戎有鑫 黃 勉 趙 雷 張世強(qiáng) 呂 可 廖 貞 肖守訥 楊 冰
(1. 中車青島四方車輛研究所有限公司 山東青島 266031;2. 西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610031)
地鐵受電弓是指地鐵車輛用于從接觸網(wǎng)上獲取電能的裝置, 其弓頭位置裝有滑板, 滑板為弓頭中可以更換的磨耗部件, 滑板表面直接與接觸網(wǎng)系統(tǒng)滑動(dòng)接觸, 是一對(duì)典型的載流摩擦副[1]。 隨著軌道車輛運(yùn)營(yíng)時(shí)速和牽引功率的不斷提升, 滑板材料從最開(kāi)始的軟鋼材料、 純碳材料逐漸發(fā)展到現(xiàn)在的粉末冶金和浸金屬材料。 由于浸金屬碳滑板具有更高的機(jī)械強(qiáng)度、 更好的受流耐磨性等優(yōu)點(diǎn), 目前被廣泛應(yīng)用于軌道車輛的集電裝置中[2-4]。
滑板的磨耗率通常是指其高度磨耗比, 在正常情況下其磨耗率每萬(wàn)公里小于1.5 mm[5]。 然而在國(guó)內(nèi)某型地鐵線路上出現(xiàn)了部分冬季時(shí)段地鐵受電弓浸銅碳滑板磨耗率異常升高的現(xiàn)象(磨耗率每萬(wàn)公里超過(guò)20 mm), 對(duì)列車運(yùn)行安全和運(yùn)營(yíng)成本控制均造成了較大影響。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)弓網(wǎng)載流摩擦磨損性能的影響因素開(kāi)展了大量研究, 主要集中于接觸條件和列車運(yùn)行環(huán)境2 個(gè)方面。 在接觸條件研究方面: LIN 等[6]進(jìn)行了碳?jí)K和銅環(huán)的相對(duì)摩擦磨損實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)法向載荷和載流大小與接觸副表面電弧強(qiáng)度有一定關(guān)聯(lián); 鐘傳枝等[7]通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M地鐵弓網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀況, 也發(fā)現(xiàn)了與地鐵車輛運(yùn)行工況相關(guān)的載流大小、 法向載荷、滑動(dòng)速度等因素對(duì)碳滑板的磨耗性能會(huì)產(chǎn)生一定影響; 丁濤等人[8]發(fā)現(xiàn)在載流工況下, 接觸副表面溫度會(huì)顯著增高, 并影響材料的摩擦磨損性能; 胡艷等人[9]研究了弓網(wǎng)接觸副由于電弧燒蝕、 滑動(dòng)帶來(lái)的局部溫升現(xiàn)象對(duì)摩擦磨損性能的影響, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)其表面溫度長(zhǎng)期處于或超過(guò)300 ℃時(shí), 由于電弧燒蝕加劇和熱應(yīng)力裂紋的大量萌生, 碳滑板的使用壽命會(huì)大幅降低; 武云龍等[10]研究了拉出值對(duì)電弧放電特性以及滑板/接觸線磨損性能的影響, 結(jié)果表明放電頻率、電弧能量都隨著拉出值的增大而增大。 在載流摩擦副所處運(yùn)行環(huán)境相關(guān)因素的研究方面: LIU 等[11]比較了電刷與換向器在不同環(huán)境溫度下的載流摩擦磨損性能, 發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高在接觸副表面生成表面膜的穩(wěn)定性和完整性降低, 導(dǎo)致磨耗率升高; 李含欣等[12]研究了載流摩擦條件下環(huán)境濕度對(duì)磨損表面損傷行為的影響, 發(fā)現(xiàn)了載流工況下表面最低黏著磨損對(duì)應(yīng)的最佳相對(duì)濕度值為55%。
