浸金屬碳滑板/銅銀合金接觸線載流摩擦磨損性能的試驗(yàn)研究*

鐘傳枝 許 巖 陳光雄

(西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所 四川成都 610031)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，電氣化鐵路已經(jīng)成為人們出行必不可少的交通工具。電力機(jī)車(chē)因其高效、環(huán)保、節(jié)能等諸多優(yōu)勢(shì)[1]，成為了交通系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。電力機(jī)車(chē)通過(guò)受電弓滑板與接觸線滑動(dòng)接觸獲得電能驅(qū)動(dòng)機(jī)車(chē)運(yùn)行。其中，受電弓滑板是電力機(jī)車(chē)的關(guān)鍵部位，其質(zhì)量對(duì)機(jī)車(chē)的運(yùn)行狀況有重要的影響[2-3]?？傮w上滑板材料一般應(yīng)具備如下性能：足夠的機(jī)械強(qiáng)度，優(yōu)良的自潤(rùn)滑性能和耐磨、減磨性能,良好的電學(xué)性能和較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力[4-5]。

當(dāng)前，地鐵剛性接觸網(wǎng)中接觸副異常磨耗問(wèn)題日益突出，弓網(wǎng)異常磨耗不僅消耗了大量的材料，造成了運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本的增加，而且對(duì)機(jī)車(chē)的安全運(yùn)行也有重大影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同材料的匹配副在不同工況下進(jìn)行了載流摩擦磨損性能的研究。HE和MANORY[6]對(duì)一種新型的銅-石墨復(fù)合材料(CGCMs)進(jìn)行了載流摩擦性能的研究，試驗(yàn)表明該材料具有良好的導(dǎo)電性和自潤(rùn)滑性，與純銅接觸線對(duì)磨時(shí)其磨損率很小。KUBOTA等[7]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比研究了3種不同纖維強(qiáng)度的C/C復(fù)合材料在滑動(dòng)速度為55.6 m/s，接觸壓力為59 N和電流在100～500 A變化時(shí)的載流摩擦磨損特性，試驗(yàn)表明含有高強(qiáng)度碳纖維的C/C復(fù)合材料具有較小的導(dǎo)熱性且更容易磨損。CHEN等[8]利用銷(xiāo)盤(pán)試驗(yàn)機(jī)研究了浸金屬碳滑板/不銹鋼摩擦副在滑動(dòng)速度為60～100 km/h、電流為0～50 A工況下的摩擦磨損性能，研究表明,在大電流或者高速情況下，浸金屬碳滑板磨損嚴(yán)重，電弧燒蝕是其主要的磨損形式。SHANGGUAN等[9]對(duì)比研究了浸金屬材料和C/C復(fù)合材料在電流為40～160 A和滑動(dòng)速度為10～50 m/s情況下的載流摩擦磨損性能，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2種材料的磨損率均隨電流和滑動(dòng)速度的增大而增大，C/C復(fù)合材料與浸金屬材料相比具有良好的耐磨性和載流穩(wěn)定性。WANG等[10]通過(guò)化學(xué)滲透工藝(CVI)及改進(jìn)技術(shù)自制了有無(wú)片狀石墨層的碳纖維/銅增強(qiáng)纖維碳納米復(fù)合材料，并將這2種材料與高鐵中服役的碳滑板復(fù)合材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)含有片狀石墨層的碳纖維復(fù)合材料磨損率最低。然而，上述研究因材料、匹配副及試驗(yàn)工況等條件的不同其載流摩擦磨損性能也存在著較大的差異性，難以給地鐵剛性接觸網(wǎng)磨耗問(wèn)題的研究提供可行性的參考。

