高/低濕度條件下弓網(wǎng)載流摩擦磨損性能的試驗(yàn)研究

摘要：為探究不同濕度條件下地鐵剛性弓網(wǎng)系統(tǒng)摩擦磨損的性能，采用弓網(wǎng)系統(tǒng)常用的浸金屬碳滑板與銅銀合金接觸線為試驗(yàn)材料，利用高速載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)模擬地鐵剛性弓網(wǎng)的運(yùn)行。試驗(yàn)研究了環(huán)境相對濕度分別為20%、40%和60%時(shí)，地鐵常見運(yùn)營速度下浸金屬碳滑板的磨耗率、摩擦系數(shù)、平均電弧能量和振動(dòng)加速度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：低濕度（20%）環(huán)境中，滑板與弓網(wǎng)之間的摩擦類似于干摩擦，滑板磨粒會(huì)損壞接觸線表面形成犁溝。在高濕度（60%）環(huán)境中，空氣中的水分子會(huì)潤滑接觸表面降低接觸副之間的摩擦系數(shù)，還可以擴(kuò)大電流回路的通流面積，降低接觸副之間的振動(dòng)幅度。

關(guān)鍵詞：載流摩擦磨損；環(huán)境濕度；電弧能量；振動(dòng)加速度

中圖分類號(hào)：TH117.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.07.005

文章編號(hào)：1006-0316 （2024） 07-0030-07

Experimental Study on Friction and Wear Properties of Pantograph-Catenary Systems

under High and Low Humidity Conditions

HUA Hao，LIU Songnan，CHEN Guangxiong，TANG Yu，ZHANG Juncai，CHANG Yong

（ Tribology Research Institute， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China ）

Abstract：In order to explore the friction and wear performance of metro rigid contact wire-pantograph systems under different humidity conditions， the metal-impregnated carbon strips and the copper-silver alloy contact wires， commonly used in pantograph-catenary systems， are used as the test materials， and the high-speed current-carrying friction and wear testing machine is employed to simulate the operation of the metro rigid contact wire-pantograph systems. The changes of wear rate， friction coefficient， average arc energy and vibration acceleration of metal-impregnated carbon strips at common operating speeds of metro are studied when the ambient relative humidity is 20%， 40% and 60%， respectively. The results show that in the low humidity （20%） environment， the friction between the carbon strips and the contact line is similar to dry friction， and the carbon strips abrasive particles will damage the surface of the contact line and form a furrow. In the high humidity （60%） environment， water molecules in the air will lubricate the contact surface， reducing the friction coefficient between the contact pairs， and expands the flow area of the current circuit， which reduces the vibration amplitude between the contact pairs.

Key words：current-carrying friction wear；ambient humidity；arc energy；vibration acceleration

受電弓/剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著地鐵列車電能傳輸?shù)闹匾蝿?wù)，是城市軌道交通列車系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，其對地鐵列車的安全、可靠運(yùn)行起關(guān)鍵作用[1]。受電弓通過碳滑板與接觸網(wǎng)的高壓線滑動(dòng)接觸，摩擦副間電流的大小、運(yùn)行速度、法向壓力等因素都對摩擦磨損性能有著明顯的影響[2-5]。列車在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，弓網(wǎng)系統(tǒng)不僅僅會(huì)受到這些系統(tǒng)內(nèi)部因素的影響，環(huán)境因素尤其是運(yùn)行環(huán)境的濕度對弓網(wǎng)間的摩擦磨損性能也有著不可忽視的影響。我國地鐵剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)最近幾年出現(xiàn)了異常磨耗現(xiàn)象，正常滑板磨耗為每萬公里磨深3～4 mm，滑板異常磨耗發(fā)生時(shí)達(dá)到7～15天滑板磨耗深度15～25 mm。地鐵線路現(xiàn)場調(diào)研表明，當(dāng)空氣相對濕度低于30%左右就容易出現(xiàn)剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的異常磨耗，但當(dāng)相對濕度大于40%時(shí)，剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)的磨耗自動(dòng)恢復(fù)正常。

