表面粗糙度對滑動(dòng)電接觸磨損率的影響*

張繼華 薛 磊 王智勇

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 遼寧葫蘆島 125105)

在弓網(wǎng)系統(tǒng)中，受電弓滑板與接觸網(wǎng)的摩擦磨損現(xiàn)象時(shí)刻發(fā)生，由于材料不同，滑板的磨損遠(yuǎn)大于接觸線，因此對于磨損率的研究主要針對受電弓滑板[1]?；迥p率的大小取決于弓網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行條件，而磨損率的大小又決定著滑板的運(yùn)行狀態(tài)與剩余壽命，因此對滑板磨損率的研究具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值[2]。

目前，關(guān)于滑板磨損率的研究在國內(nèi)外取得了一定的進(jìn)展，但基本都是對滑板材料與接觸網(wǎng)-受電弓滑板接觸副之間受流、受力與速度的分析。文獻(xiàn)[3-5]測量了基于鋼的金屬復(fù)合材料在摩擦區(qū)內(nèi)的耐磨性和電阻，認(rèn)為在200 A/cm2下材料受電弧侵蝕發(fā)生劇烈磨損。文獻(xiàn)[6-10]研究了接觸電流、法向壓力、運(yùn)行速度對于磨損率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)速度超過200 km/h后滑板出現(xiàn)熱裂紋，直流電流在400 A時(shí)滑板磨損率為無電流時(shí)的53倍；同時(shí)還利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出磨損率模型。文獻(xiàn)[11-12]通過摩擦磨損試驗(yàn)，得出放電頻率與電弧能量隨著拉出值的增大而增加，碳板溫升與磨損率隨著拉出值的增大而減小。文獻(xiàn)[13]在潤滑條件下對銅鋅合金進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，通過實(shí)時(shí)磨損率與表面粗糙度變化關(guān)系，建立磨損率模型。文獻(xiàn)[14]主要研究了滑板初始表面粗糙度與電弧能量、磨損率和摩擦因數(shù)之間的關(guān)系，得出表面粗糙度與燃弧率具有一定正相關(guān)性，磨損率隨著摩擦進(jìn)行呈“U”形變化，摩擦因數(shù)先降低后升高。不過該文獻(xiàn)主要對滑板初始表面粗糙度與電弧之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，對初始表面粗糙度對磨損率的影響未做深入研究。文獻(xiàn)[15]研究了不同表面粗糙度下燃弧率與摩擦因數(shù)的關(guān)系，得出滑板表面越粗糙越容易起弧；無電弧時(shí)摩擦因數(shù)平滑，有電弧時(shí)劇烈波動(dòng)，且在不同表面粗糙度下存在臨界起弧壓力，并隨著表面粗糙度的增大而增大。但該文獻(xiàn)僅考慮了滑板表面粗糙度與法向壓力對于磨損率與燃弧率的影響，實(shí)驗(yàn)條件不夠全面，不能很好地模擬實(shí)際弓網(wǎng)運(yùn)行下磨損率的變化情況。

本文作者在充分考慮接觸電流、法向壓力與運(yùn)行速度對于磨損率影響的基礎(chǔ)上，在微觀層面考慮滑板初始表面粗糙度對于弓網(wǎng)運(yùn)行中磨損率的影響，研究了弓網(wǎng)運(yùn)行條件下滑板磨損率的變化規(guī)律；提出了臨界表面粗糙度，結(jié)合表面形貌分析了不同粗糙度滑板的磨損類型。

1 試驗(yàn)設(shè)備與條件

試驗(yàn)采用自行搭建的高速摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，見圖1。步進(jìn)電機(jī)連接并帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，接觸線固定在轉(zhuǎn)盤邊沿，與接觸線接觸受電的受電弓滑板固定在滑臺上，通過滑臺往復(fù)移動(dòng)模擬電力機(jī)車實(shí)際運(yùn)行中“Z”字型運(yùn)動(dòng)軌跡。試驗(yàn)時(shí)通過調(diào)壓器控制電流強(qiáng)度，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制滑板與接觸線的相對滑動(dòng)速度，控制音圈電機(jī)等設(shè)備調(diào)節(jié)滑板與接觸線間壓力。該試驗(yàn)機(jī)可以有效地模擬實(shí)際弓網(wǎng)中接觸線與滑板的摩擦磨損狀況。

圖1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

滑板為浸金屬碳滑板，主要化學(xué)成分見表1，試驗(yàn)所用接觸線為純銅導(dǎo)線，截面積為120 mm2，硬度為96.2HBS。

表1 浸金屬碳滑板化學(xué)成分

試驗(yàn)所用接觸線與滑板的性能參數(shù)見表2。

根據(jù)試驗(yàn)需求制定試驗(yàn)參數(shù),見表3。其中表面粗糙度使用輪廓算術(shù)平均偏差，經(jīng)80、320、800、1 500目砂紙打磨。磨損率計(jì)算公式為

