不同表面形貌的接觸線對(duì)浸金屬碳滑板載流摩擦磨損性能的影響

何泉鑫，曾子毅，陳光雄，任文娟，2，趙鵬鵬，董丙杰

(1.西南交通大學(xué)摩擦學(xué)研究所，四川成都 610031；2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都 610031)

受電弓是列車受流的重要元器件，在列車實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于軌道不平順、列車晃動(dòng)等原因，弓網(wǎng)間會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，使得弓網(wǎng)間的接觸狀態(tài)惡化，影響弓網(wǎng)間的受流質(zhì)量[1]。弓網(wǎng)間的受流質(zhì)量直接影響了列車運(yùn)行安全，因此研究受電弓-接觸網(wǎng)間的載流摩擦磨損行為是很有必要的。

與常規(guī)摩擦磨損研究不同，載流摩擦磨損是受電弓和浸金屬碳滑板在加載電流條件下的摩擦行為，具備電流大、速度快、溫度高等特點(diǎn)[2]。浸金屬碳滑板具有良好的導(dǎo)電性和耐磨性，廣泛應(yīng)用在高鐵和地鐵上，但其價(jià)格昂貴[3]。浸金屬碳滑板使用壽命的長(zhǎng)短直接影響了實(shí)際運(yùn)營(yíng)成本。因此，對(duì)弓網(wǎng)間載流磨損性能的探究有著重要意義。

近年來(lái)，諸多學(xué)者通過(guò)自主設(shè)計(jì)的模擬試驗(yàn)臺(tái)開展了載流摩擦磨損的試驗(yàn)研究。雒賢華[4]研究了不同粗糙度碳滑板的載流摩擦磨損性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，粗糙度越大的碳滑板磨損量越高，并且不同粗糙度的碳滑板在運(yùn)行30 min后的摩擦因數(shù)趨于相同。HU等[5]研究了純銅接觸線和銅銀合金接觸線與3種材料(鋁、銅、純碳)滑板的磨損情況，試驗(yàn)結(jié)果表明，3種摩擦副均存在嚴(yán)重的材料轉(zhuǎn)移，其中鋁材料最嚴(yán)重，銅材料次之，純碳材料最少。CHEN等[6]利用銷盤試驗(yàn)機(jī)研究了不銹鋼/銅基燒結(jié)合金材料摩擦副的載流摩擦磨損性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，銅基燒結(jié)合金材料的磨損量和摩擦因數(shù)隨電流的增大而增大，磨損形式主要是氧化磨損和黏著磨損。然而，目前幾乎所有試驗(yàn)都是圍繞正常型面的接觸線進(jìn)行研究。

滑板磨耗的上升往往伴隨著接觸線的異常磨損，而接觸線的異常磨損又會(huì)加劇弓網(wǎng)間的不平穩(wěn)。接觸線的異常磨損使得接觸線無(wú)法保持正常的廓形，在磨損過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生不同的橫截面形狀，而接觸線形貌的改變可能會(huì)影響弓網(wǎng)間的接觸關(guān)系。為此，研究不同形貌接觸線與浸金屬碳滑板間的載流摩擦磨損性能，對(duì)于弓網(wǎng)載流摩擦磨損機(jī)制的研究以及減少列車運(yùn)營(yíng)成本都有重要意義。本文作者利用地鐵現(xiàn)役的浸金屬碳滑板和銅銀合金接觸線，在環(huán)-塊式高速載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，研究3種不同型面的銅銀合金接觸線對(duì)載流摩擦磨損性能的影響，比較了不同接觸線型面下浸金屬碳滑板的摩擦因數(shù)、磨損量和溫升等。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用環(huán)-塊式高速載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)主要由底座、主電機(jī)、往復(fù)滑動(dòng)裝置、旋轉(zhuǎn)盤、伺服電機(jī)等構(gòu)成，設(shè)備示意圖如圖1(a)所示。旋轉(zhuǎn)盤上鑲嵌銅銀合金接觸線，旋轉(zhuǎn)盤半徑為550 mm，旋轉(zhuǎn)盤的速度在30～300 km/h內(nèi)連續(xù)可調(diào)節(jié)。尺寸為125 mm×35 mm×25 mm的長(zhǎng)方體滑板安裝在夾緊裝置內(nèi)，通過(guò)滑輪裝置給摩擦副施加法向力，法向力的加載范圍為10～90 N。伺服電機(jī)帶動(dòng)升降臺(tái)做周期性上下運(yùn)動(dòng)，模擬實(shí)際受電弓-接觸網(wǎng)之間的‘之’字形相對(duì)運(yùn)動(dòng)，升降臺(tái)的往復(fù)頻率設(shè)置為0.25 Hz，拉出值為±55 mm。

