 A 時，w= 4.500 mm3/km；有電流時滑板的磨損率比無電流時大得多，如d= 150 km，I= 0 時，w= 0.096 mm3/km，有電流時滑板的磨損率是無電流時滑板的磨損率的53 倍，可見直流電流對滑板的磨損率有重要的影響.

圖4 滑板磨損率隨滑動距離的變化Fig. 4 Variation of wear rate against sliding distance

磨損率定義如式（2）所示.

式中：V為滑板磨損量，mm3.

根據(jù)式（2）和圖4 的試驗結(jié)果，可以估計寬度為35 mm、試驗機設(shè)定的接觸線拉出值為 55 mm 的滑板，使用d=10 000 km 時的磨耗深度為 12.47 mm.如果換算成剛性接觸網(wǎng)拉出值200 mm，則滑板使用d=10 000 km 時的磨耗深度為3.43 mm，該數(shù)據(jù)與剛性接觸網(wǎng)現(xiàn)場磨耗數(shù)據(jù)4.20～4.90 mm[4]接近.

2.3 滑板溫度隨滑動距離的變化

圖5 顯示了滑板的溫度隨滑動距離的變化，可以看出：自滑動距離d= 150 km 開始，有電流時滑板的溫度較高，最高達312.0 ℃，并在306.0 ℃左右小幅波動；當(dāng)無電流時，滑板的溫度隨滑動距離的變化微小，保持在41.3 ℃左右. 可見，直流電流對滑板溫度的影響很大. 溫度越高，滑板材料就越容易軟化，容易黏著轉(zhuǎn)移到接觸線表面，造成滑板材料磨損加??；同時，滑板溫度越高，滑板材料中低燃點的成分就容易燃燒，燃燒后的滑板材料變得松散，與接觸線摩擦?xí)r極易脫落造成滑板材料磨損的加劇.

圖5 滑板的最高溫度隨滑動距離的變化Fig. 5 Variation of strip temperature against sliding distance

2.4 電弧能量隨滑動距離的變化

圖6 顯示了弓網(wǎng)電滑動過程中電弧能量隨滑動距離的變化（I= 400 A），可以看出：隨著滑動距離的增大，電弧能量逐漸趨于平穩(wěn). 滑動剛開始的時候，由于滑板與接觸線之間處于初始跑合狀態(tài)，接觸狀態(tài)不是很穩(wěn)定，離線比較多，此時弓網(wǎng)電弧放電比較強烈，所以電弧能量比較大；隨著滑動距離的增加，滑板與接觸線之間的接觸狀態(tài)變好，離線相對較少，所以弓網(wǎng)電弧放電比較少，電弧能量相應(yīng)也比較少.弓網(wǎng)電弧一方面引起接觸副材料溫度的升高，另一方面電弧燒蝕引起滑板和接觸線材料的異常損耗，就像電弧焊接原理一樣，當(dāng)電弧能量達到一定數(shù)值的時候，電弧熱就能夠把焊接材料融化，由于摩擦副存在相對滑動，融化的材料就會沿著相對滑動速度方向飛濺出來. 電弧燒蝕是引起滑板材料磨損的最重要因素，滑板的磨耗與電弧能量成正比關(guān)系[14,21].因此，在實際的弓網(wǎng)系統(tǒng)中，應(yīng)盡量減少弓網(wǎng)電弧放電問題.

圖6 電弧能量隨滑動距離的變化Fig. 6 Variation of arc energy against sliding distance

2.5 磨痕形貌分析

圖7 顯示了滑板和接觸線的磨痕形貌，可以看出：滑板磨痕表面存在明顯的由于電弧燒蝕留下的麻坑，接觸線摩擦表面覆蓋了一層黑色的氧化膜，該氧化膜是電弧燒蝕的高溫和滑板材料轉(zhuǎn)移到接觸線表面共同作用而形成，一般認為該氧化膜可以減小滑板和接觸線之間的滑動摩擦因數(shù)[19].

圖7 滑板和接觸線的磨痕形貌Fig. 7 Surface topography of strip and wire scars

圖8（a）和圖8（b）分別顯示了滑板磨痕的SEM（scanning electronic microscope）照片和EDS （energy dispersive spectrum）分析. 從圖8（a）可以看出：滑板磨痕表面存在明顯的龜裂裂紋，在摩擦力和法向力的作用下，這些龜裂裂紋易引起滑板材料的脫層磨損，加速材料的磨耗. 從圖8（b）可以看出：滑板磨痕的氧元素含量比較高，這是發(fā)生了電弧燒蝕的緣故.

圖8 滑板磨痕的SEM 和EDS 分析Fig. 8 SEM photograph and EDS analysis of strip scar

3 結(jié) 論

1） 在直流電流通過條件下，浸金屬碳滑板和銅銀合金接觸線的滑動摩擦系數(shù)約為0.22，無電流時的滑動摩擦系數(shù)比有電流的摩擦系數(shù)略大.

2） 直流電流對浸金屬碳滑板的磨損量有顯著影響，在直流電流400 A 時滑板的磨損率達到4.5～5.1 mm3/km，約為無電流時滑板磨損率的53.0 倍.

3） 直流電流對浸金屬碳滑板的溫度有顯著影響，在直流電流400 A 時滑板的溫度最高為312.0 ℃，約為無電流時滑板溫度的7.4 倍.

4） 浸金屬碳滑板的磨損機制主要是電弧燒蝕和黏著磨損，接觸線覆蓋了一層黑色的氧化膜.

致謝：本項目得到牽引動力國家重點實驗室自主研究課題項目資助（2020 TPL-T08）.