(1)

式中：Q為磨損率，g/(104km)；m0為滑板初始質(zhì)量，g；m為滑板磨損后質(zhì)量，g；l為相對滑動(dòng)距離，km。

表3 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)采取控制變量法，研究在不同運(yùn)行速度、接觸電流、法向壓力下初始表面粗糙度對于受電弓滑板磨損率的影響。其中滑板磨損質(zhì)量采用BSM電子天平進(jìn)行測量，精度為0.000 1 g;表面粗糙度使用JD520型粗糙度測試儀，采樣長度為2.5 mm，測量精度為0.01 μm;采用XJP-6A 型倒置金相顯微鏡對滑板表面形貌進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 工況條件對磨損率的影響

取運(yùn)行速度100 km/h、法向壓力70 N、接觸電流100 A為定值，分析不同電流、速度、壓力下磨損率隨滑板初始表面粗糙度變化規(guī)律，如圖2所示?？梢?，在不同運(yùn)行條件下磨損率皆隨滑板初始表面粗糙度的增加而增加，隨接觸電流、法向壓力、運(yùn)行速度的增加而增加。

圖2 不同運(yùn)行條件下磨損率隨表面粗糙度變化

在運(yùn)行速度與法向壓力一定的前提下，表面粗糙度越高，微凸峰頂與導(dǎo)線構(gòu)成的接觸斑點(diǎn)越少，輪廓高度差越大，如圖3所示。其中圖3(a)、(b)和(c)分別為經(jīng)過1 500、80目砂紙打磨和未打磨滑板輪廓圖。隨著電流強(qiáng)度增加，接觸斑點(diǎn)電通量上升，使得粗糙峰溫度升高，加劇峰頂?shù)能浕踔寥廴?，同時(shí)接觸面積低與高電流強(qiáng)度導(dǎo)致嚴(yán)重的電弧侵蝕現(xiàn)象，增加電氣磨損量，如圖2(a)所示。

在接觸電流與法向壓力一定的前提下，隨著運(yùn)行速度增加表面粗糙度越高，其離線率與燃弧率越高，導(dǎo)致電氣磨損量增加(見圖2(b))；同時(shí)，速度的增加會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱，結(jié)合電流產(chǎn)生的焦耳熱造成滑板的接觸溫度增加，高溫會(huì)降低滑板表面黏著強(qiáng)度，從而增加黏著磨損分量。

如圖2(b)所示，在運(yùn)行速度接觸電流一定的前提下，磨損率隨表面粗糙度的增加而增加，但在90 N下，磨損率變化趨勢變緩，表明隨著壓力增大，滑板初始表面粗糙度對磨損率的影響降低。這是因?yàn)榉ㄏ驂毫^低時(shí)，表面粗糙度高，滑板與接觸線間接觸面積少，燃弧率較高；當(dāng)壓力增加，滑板表面微凸峰頂發(fā)生塑性形變，接觸面積增大，燃弧率降低，使滑板初始表面粗糙度對磨損率的影響降低。

圖3 不同粗糙度滑板的表面輪廓曲線

2.2 臨界表面粗糙度確定

各運(yùn)行條件下不同初始表面粗糙度滑板對摩過程中的表面粗糙度隨時(shí)間變化曲線見圖4。隨著對摩進(jìn)行，不同滑板的表面粗糙度都在0.6 μm附近趨于穩(wěn)定。當(dāng)滑板初始表面粗糙度小于該值時(shí)，其表面粗糙度會(huì)先增加再減小，滑板表面粗糙度趨向穩(wěn)定的時(shí)間最短(6～12 min)；當(dāng)滑板初始表面粗糙度大于該值時(shí)，滑板表面粗糙度趨向于穩(wěn)定的時(shí)間較長(12～20 min)。不同條件下滑板表面粗糙度趨向于一條漸進(jìn)線，并圍繞該漸近線上下波動(dòng)。將表面粗糙度漸進(jìn)線值定義為在滑板表面粗糙度衡量尺度下的跑合期進(jìn)入穩(wěn)定期的界限[16]，稱為臨界表面粗糙度。