圖1 試驗(yàn)機(jī)及摩擦副示意Fig.1 Schematic of test machine and friction pair：(a)schematic of current-carrying friction and wear test machine； (b)schematic of contact wire/strip friction pair

試驗(yàn)采用KGBF-12-150 kW/180 V直流電供電，電流輸出范圍為0～600 A，輸出電壓0～180 V。利用精度為0.001 g的電子天平測(cè)得每組試驗(yàn)前后滑板的質(zhì)量來(lái)計(jì)算磨耗量。采用FLUKE Tix640型紅外測(cè)溫儀測(cè)得滑塊和接觸線50 min后(穩(wěn)定運(yùn)行階段)的溫度。用Quattor掃描電鏡(SEM)來(lái)觀察浸金屬碳滑板磨損后的表面形貌。此外，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)得接觸摩擦副之間的壓降U、回路電流I、摩擦力Ff等數(shù)據(jù)，采集系統(tǒng)的采樣頻率為1 kHz。

1.2 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)使用的浸金屬碳滑板為上海地鐵某線路正在服役的MY7A2型號(hào)，其元素含量如表1所示。試驗(yàn)采用的銅銀合金接觸線銅、銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為99.74%、0.08%。

表1 浸金屬碳滑板成分

以上海地鐵某線路實(shí)際運(yùn)行工況為參考，選取地鐵穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的速度60 km/h為試驗(yàn)速度，四滑板受電弓平均每塊滑板30 N的受力值[7]作為法向力進(jìn)行模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)所采用的3種形貌的接觸線分別為常規(guī)接觸線、麻點(diǎn)接觸線(麻點(diǎn)數(shù)量約占整個(gè)型面的20%)、斜切接觸線(傾斜角度為5°)。3種接觸線形貌如圖2所示。試驗(yàn)接觸線形貌均是以地鐵線路服役的接觸線正常運(yùn)營(yíng)后測(cè)得的形貌為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。每組試驗(yàn)的滑動(dòng)里程為60 km，每組參數(shù)重復(fù)進(jìn)行多次，每組試驗(yàn)結(jié)果取3次相近數(shù)據(jù)的平均值，試驗(yàn)詳細(xì)參數(shù)如表2所示。

圖2 不同形貌接觸線實(shí)物圖和側(cè)視簡(jiǎn)圖Fig.2 Physical drawing and side view diagram of the contact wires for different topography：(a)conventional topography contact wire；(b)contact wire with pitted morphology； (c)contact wire with slanted topography

表2 試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Test parameters

1.3 試驗(yàn)參數(shù)的計(jì)算

在試驗(yàn)過(guò)程中，接觸副的摩擦力不斷在變化，為了反映其表面的接觸狀況，引入摩擦因數(shù)，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：K為樣本的總個(gè)數(shù)；FNi為實(shí)時(shí)采集的摩擦力數(shù)據(jù)；Fn為加載的法向力；μ為平均摩擦因數(shù)。

磨損量是衡量載流摩擦磨損性能的重要參數(shù)，其計(jì)算公式如下：

Δm=m1-m2

(2)