綜上所述, 地鐵列車受電弓碳滑板磨耗率的影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜, 在運(yùn)行過(guò)程中由于其可接近性較差等因素, 難以對(duì)弓網(wǎng)接觸副狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè), 導(dǎo)致碳滑板表面異常磨耗機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。 本文作者針對(duì)受電弓碳滑板材料磨耗表面進(jìn)行分析, 對(duì)比進(jìn)入冬季后磨耗率異常升高的碳滑板(下稱異常磨耗碳滑板) 和正常運(yùn)營(yíng)時(shí)磨耗率在較低水平的碳滑板(下稱正常磨耗碳滑板) 表面形貌、 顯微組織、 化學(xué)成分等微觀信息, 分析異常磨耗出現(xiàn)原因。
試驗(yàn)用浸銅碳滑板材料取自于國(guó)內(nèi)某地鐵線路運(yùn)營(yíng)車輛, 浸銅碳滑板下方配有用于固定和支撐的鋁架。 浸銅碳滑板和銅銀合金導(dǎo)線材料的化學(xué)成分如表1 所示。
表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical constituents of test materials (mass fraction)
該型地鐵列車最高運(yùn)營(yíng)速度為80 km/h, 線路均為地下隧道運(yùn)營(yíng), 供電電壓為DC 1 500 V, 單臺(tái)受電弓受流情況如圖1 所示, 最大瞬時(shí)電流為696 A。
圖1 單臺(tái)受電弓受流情況Fig.1 Current collection of single pantograph
圖2 所示是正常磨耗和異常磨耗情況的碳滑板表面。 由圖2 (a) 可見(jiàn), 正常磨耗碳滑板表面呈現(xiàn)出光滑鏡面狀態(tài)。 由圖2 (b) 可見(jiàn), 出現(xiàn)異常磨耗的碳滑板其中間區(qū)域首先出現(xiàn)異常磨耗現(xiàn)象, 截面長(zhǎng)約65 mm, 繼續(xù)磨耗后擴(kuò)展至碳滑板整個(gè)表面, 如圖2 (c)所示。
圖2 碳滑板磨耗表面Fig.2 Carbon strip wear surface: (a) carbon strip surface in normal wear; (b) carbon strip wear surface with abnormal wear in the central area; (c) carbon strip surface in abnormal wear
正常磨耗試樣取自于進(jìn)入冬季前磨耗到限的受電弓滑板(運(yùn)營(yíng)里程約為100 000 km, 平均磨耗率約為每萬(wàn)公里1.4 mm); 異常磨耗試樣取自于進(jìn)入冬季后磨耗率異常升高的滑板試樣表面 (運(yùn)營(yíng)里程約為11 000 km, 平均磨耗率約為每萬(wàn)公里10 mm)。 以實(shí)際磨耗區(qū)域邊緣處為基準(zhǔn), 列車運(yùn)行方向?yàn)閥、 垂直于列車運(yùn)行方向?yàn)閤建立取樣坐標(biāo), 通過(guò)線切割加工獲取碳滑板磨耗中心區(qū)域磨耗面積約為15 mm×20 mm 試樣便于后續(xù)觀察, 如圖3 所示。
圖3 碳滑板磨耗區(qū)域取樣示意Fig.3 Sample schematic of wear zone of carbon strip
碳滑板磨耗率很大一部分取決于表面形貌。 由于受到電弧燒蝕、 機(jī)械磨損等多種磨耗形式的共同作用, 表面形貌發(fā)生改變, 從而影響磨耗。 文中通過(guò)對(duì)地鐵受電弓碳滑板出現(xiàn)異常磨耗前后的表面形貌特征進(jìn)行對(duì)比分析, 來(lái)揭示異常磨耗出現(xiàn)的本質(zhì)原因。