因此，本文作者選取地鐵剛性接觸網(wǎng)中現(xiàn)役的浸金屬碳滑板與銅銀合金接觸線為接觸副，通過(guò)高速載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)模擬地鐵弓網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀況，研究不同工況下浸金屬碳滑板載流摩擦磨損的性能。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用環(huán)-塊式高速載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試接觸副的載流摩擦磨損性能。試驗(yàn)機(jī)主要由基座、轉(zhuǎn)盤(pán)、伺服電機(jī)、升降平臺(tái)和控制系統(tǒng)等部件構(gòu)成，如圖1所示。其中，接觸線鑲嵌在直徑為1 100 mm的轉(zhuǎn)盤(pán)上，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速使轉(zhuǎn)盤(pán)能夠以30～400 km/h的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。將碳滑板切成120 mm×34 mm×25 mm的長(zhǎng)方體后安裝在升降臺(tái)的滑塊座內(nèi)，并通過(guò)在拉力桿上的滑輪裝置上添加砝碼來(lái)給接觸副施加載荷，使接觸線和滑板保持緊密接觸，載荷大小在10～200 N之間可調(diào)。另外通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)使升降臺(tái)能夠上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以模擬實(shí)際受電弓的“之”字形運(yùn)動(dòng)，其拉出值范圍為0～110 mm，滑動(dòng)頻率在0.25～3 Hz之間可調(diào)。試驗(yàn)電源采用AHY-12-7-1000直流恒流源，其輸出電流范圍為0～1 000 A，輸出電壓為0～7 V。此外，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集回路電流I、接觸副電壓U、切向力Ff等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率為1 000 Hz。

1.2 試驗(yàn)材料和參數(shù)

試驗(yàn)采用的摩擦副為地鐵接觸網(wǎng)現(xiàn)役的銅銀合金接觸線和浸金屬碳滑板。銅銀合金接觸線銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.72%～99.76%。浸金屬碳滑板主要成分中C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68.4%、Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.46%，其他成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.14%。試驗(yàn)之前分別用60、240、600目的砂紙對(duì)滑板接觸面進(jìn)行打磨，使其表面粗糙度為3.2 μm左右，然后與接觸線在無(wú)載流低速的工況下對(duì)磨約10 min。試驗(yàn)前后用精度為0.1 mg的精密電子天平稱量滑板質(zhì)量。根據(jù)地鐵的實(shí)際運(yùn)行工況，選擇的試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

1.3 碳滑板磨損量和溫度的測(cè)量

每次試驗(yàn)的滑動(dòng)距離為100 km，使用精度為0.1 mg的精密電子天平稱取碳滑板冷卻后的質(zhì)量，求得碳滑板試驗(yàn)前后差值為碳滑板的磨損量Δm。使用Flir E40 紅外熱像儀每隔20 min測(cè)量碳滑板的溫度，求得幾次測(cè)量溫度的平均值作為碳滑板的實(shí)際溫度。紅外熱像儀測(cè)量范圍為-20～650 ℃，精度為±2%，測(cè)溫距離l≤5 m，采樣頻率為20 Hz。

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦因數(shù)

由圖2可知，在一定的法向載荷和滑動(dòng)速度下，摩擦因數(shù)隨電流的增大而減小。其原因是(1)隨著電流的增大，接觸副表面的溫度升高，接觸點(diǎn)出現(xiàn)了材料軟化，甚至出現(xiàn)了液化及氣化的材料相變，從而降低了摩擦因數(shù)[11]；(2)由于電流的作用，接觸表面生成氧化膜，隨著電流的增大，氧化膜數(shù)量增多，因而摩擦因數(shù)降低；(3)接觸副表面實(shí)際是多個(gè)微凸峰之間的接觸，隨著電流的增大，溫度隨之上升，導(dǎo)致微凸峰軟化，摩擦過(guò)程中，剪切應(yīng)力隨之減小，因而摩擦因數(shù)隨之降低。

圖2 摩擦因數(shù)隨電流的變化曲線Fig 2 Variation of friction coefficient with current

由圖3可知，當(dāng)電流和滑動(dòng)速度一定時(shí)，隨著法向載荷的增大，摩擦因數(shù)增大。當(dāng)法向載荷大于30 N時(shí)，摩擦因數(shù)趨向于穩(wěn)定值。分析原因如下：首先，當(dāng)法向載荷較小時(shí)，接觸副表面微凸峰互相接觸的面積小，微凸峰發(fā)生彈性和塑性變形的概率小。在滑動(dòng)過(guò)程中，接觸副離線次數(shù)多，導(dǎo)致電弧放電頻率大，電弧放電使得接觸副溫度升高，碳滑板表面的微凸峰在高溫作用下被軟化，進(jìn)而使得表面微凸峰互相剪切的應(yīng)力減小，摩擦力隨之減小。當(dāng)法向載荷增大時(shí)，滑動(dòng)過(guò)程更加穩(wěn)定，接觸副離線次數(shù)減小，電弧放電減少，接觸表面不易發(fā)生軟化和變形，微凸峰互相接觸面積增大，剪切應(yīng)力增大，所以摩擦力增大。其次，由于浸金屬碳滑板的主要成分為石墨，石墨是一種良好的固體潤(rùn)滑劑，在法向載荷作用下，能夠在接觸表面形成潤(rùn)滑膜[12],使得接觸面粗糙度降低，因而摩擦因數(shù)隨著法向載荷的增大而變緩。當(dāng)法向載荷在30～40 N時(shí)，由于接觸副運(yùn)行狀態(tài)趨于平穩(wěn)，離線電弧較少，微凸峰之間相互作用也趨于飽和，所以摩擦因數(shù)增大趨于穩(wěn)定值。