式中：m1為試驗(yàn)前滑板的質(zhì)量；m2為試驗(yàn)后滑板的質(zhì)量；Δm為試驗(yàn)前后滑板的質(zhì)量差值，即磨損量。

列車運(yùn)行中弓網(wǎng)間的振動(dòng)會(huì)引起滑板和接觸線的分離，在電流作用下會(huì)發(fā)生電弧放電現(xiàn)象。電弧能量的大小在一定程度上可以衡量滑板與接觸網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中的接觸情況，其計(jì)算公式如下：

(3)

式中：e為運(yùn)行過(guò)程中的平均電弧能量；U為接觸線和滑板之間的壓降；I為線路實(shí)際通過(guò)的電流；t為每組試驗(yàn)的時(shí)間。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同形貌接觸線對(duì)摩擦因數(shù)的影響

摩擦因數(shù)是衡量載流摩擦磨損性能的重要參數(shù)之一。圖3顯示了不同形貌接觸線在速度為60 km/h、法向力為30 N的情況下摩擦因數(shù)隨電流的變化曲線?？梢钥闯?，斜切接觸線的摩擦因數(shù)始終最高，麻點(diǎn)接觸線的摩擦因數(shù)次之，常規(guī)接觸線的摩擦因數(shù)最低。

由于常規(guī)接觸線的表面平整、完好，在對(duì)摩過(guò)程中接觸良好，所以摩擦因數(shù)相對(duì)較低。麻點(diǎn)接觸線相對(duì)于常規(guī)接觸線，表面多了一些燒蝕坑，在接觸線與滑板運(yùn)行過(guò)程中，接觸線上燒蝕坑底部相對(duì)于滑板產(chǎn)生了離線，進(jìn)而發(fā)生電弧，增加了放電發(fā)生的頻率，從而惡化了接觸線與滑板的接觸[8]，故麻點(diǎn)接觸線接觸副的摩擦因數(shù)高于常規(guī)接觸線。斜切接觸線的接觸面是一個(gè)5°的斜面，相當(dāng)于在接觸線與浸金屬碳滑板的某些位置直接制造了兩者離線的接觸狀態(tài)，接觸線與滑板的接觸面積與麻點(diǎn)接觸線相比更小。在試驗(yàn)過(guò)程中，由于斜面的存在滑板與接觸線的接觸面積減小，并且接觸線的斜面始終與滑板保持離線的狀態(tài)，在電流的作用下產(chǎn)生持續(xù)的電弧，造成接觸線與滑板磨損的加劇。因此，與麻點(diǎn)接觸線相比斜切接觸線工況下的摩擦因數(shù)更高。

從圖3還可以看出，麻點(diǎn)、斜切接觸線工況下的摩擦因數(shù)隨著電流的增加呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著電流的增加，麻點(diǎn)接觸線上的燒蝕坑和傾斜接觸線上的斜度使得接觸副間的放電更加劇烈，在電弧的作用下接觸線表面變得粗糙，接觸時(shí)的犁削分量和微凸體的變形量也會(huì)增加[9-10]，所以2種工況下的摩擦因數(shù)與電流大小成正比。由于麻點(diǎn)接觸線相對(duì)于斜切接觸線來(lái)說(shuō)，放電頻率更低，故麻點(diǎn)接觸線的摩擦因數(shù)隨電流的變化率會(huì)稍低一些。常規(guī)接觸線下滑板的摩擦因數(shù)隨電流的增加而減小，這是因?yàn)殡S著電流的增大，接觸副的溫度升高，使得材料發(fā)生軟化[11]，接觸線與滑板間接觸面積增大，同時(shí)試驗(yàn)過(guò)程中氧化膜[12]的生成也減小了接觸副間的摩擦因數(shù)。

圖3 不同形貌接觸線的摩擦因數(shù)隨電流的變化Fig.3 Variation of friction coefficient of the contact wires of different morphologies with current