利用電子顯微鏡獲取了受電弓碳滑板表面宏觀形貌, 結(jié)果如圖4 所示。 由圖4 (a) 可看出, 正常磨耗試樣的宏觀表面分布有與列車運(yùn)行方向(y向) 一致的黑色流線[3]; 同時(shí)其表面還出現(xiàn)了大面積的裂紋, 長(zhǎng)度為1 ~10 mm, 主要是由于弓網(wǎng)之間的電弧燒蝕、 滑動(dòng)摩擦和振動(dòng)沖擊所導(dǎo)致的。 這些裂紋將表面材料分為多個(gè)形狀不規(guī)則的片狀區(qū)域, 伴隨著弓網(wǎng)摩擦的進(jìn)行, 裂紋長(zhǎng)度和數(shù)量都將繼續(xù)增長(zhǎng), 隨后片狀區(qū)域內(nèi)的材料開(kāi)始脫落, 致使碳滑板產(chǎn)生磨耗。
圖4 不同磨耗試樣表面宏觀形貌Fig.4 Surface macrograph of different wear samples: (a) normal wear surface; (b) abnormal wear surface
由圖4 (b) 可看出, 異常磨耗碳滑板表現(xiàn)出與正常磨耗碳滑板完全不同的宏觀表面形貌, 其表面分布有大量的電弧燒蝕痕跡。 因此, 對(duì)比2 種受電弓碳滑板宏觀表面形貌可知, 異常磨耗表面已經(jīng)發(fā)生了顯著改變, 暴露出更多的銅物質(zhì), 說(shuō)明在異常磨耗過(guò)程中接觸區(qū)域的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常磨耗過(guò)程。
借助日本OLYMPUS OLS4100 激光共聚焦顯微,從微觀角度分析正常磨耗和異常磨耗表面形貌。 圖5 (a)所示為碳滑板正常磨耗試樣表面, 在磨損的過(guò)程中由于機(jī)械摩擦、 電流、 電弧燒蝕等帶來(lái)的高溫作用, 碳滑板表層和次表層的潤(rùn)滑材料快速析出, 呈現(xiàn)出了比較多的碳基體[13], 所以整體顏色以灰、 黑色為主; 同時(shí)表面出現(xiàn)了數(shù)條沿著y向的黑色流線和部分電弧燒蝕孔洞。 圖5 (b) 所示為碳滑板異常磨耗試樣表面, 表面顏色及微觀形貌與正常磨耗情況存在較大差異, 整體以亮紅色為主, 出現(xiàn)了大量的電弧燒蝕痕跡, 接觸表面幾乎無(wú)法看出碳基體和潤(rùn)滑材料的痕跡。
圖5 不同磨耗試樣表面微觀形貌Fig.5 Surface micro-graphs of different wear specimens:(a) normal wear surface; (b) abnormal wear surface
利用OLYMPUS OLS4100 激光共聚焦顯微測(cè)試分析系統(tǒng)配備的軟件, 對(duì)試樣表面形貌進(jìn)行三維云圖重構(gòu)。 圖6 (a) 所示為受電弓碳滑板正常磨耗試樣表面的三維云圖, 可知正常磨耗碳滑板表面分布有少數(shù)的電弧燒蝕坑及電弧燒蝕麻點(diǎn), 微觀圖中表現(xiàn)出的黑色流線區(qū)域, 在云圖上也反映出了少許凹陷痕跡。 圖6 (b) 所示為碳滑板異常磨耗試樣表面的三維云圖,可以看出表面高低起伏較大, 電弧燒蝕孔洞已成片分布, 面積和深度都遠(yuǎn)超正常磨耗試樣表面, 電弧燒蝕面積已大于觀察區(qū)域面積的50%, 此時(shí)弓網(wǎng)接觸副已遭受嚴(yán)重破壞, 接觸面積大幅減少。
圖6 不同磨耗試樣表面三維云圖Fig.6 Three-dimensional cloud images of different wear samples surface: (a) normal wear surface;(b) abnormal wear surface
進(jìn)一步, 測(cè)試了2 種磨耗表面的粗糙度, 如表2所示。 相較于正常磨耗試樣, 異常磨耗試樣表面的粗糙度明顯增加。 同時(shí)結(jié)合上述三維形貌差異, 可知異常磨耗試樣表面的接觸面積減少、 接觸條件惡化是導(dǎo)致磨耗異常的直接原因之一。
表2 不同磨耗試樣表面的粗糙度Table 2 Surface roughness of different wear samples