圖3 摩擦因數(shù)隨法向載荷的變化曲線Fig 3 Variation of friction coefficient with normal load

圖4顯示了摩擦因數(shù)相對(duì)于滑動(dòng)速度的變化，可以看出，當(dāng)電流和法向載荷一定時(shí)，摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)速度的增大而減小。原因是當(dāng)滑動(dòng)速度增大時(shí)，接觸副的振動(dòng)加劇，導(dǎo)致接觸副的離線次數(shù)增多，電弧放電頻率增多，電弧放電產(chǎn)生的閃溫使接觸副表面溫度升高，造成表面材料局部的軟化和銅材料的熔凝，形成燒蝕坑和氧化膜。接觸線上氧化的銅顆粒被填充到滑板的燒蝕坑中，使碳滑板表面的粗糙度降低。另外，隨著速度的增加，電弧放電產(chǎn)生的氧化膜比燒蝕坑對(duì)摩擦因數(shù)的影響更大[13]，所以摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)速度的增大而減小。

圖4 摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)速度的變化曲線Fig 4 Variation of friction coefficient with sliding velocity

2.2 磨損量

圖5顯示了滑板磨損量相對(duì)于電流的變化，可知，碳滑板磨損量隨電流的增大而增大。這是因?yàn)楫?dāng)電流增大時(shí)，接觸副伴隨持續(xù)的短弧放電現(xiàn)象，導(dǎo)致碳滑板溫度急劇升高，高溫造成接觸副表面材料氧化、燒蝕，在剪切力的作用下，易發(fā)生剝落而排出，因而磨損量增大。

圖5 磨損量隨電流變化的曲線Fig 5 Variation of wear loss with current

圖6顯示了滑板磨損量相對(duì)于法向載荷的變化，可以看出，當(dāng)電流為200 A，速度為80 km/h時(shí)，磨損量隨著法向載荷的增大先減小后增大，當(dāng)法向載荷為25 N時(shí)磨損量最小。這表明法向載荷與磨耗量之間存在一個(gè)閾值，當(dāng)載荷為某一數(shù)值時(shí)，磨損量最小。這一結(jié)果與文獻(xiàn)[14-16]的研究結(jié)果相一致。當(dāng)電流大小為400 A，速度為80 km/h 時(shí)，滑板磨損量隨著法向載荷的增大而減小。其主要原因是在大電流的情況下，隨著載荷的增加，法向載荷的增大在一定程度上抑制了電弧放電的發(fā)生，減少了電氣磨損，雖然此時(shí)機(jī)械磨損有所增加，但電氣磨損始終大于機(jī)械磨損，所以總磨損量呈現(xiàn)出一直減小的趨勢(shì)。

圖6 磨損量隨法向載荷變化的曲線Fig 6 Variation of wear loss with normal load

圖7顯示了滑板磨損量相對(duì)于滑動(dòng)速度的變化，可以看出滑板磨損量隨滑動(dòng)速度的增大而增大。這主要是因?yàn)榛瑒?dòng)速度的增大致使接觸副的振動(dòng)加劇[13]，離線次數(shù)增多，電弧放電頻率增多。此時(shí)，碳滑板主要以電氣磨損為主，因此磨損量隨滑動(dòng)速度的增大而增大。