2.2 不同形貌接觸線對(duì)電弧能量的影響

在速度為60 km/h、法向力為30 N的情況下不同形貌接觸線的電弧能量隨電流的變化如圖4所示。可以看出，3種形貌接觸線的電弧能量都隨電流的增大而增大，其中傾斜形貌的接觸線放電強(qiáng)度最高，麻點(diǎn)形貌接觸線次之，正常形貌接觸線放電強(qiáng)度最低。電流的增加會(huì)引起放電強(qiáng)度的加劇，導(dǎo)致電弧能量的增大。在接觸壓力不變的情況下，與正常形貌接觸線相比斜切接觸線、麻點(diǎn)接觸線與滑板接觸面積的減小[13]也增加了運(yùn)行的不穩(wěn)定性。

圖4 不同形貌接觸線下電弧能量隨電流變化Fig.4 Variation of arc energy of the contact wires of different morphologies with current

在非正常形貌接觸線中，斜切接觸線由于斜面的存在與滑板在某些位置始終處于離線的狀態(tài)，載流運(yùn)行時(shí)的持續(xù)放電是造成斜切接觸線電弧能量最大的主要原因。而麻點(diǎn)接觸線表面上存在燒蝕和凹坑，每個(gè)燒蝕坑底部與滑板之間也存在離線接觸的情況，這會(huì)產(chǎn)生許多很小的放電。與正常形貌接觸線相比，有麻點(diǎn)時(shí)的放電強(qiáng)度更大。故麻點(diǎn)接觸線的累計(jì)電弧能量高于正常形貌接觸線。

2.3 不同形貌接觸線對(duì)滑板磨耗量的影響

圖5所示為不同形貌接觸線下浸金屬碳滑板在速度為60 km/h、法向力為30 N的工況下磨損量隨電流的變化曲線?？梢钥闯?，3種接觸線形貌下浸金屬碳滑板的磨損量均隨電流的增大而增大。從已有的研究[14-15]來(lái)看，浸金屬碳滑板的磨損主要是由電弧燒蝕和機(jī)械磨損引起的，并且電弧燒蝕占主導(dǎo)作用。這是因?yàn)殡S著電流的增大，離線產(chǎn)生的電弧會(huì)更加強(qiáng)烈，滑板表面的燒蝕現(xiàn)象更為嚴(yán)重，滑板磨損加劇。

從圖5中還可以看出，在電流較低時(shí)，常規(guī)接觸線下的滑板磨耗量略低于麻點(diǎn)接觸線，在電流到達(dá)300 A時(shí)，它們的差距驟增。這是因?yàn)榈碗娏鲿r(shí)，麻點(diǎn)接觸線上燒蝕坑的放電頻率較低，而且接觸副相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較快，電弧剛剛產(chǎn)生就被熄滅，因此兩者差距較小。大電流時(shí)，麻點(diǎn)接觸線燒蝕坑與滑板間的電場(chǎng)強(qiáng)度變大，任何細(xì)微的振動(dòng)沖擊都有可能導(dǎo)致電弧放電的產(chǎn)生，使滑板磨耗增大。斜切接觸線下滑板的磨耗量始終高于常規(guī)接觸線和麻點(diǎn)接觸線，這是因?yàn)?，斜切接觸線與滑板的接觸面積減小，并且無(wú)論是否存在沖擊，接觸線斜面與滑板始終處于離線狀態(tài)，使得電弧頻繁產(chǎn)生，并且電弧強(qiáng)度隨電流的增加而增大，所以與斜切接觸線組成摩擦副的滑板磨耗量始終高于其他2種。

圖5 與不同形貌接觸線對(duì)摩時(shí)滑板磨損量隨電流的變化Fig.5 Variation of the wear amount of strip with current when rubbing with the contact wires of different morphologies

2.4 不同形貌接觸線下浸金屬碳滑板的溫升

溫度是衡量滑板磨損量的重要因素，摩擦副的熱量由機(jī)械摩擦熱、電弧熱、焦耳熱組成[16]，并且電弧熱和焦耳熱是熱量產(chǎn)生的主要來(lái)源。圖6給出了速度60 km/h、法向?yàn)?0 N工況下不同形貌接觸線下滑板溫度與電流的關(guān)系。圖6中，3種形貌接觸線作用下的滑板溫度均隨電流的增加而升高，其中傾斜接觸線作用下的滑板溫度最高，麻點(diǎn)接觸線次之，正常接觸線作用下的滑板溫度最低。