利用日本電子JSM-IT500LV 掃描電鏡, 獲取試樣表面微觀信息。 圖7 所示為2 種磨耗區(qū)域表面SEM圖。 正常磨耗區(qū)域可以清楚地看見(jiàn)沿著豎向的弓網(wǎng)摩擦痕跡以及明顯的燒蝕形貌, 表面萌生了多條裂紋并蔓延至燒蝕坑中。 而異常磨耗試樣表面無(wú)法觀察到明顯的機(jī)械磨痕, 但表面相較于正常磨耗試樣更為粗糙, 電弧燒蝕區(qū)域增加, 表面出現(xiàn)了更多的淺色區(qū)域。 載流效率對(duì)碳滑板表面受流質(zhì)量有較大的影響,在載流效率較高的工況下, 碳滑板表面以機(jī)械磨損為主, 并伴隨少量電弧燒蝕, 與觀察到的正常磨耗試樣表面的磨損痕跡較為相似; 而在載流效率較低的情況下, 碳滑板表面出現(xiàn)大面積的電弧燒蝕痕跡, 與所觀察到的異常磨耗試樣表面微觀特征相同[14]。
圖7 不同磨耗試樣表面SEM 圖Fig.7 SEM images of surface of different wear specimens:(a) normal wear surface; (b) abnormal wear surface
為進(jìn)一步探究不同磨耗試樣表面微觀形貌上的差異, 獲取了更高倍率下的碳滑板表面圖像, 并運(yùn)用掃描電鏡搭載的能譜儀進(jìn)行了EDS 分析。 圖8 (a) 所示為獲取的500 倍下正常磨耗試樣表面SEM 圖, 圖8 (b)— (d) 對(duì)應(yīng)圖8 (a) 中紅色區(qū)域內(nèi)的塊狀淺色區(qū)域的EDS 面掃描結(jié)果。 圖8 (d) 中出現(xiàn)Cu 元素聚集現(xiàn)象, 判斷為在電弧燒蝕產(chǎn)生的高溫作用下,位于碳滑板表層和銅合金接觸線上的Cu 高溫熔化后凝固在碳滑板表面所致。
圖8 正常磨耗試樣表面SEM 圖及EDS 面掃描結(jié)果Fig.8 SEM image and EDS surface scanning results of normal wear specimen: (a) SEM image; (b) EDS analysis result;(c) C spectra; (d) Cu spectra; (e) O spectra
圖9 (a)、 (f) 所示均為異常磨耗試樣表面的SEM 圖。 在圖9 (a) 中, 試樣表面出現(xiàn)了大面積的Cu 聚集現(xiàn)象, 遠(yuǎn)超在正常磨耗試樣表面所觀察到的情況, 可以反映出異常磨耗表面電弧燒蝕程度及發(fā)生磨損時(shí), 接觸副溫度遠(yuǎn)高于正常磨耗試樣表面。 大面積Cu 熔融物覆蓋在碳滑板表面, 大幅降低碳滑板表面所含潤(rùn)滑材料的能效, 進(jìn)一步導(dǎo)致碳滑板表面溫度升高, 使得其表面狀態(tài)不斷惡化; 同時(shí)異常磨耗試樣表面溝壑密度和深度增加。 對(duì)比圖8 (b) 和圖9 (b)所示的EDS 結(jié)果, 可看出異常磨耗試樣表面Cu 峰明顯增強(qiáng)。 從圖9 (d)、 (h) 中的Cu 分布情況可以看出, 異常磨耗碳滑板試樣表面Cu 的分布不再具有均勻散布的特性, 而是集中分布在電弧燒蝕坑或表面熔融物質(zhì)覆蓋區(qū)域, 未電弧燒蝕區(qū)域表面只分布極少量的Cu。
圖9 異常磨耗試樣表面SEM 圖及EDS 面掃描結(jié)果Fig.9 SEM images and EDS surface scanning results of abnormal wear specimen: (a) SEM image of zone 1; (b) EDS analysis result of zone 1; (c) C spectra of zone 1;(d) Cu spectra of zone 1; (e) O spectra of zone 1;(f) SEM image of zone 2; (g) C spectra of zone 2;(h) Cu spectra of zone 2; (i) O spectra of zone 2