圖7 磨損量隨滑動(dòng)速度變化的曲線Fig 7 Variation of wear loss with sliding velocity

2.3 溫度

圖8 溫度隨電流變化的曲線Fig 8 Variation of temperature with current

圖9顯示了滑板溫度相對(duì)于法向載荷的變化，可以看出，在其他因素不變的情況下，當(dāng)法向載荷在15～25 N之間時(shí)，滑板溫度沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，此時(shí)可能是由于摩擦副接觸不平穩(wěn)，會(huì)出現(xiàn)無(wú)規(guī)律的瞬時(shí)閃溫的情況。當(dāng)法向載荷大于25 N時(shí)，滑板溫度呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)檩d荷在一定程度上抑制了電弧放電的發(fā)生，避免了瞬時(shí)高溫的產(chǎn)生。

圖9 溫度隨法向載荷變化的曲線Fig 9 Variation of temperature with normal load

圖10顯示了滑板溫度相對(duì)于滑動(dòng)速度的變化，可以看出當(dāng)電流大小為200 A時(shí)，隨著滑動(dòng)速度的增大，滑板溫度在小范圍內(nèi)呈上升的趨勢(shì)。其原因是當(dāng)電流為200 A時(shí)，隨著相對(duì)滑動(dòng)速度的增加，摩擦副系統(tǒng)的不穩(wěn)定性增加,振動(dòng)加強(qiáng),弓網(wǎng)間的離線現(xiàn)象將更頻繁[21]，此時(shí)溫度主要來(lái)自電弧放電產(chǎn)生的電弧熱。而當(dāng)電流大小為400 A時(shí)，隨著滑動(dòng)速度的增大，滑板溫度大幅度下降。其原因是，雖然電流為400 A的情況下，接觸副總是存在持續(xù)的電弧放電現(xiàn)象，但隨著相對(duì)滑動(dòng)速度的增加，碳滑板與接觸線接觸區(qū)域分開(kāi)越快，使得接觸副的散熱性更好，因而滑板溫度大幅度下降。實(shí)際試驗(yàn)情況也表明：隨著轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)盤(pán)產(chǎn)生的風(fēng)越大，有助于接觸副的散熱。因此，當(dāng)電流為400 A時(shí)，速度的增加會(huì)使碳滑板的溫度下降。

圖10 溫度隨滑動(dòng)速度變化的曲線Fig 10 Variation of temperature with sliding velocity

2.4 形貌分析

圖11所示為不同電流時(shí)碳滑板的表面形貌。可以看出，當(dāng)電流逐漸增大時(shí)，碳滑板表面越來(lái)越粗糙。碳滑板磨損表面主要有電弧燒蝕麻點(diǎn)、燒蝕坑、剝離坑、裂紋、機(jī)械犁溝和塑性變形。當(dāng)電流為200～300 A時(shí)，碳滑板表面比較光滑，各工況下電弧放電現(xiàn)象少，碳滑板表面溫度較低，主要以機(jī)械磨損為主；當(dāng)電流為300～400 A時(shí)滑板表面出現(xiàn)了許多麻點(diǎn)、裂紋和燒蝕坑，白色氧化物增多，電弧放電現(xiàn)象劇烈，碳滑板表面溫度較高，主要以氧化磨損及電弧燒蝕為主。

圖11 不同電流時(shí)碳滑板表面形貌(F=25 N,v=60 km/h)Fig 11 Surface morphology of the carbon strips for different currents(F=25 N,v=60 km/h)(a) I=200 A(t=98 ℃)；(b)I=250 A(t=175 ℃)；(c) I=300 A(t=207 ℃)；(d) I=350 A(t=295 ℃)；(e) I=400 A(t=340 ℃)

3 結(jié)論

(1)電流對(duì)摩擦因數(shù)、碳滑板的磨損量和溫度直接影響最大，當(dāng)電流增大時(shí)，摩擦因數(shù)減小，滑板的磨損量和溫度急劇增大。

(2)法向載荷和滑動(dòng)速度間接影響摩擦因數(shù)、滑板的磨損量和滑板溫度。法向載荷的增大能夠抑制電弧放電的發(fā)生，使得離線次數(shù)降低，而滑動(dòng)速度的增大使接觸副振動(dòng)加劇，使得離線頻率增大，電弧放電次數(shù)增多，產(chǎn)生較大的電弧能量。

(3)當(dāng)電流小于300 A時(shí)，滑板的磨損機(jī)制主要為機(jī)械磨損；當(dāng)電流為300～400 A時(shí)，其磨損機(jī)制主要為氧化磨損和電弧燒蝕。