圖6 與不同形貌接觸線對(duì)摩時(shí)滑板溫升隨電流的變化Fig.6 Ariation of the temperature rise of strip with current when rubbing with the contact wires of different morphologies

載流條件下，由于機(jī)械磨損產(chǎn)生的熱量很低，可忽略不計(jì)，故文中主要討論電弧熱和焦耳熱。焦耳熱的公式為

Q=I2·R·t

(4)

式中：Q為焦耳熱；I為加載的電流；R為接觸電阻；t為試驗(yàn)運(yùn)行的總時(shí)間。

從相關(guān)的試驗(yàn)可以得出，試驗(yàn)中接觸電阻的值很小，并且變化范圍不大[17]。此外，文中滑動(dòng)距離與滑動(dòng)速度恒定，各工況下的試驗(yàn)運(yùn)行總時(shí)間t相同。從公式(4)中可以看出，電流增大時(shí)，回路中的焦耳熱會(huì)增加，產(chǎn)生的電弧能量也越大，加之滑板吸收電弧產(chǎn)生的能量，使得溫度隨電流的增大而升高。從公式(4)中還可以得到，在電流大小不變時(shí)，不同形貌接觸線作用下產(chǎn)生的焦耳熱近似相等，因此3種形貌接觸線溫升的差異主要是電弧熱的不同。根據(jù)前面的分析可以知道，斜切接觸線產(chǎn)生的電弧能量最大，對(duì)應(yīng)的溫升也最高，常規(guī)接觸線產(chǎn)生的電弧能量最小，對(duì)應(yīng)的溫升也最小。

2.5 不同形貌接觸線下滑板磨損形貌分析

圖7顯示了3種不同形貌接觸線與浸金屬碳滑板在電流200 A、法向力30 N、速度60 km/h條件下滑板磨損前后表面形貌?？梢钥闯?，由于受到電流作用，滑板表面均出現(xiàn)了燒蝕坑和麻點(diǎn)，并且接觸線與滑板之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在滑板表面出現(xiàn)了劃痕。

從圖7(b)可見，麻點(diǎn)接觸線下滑板表面出現(xiàn)了肉眼可見的麻點(diǎn)，是因?yàn)榻佑|線上麻點(diǎn)與滑板之間產(chǎn)生短弧放電形成的。

從圖7(c)可見，斜切接觸線下滑板表面出現(xiàn)了較大的燒蝕坑，這說(shuō)明滑板與接觸線之間遭受了嚴(yán)重的電弧燒蝕。

圖7 浸金屬碳滑板磨損前后表面形貌Fig.7 The surface topography of metal-impregnated carbon strip before and after wear：(a)rubbing with conventional contact wire；(b)rubbing with pitted contact wire； (c)rubbing with slanted contact wire

圖8顯示了3種不同形貌接觸線作用下浸金屬碳滑板在500倍掃描電鏡下的微觀形貌。滑板的表面呈現(xiàn)不同的狀況，包括裂紋、燒蝕坑和熔融物等。圖中白色區(qū)域?qū)щ娦圆?，為電子堆積所形成[18]。常規(guī)形貌接觸線作用下滑板有較多的熔融物和少許的剝落塊，沒有大裂紋和凹坑產(chǎn)生(見圖8(a))。這說(shuō)明在運(yùn)行過(guò)程中，滑板主要發(fā)生了氧化磨損，并且伴隨著輕微的磨粒磨損。

麻點(diǎn)接觸線下滑板表面出現(xiàn)了裂紋和燒蝕坑，表面出現(xiàn)了很多磨屑，在燒蝕坑和裂紋附近伴隨有剝落層的出現(xiàn)(見圖8(b))。說(shuō)明滑板受到了嚴(yán)重的電弧侵蝕，使得滑板的材料軟化并從表面剝離出來(lái)，且遭受了比較嚴(yán)重的磨粒磨損。