圖10 所示為2 種不同磨耗試樣表面電弧燒蝕孔洞的5 000 倍SEM 圖。 其中正常磨耗表面的電弧燒蝕孔洞面積較小, 電弧燒蝕情況較輕, 表面有少數(shù)顆粒狀磨屑黏附在摩擦表面; 而異常磨耗表面的電弧燒蝕孔洞面積已經(jīng)超出視場(chǎng)范圍, 顆粒狀磨屑大小、 數(shù)量、 電弧燒蝕坑深度均超出前述正常磨耗情況, 異常磨耗表面的磨粒磨損遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常磨耗情況。
圖10 碳滑板表面電弧燒蝕孔洞SEM 圖Fig.10 SEM images of arc ablation holes on carbon strip surface:(a) normal wear surface; (b) abnormal wear surface
從上述結(jié)果中可以看出, 異常磨耗碳滑板試樣表面電弧燒蝕、 磨粒磨損加劇是產(chǎn)生異常磨耗的直接原因。 異常磨耗碳滑板試樣表面在多種測(cè)試分析中都顯現(xiàn)出表面更加崎嶇、 粗糙度和磨粒直徑更大、 電弧燒蝕區(qū)域更廣等特征, 其接觸條件明顯惡化、 接觸面積大量減少。 影響受電弓碳滑板載流磨損的主要因素包括摩擦副材料、 潤(rùn)滑條件、 表面粗糙度、 法向壓力、電流大小、 拉出值、 電弧燒蝕率等[5-7]。 由于該型地鐵列車運(yùn)營(yíng)線路、 速度相對(duì)固定, 其載流大小、 接觸壓力、 摩擦副材料、 潤(rùn)滑條件、 拉出值均無(wú)明顯變化, 因此重點(diǎn)從地鐵運(yùn)營(yíng)隧道內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行考量, 發(fā)現(xiàn)異常磨耗的出現(xiàn)與空氣濕度的降低存在較大關(guān)聯(lián)。 圖11 所示為該型地鐵車輛在運(yùn)行過(guò)程中磨耗率、 溫濕度隨時(shí)間變化的曲線。 可以看出, 進(jìn)入冬季后, 碳滑板的磨耗率出現(xiàn)了2 次較為明顯的激增情況。 第一次出現(xiàn)在第40 ~50 天, 此時(shí)隧道內(nèi)溫度由初始的23 ℃下降至19 ℃, 空氣相對(duì)濕度由68%下降至17%, 磨耗率由每萬(wàn)公里1 ~2 mm 激增至10 mm;隨后空氣濕度出現(xiàn)了一定程度的回升, 溫度持續(xù)小幅度下降, 磨耗率呈現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)。 第二次出現(xiàn)在第70~100 天, 此階段隧道內(nèi)溫度最低下降至12℃, 空氣相對(duì)濕度最低時(shí)為18%, 磨耗率由每萬(wàn)公里3~5 mm 激增至21 mm; 隨后溫濕度均有一定程度的回升, 磨耗率也再次出現(xiàn)下降趨勢(shì)。
圖11 碳滑板運(yùn)行相關(guān)參數(shù)變化曲線Fig.11 Variation curves of relevant parameters of carbon strip operation: (a) change curve of carbon strip wear rate;(b) change curve of relative humidity inside the tunnel;(c) change curve of temperature inside the tunnel
有研究表明[15], 環(huán)境溫度的降低會(huì)導(dǎo)致空氣密度出現(xiàn)變化, 使得受電弓頂部部件氣動(dòng)升力波動(dòng)的幅度增大, 導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸穩(wěn)定性變差。 但是由于隧道內(nèi)整體溫差變化較小, 且地鐵運(yùn)行速度較低, 對(duì)受電弓氣動(dòng)壓力的影響極小。 除此以外, 根據(jù)傳熱學(xué)相關(guān)理論, 放熱熱量與放熱溫差成反比, 環(huán)境溫度的降低將會(huì)增大溫差, 從而增加滑板表面的散熱量, 使得滑板表面溫度有所降低, 滑板表面磨耗有所改善[16]。 據(jù)此判斷, 小范圍的溫度變化并非引起滑板表面出現(xiàn)嚴(yán)重異常磨耗現(xiàn)象的主要原因。