圖4 不同初始表面粗糙度的滑板的表面粗糙度隨時(shí)間變化

分別使用2 000、1 500、800、80、60目砂紙打磨滑板與未摩擦滑板其表面粗糙度見表4。

表4 不同滑板表面粗糙度

在不同運(yùn)行條件下各初始表面粗糙度滑板20 min磨損率見圖5?？梢娫诓煌\(yùn)行條件下0.458 μm初始粗糙度滑板的磨損率最低，低于和高于0.458 μm初始粗糙度時(shí)滑板的磨損率增大。結(jié)合臨界粗糙度可以看出，低于臨界粗糙度的滑板在對摩過程中表面粗糙度存在先增大再減小的過程。這是由于低表面粗糙度滑板摩擦副黏著效應(yīng)增強(qiáng)，容易發(fā)生黏著磨損，黏著磨損傷害滑板表面，增加其表面粗糙度；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，機(jī)械磨損磨去表面凸峰，使得滑板表面粗糙度降低并趨向穩(wěn)定。當(dāng)高于臨界粗糙度時(shí)，滑板表面粗糙度越高，對摩過程中其表面粗糙度變化幅度越大，因?yàn)榇植诙仍礁叩幕灞砻嫖⑼狗逶礁咔蚁∈?，與接觸線的接觸點(diǎn)的數(shù)量越少，接觸點(diǎn)的剪切抗力更低，更容易被剪斷，且更容易發(fā)生電弧侵蝕[17]，在電氣與機(jī)械雙重磨損下，滑板表面粗糙度與磨損率變化劇烈。比較不同初始表面粗糙度滑板的表面粗糙度變化與磨損率，可知滑板初始表面粗糙度為臨界粗糙度值時(shí)磨損率最低。

圖5 不同運(yùn)行條件下不同初始表面粗糙度試樣的磨損率

2.3 表面形貌分析

圖6所示為浸金屬碳滑板在接觸電流100 A、法向壓力70 N、運(yùn)行速度100 km/h運(yùn)行條件下對摩不同時(shí)間的表面形貌。其中滑板1、2試驗(yàn)前分別經(jīng)過1 500、80目砂紙打磨。

比較圖6(a)與(b)可以看出，經(jīng)1 500目砂紙打磨過的滑板1表面平滑，微凸峰與波谷差很小，而經(jīng)80目砂紙打磨后的滑板2表面較為粗糙，峰谷差大，同時(shí)兩滑板試樣表面為黑色，說明碳成分高于金屬成分。

圖6(c)和(d)所示是滑板試樣在規(guī)定運(yùn)行條件下運(yùn)行12 min后的表面形貌。試樣表面呈現(xiàn)金屬光澤，是高速與高電流產(chǎn)生的溫升效應(yīng)，使得低熔點(diǎn)金屬向滑板表面遷移，形成金屬氧化膜。滑板1由于表面過于光滑，摩擦副黏著效應(yīng)強(qiáng)，發(fā)生黏著磨損；同時(shí)由于滑板表面硬度較導(dǎo)線低，滑板表面發(fā)生材料損失，造成表面粗糙度增加?；?在高速摩擦磨損過程中，表面峰頂受到橫向剪切力的作用脫離滑板表面，形成磨粒磨損。由于滑板表面微凸峰頂受到剪切力作用，峰頂高度下降，同時(shí)產(chǎn)生的顆粒一部分填補(bǔ)到滑板波谷處，造成表面粗糙度的劇烈下降。

圖6(e)和(f)所示是運(yùn)行30 min后兩滑板試樣的表面形貌。兩滑板表面粗糙度接近，其表面形貌特征也相似，此時(shí)滑板處于穩(wěn)定磨損期。在持續(xù)高速與高電流下，滑板受到電弧熱、摩擦熱與焦耳熱的共同作用，高溫熔融的金屬液膜在導(dǎo)線的壓應(yīng)力作用下冷卻形成魚鱗狀金屬形貌；同時(shí)表面非金屬材質(zhì)變軟，受到金屬顆粒磨損，犁溝現(xiàn)象變得更加嚴(yán)重。由于高溫高速作用，滑板的疲勞磨損也較為嚴(yán)重。

圖6 不同初始表面粗糙度滑板在不同運(yùn)行時(shí)間下表面形貌

3 結(jié)論

(1)磨損率隨滑板初始表面粗糙度、接觸電流、法向壓力、運(yùn)行速度的增加而增加，壓力為90 N以上時(shí)，滑板初始表面粗糙度對于磨損率的影響降低，磨損方式以機(jī)械磨損為主。

(2)滑板從磨合期進(jìn)入穩(wěn)定摩擦期存在一個(gè)臨界粗糙度，滑板初始表面粗糙度為臨界粗糙度值時(shí)其磨損率最低。

(3)滑板初始表面粗糙度不同，其在跑合期磨損過程存在差異，在穩(wěn)定期內(nèi)，不同初始表面粗糙度滑板磨損過程相似，且表面粗糙度相近。