斜切接觸線作用下滑板形貌最為惡劣，其表面出現(xiàn)了巨大的裂紋和犁溝，在燒蝕區(qū)出現(xiàn)了很多白色點(diǎn)狀的熔融物(見圖8(c))。這是因?yàn)樾鼻薪佑|線作用下的摩擦副在持續(xù)不斷地放電，電弧產(chǎn)生的持續(xù)高溫使滑板表面材料與空氣發(fā)生反應(yīng)形成大量氧化物。

圖8 浸金屬碳滑板磨損后表面形貌(I=200 A，F(xiàn)n=30 N，v=60 km/h)Fig.8 The wear surface topography of carbon strip(I=200 A，F(xiàn)n=30 N，v=60 km/h)：(a)rubbing with conventional contact wire；(b)rubbing with pitted contact wire； (c)rubbing with slanted contact wire

綜上所述，在相同試驗(yàn)工況下，斜切接觸線由于與滑板接觸面積的減小和離線的存在是3種不同形貌接觸線中與滑板匹配性能最差的，其對(duì)應(yīng)的滑板磨損也最為嚴(yán)重。因此，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中應(yīng)盡量控制弓網(wǎng)間離線產(chǎn)生的頻率，同時(shí)在接觸線磨損變形嚴(yán)重時(shí)應(yīng)及時(shí)更換。

圖9顯示了磨損前后滑板能譜分析結(jié)果?？梢钥闯?，磨損后滑板表面銅元素含量增大，說(shuō)明銅銀合金接觸線中的銅元素發(fā)生了材料轉(zhuǎn)移。由已有的文獻(xiàn)可知，電弧放電瞬間溫度高達(dá)幾千攝氏度[19]，會(huì)使得接觸線表面材料軟化并且在相對(duì)運(yùn)動(dòng)作用下發(fā)生黏著磨損，高溫也會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，故磨損后滑板表面氧元素和銅元素含量會(huì)增加。

3 結(jié)論

(1)在相同工況下，常規(guī)接觸線下的摩擦副的摩擦因數(shù)最小，磨損量也最低；斜切接觸線下的摩擦因數(shù)最高，磨損量也最高；麻點(diǎn)接觸線下的摩擦因數(shù)和磨損量位于3種形貌接觸線之間。

(2) 常規(guī)接觸線因其表面完好，與浸金屬碳滑板接觸時(shí)放電概率低，故該工況下的電弧能量最低。麻點(diǎn)接觸線的麻點(diǎn)易造成摩擦副的短弧放電，電弧能量高于常規(guī)接觸線。斜切接觸線下的摩擦副由于一直存在離線，電弧在運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期存在，故電弧能量最高。

(3) 滑板的溫升主要是由焦耳熱和電弧熱共同引起的，在相同工況下，焦耳熱大致相等。不同接觸線形貌下滑板溫升的變化主要取決于電弧熱，故滑板溫升與電弧能量成正相關(guān)。浸金屬碳滑板溫升從低到高的配副依次是常規(guī)形貌、麻點(diǎn)形貌、斜切形貌接觸線。

(4) 不同形貌接觸線配副下浸金屬碳滑板的微觀形貌有較大差異，常規(guī)接觸線下浸金屬碳滑板表面有較多熔融物，基本無(wú)裂紋和凹坑，主要是氧化磨損。麻點(diǎn)接觸線下浸金屬碳滑板產(chǎn)生了裂紋和較多的剝落層，有磨屑出現(xiàn)，磨損形式主要是電弧燒蝕和磨粒磨損。斜切接觸線下浸金屬碳滑板有大的裂紋和很深的犁溝出現(xiàn)，燒蝕區(qū)域出現(xiàn)了大量白色點(diǎn)狀熔融物，磨損形式主要是電弧燒蝕。