但是如圖11 (b) 中所示, 在運(yùn)行環(huán)境相對(duì)濕度大約下降至30%以下時(shí), 就會(huì)出現(xiàn)磨耗率激增的情況, 且環(huán)境濕度長(zhǎng)期處于這個(gè)水平以下時(shí)磨耗率會(huì)持續(xù)升高。 表3 中給出了異常磨耗和正常磨耗表面主要元素含量。 可以看出異常磨耗試樣表面Cu 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比正常磨耗試樣多出8.8%, C 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少了9.2%, 這將會(huì)導(dǎo)致表面由C 元素組成的潤(rùn)滑膜厚度減少, 潤(rùn)滑能效降低, 使得潤(rùn)滑膜對(duì)滑板表層浸漬銅相的保護(hù)作用減小, 導(dǎo)致其與接觸網(wǎng)線接觸概率增加, 磨損及電弧燒蝕加劇[17-19]。
表3 不同磨耗試樣表面元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) 單位:%Table 3 Surface element mass fraction of different wear samples Unit:%
有研究表明[11-12,20-25], 水蒸氣會(huì)吸附在摩擦副表面, 在濕度較高的環(huán)境下, 摩擦材料表面將會(huì)形成較為完整的吸附水膜, 使得C 元素在滑板試樣表面的鋪展越來(lái)越充分, 同時(shí)大氣中的水分子還會(huì)插入表面潤(rùn)滑層間, 使得表面潤(rùn)滑層的潤(rùn)滑能效進(jìn)一步得到提升; 然而在低濕度條件下 (相對(duì)濕度小于30% ~35%[12,19-20]), 分布在滑板表面的潤(rùn)滑層將無(wú)法提供潤(rùn)滑作用, 將會(huì)出現(xiàn)大量磨粒。 這是由于在低濕度的條件下, 水分子缺失, 無(wú)法形成能夠完全覆蓋整個(gè)磨耗表面的水膜, 導(dǎo)致表面材料的自由能增大, 在弓網(wǎng)滑動(dòng)摩擦的作用下, 表面的C 和Cu 更容易脫離, 并形成大量磨粒[20,23]。
因此, 試樣表面潤(rùn)滑層失效和表面磨粒磨損加劇可能與空氣濕度的下降有一定關(guān)系, 在二者的共同作用下, 試樣表面形貌出現(xiàn)異常、 粗糙度增加、 接觸副出現(xiàn)異常升溫、 弓網(wǎng)離線率上升等, 弓網(wǎng)接觸關(guān)系不斷惡化, 最終導(dǎo)致碳滑板磨耗率出現(xiàn)異常。
(1) 發(fā)生異常磨耗的碳滑板表面, 電弧燒蝕情況更加嚴(yán)重, 電弧燒蝕區(qū)域更廣, 表面熔融物的覆蓋面積更大, 表面材料分布遭到破壞, 使得表面的潤(rùn)滑效果降低。 由于表面形貌遭到破壞, 在持續(xù)運(yùn)行過(guò)程中, 還將導(dǎo)致離線率上升, 摩擦條件持續(xù)惡化。
(2) 發(fā)生異常磨耗的碳滑板表面C 含量降低,潤(rùn)滑層的厚度減少, 潤(rùn)滑能效降低, 同時(shí)誘發(fā)大量磨粒的產(chǎn)生, 使得接觸副出現(xiàn)形貌崎嶇、 異常溫升、 電弧燒蝕和磨粒磨損加劇等狀況, 最終磨耗率出現(xiàn)異常。
(3) 異常磨耗的出現(xiàn)與空氣濕度的下降存在一定關(guān)聯(lián), 濕度減小對(duì)受電弓滑板磨耗的影響還有待通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。