關(guān)于環(huán)境濕度對弓網(wǎng)載流磨損影響的研究近年來逐漸增多，松山晉作等[6]通過灑水的方式模擬弓網(wǎng)系統(tǒng)在雨天運(yùn)行時(shí)的工況，發(fā)現(xiàn)通電時(shí)熱量使雨水汽化，帶走了大量的焦耳熱，降低了接觸副周圍溫度，減小了滑板溫升和磨損。袁文征等[7]通過研究不同濕度下黃銅/鋼配副的滑動(dòng)摩擦性能，發(fā)現(xiàn)接觸副摩擦因數(shù)、溫升、磨損率隨著環(huán)境濕度的增加而降低，增大環(huán)境濕度對于改善摩擦性能有積極作用。李含欣[8]等通過在試驗(yàn)機(jī)上加裝濕度控制模塊，研究了碳棒和銅棒在不同濕度下的載流摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)電弧放電能量和平均接觸電阻與相對濕度具有正相關(guān)性。過往的研究主要集中于濕度條件對弓網(wǎng)系統(tǒng)摩擦磨損的影響效果，對于其影響機(jī)理的研究卻很少，本文通過對環(huán)境濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測和及時(shí)干預(yù)，利用加濕器和除濕機(jī)的組合，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境濕度的精確控制，設(shè)定了20%（低濕度）、40%（高低界限）、60%（高濕度）三種環(huán)境濕度，通過高速載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)配合數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，采集并計(jì)算得到了不同試驗(yàn)工況下摩擦副的摩擦系數(shù)、平均電弧能量、振動(dòng)加速度以及浸金屬碳滑板的磨損率等參數(shù)。通過分析不同參數(shù)的變化趨勢及原因，得出環(huán)境濕度影響載流摩擦磨損性能的機(jī)理，對進(jìn)一步探究減少摩擦磨損的措施有積極作用。

1 載流摩擦磨損試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

圖1是環(huán)－塊式高速載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖，主要由三部分組成：回轉(zhuǎn)部分、裝夾部分、往復(fù)運(yùn)動(dòng)部分。其回轉(zhuǎn)部分模擬的是架設(shè)在列車上方的接觸線；裝夾部分模擬的是受電弓，通過加載不同質(zhì)量的砝碼可以模擬相應(yīng)的升弓壓力；往復(fù)運(yùn)動(dòng)部分模擬的是實(shí)際運(yùn)行中受電弓與接觸線之間的“Z”字運(yùn)動(dòng)，在局部放大圖中可以看出碳滑板與接觸線接觸的細(xì)節(jié)并附上實(shí)物圖進(jìn)行一一對應(yīng)。

試驗(yàn)電路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖2所示，主要由電源、BBM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、電壓傳感器、電流傳感器、切向力傳感器、振動(dòng)加速度傳感器等組成。

此外還有試驗(yàn)輔助設(shè)備，包括除濕機(jī)和加濕器，可以有效地將濕度控制在試驗(yàn)要求的范圍內(nèi)，試驗(yàn)環(huán)境濕度每隔20 min記錄1次并根據(jù)濕度變化及時(shí)調(diào)整上述設(shè)備。

1.2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)參數(shù)

本次試驗(yàn)采用地鐵接觸網(wǎng)常用銅銀合金導(dǎo)線作為試驗(yàn)接觸線，浸金屬碳滑板為受電弓滑板。試驗(yàn)材料成份含量如表1所示。

試驗(yàn)參數(shù)選取如下：加載電流為100 A；加載法向力為25 N；試驗(yàn)里程為120 km；試驗(yàn)速度為40～80 km/h；試驗(yàn)環(huán)境濕度分別為20%（低濕度）、40%（高低界限）、60%（高濕度）。試驗(yàn)研究了浸金屬碳滑板磨損率、摩擦系數(shù)等參數(shù)在三種濕度條件下的區(qū)別和變化趨勢，并借助光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡（SEM）獲得了試驗(yàn)后浸金屬碳滑板表面的微觀形貌。為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，同一工況重復(fù)試驗(yàn)三次，取三次測量數(shù)據(jù)的平均值作為試驗(yàn)的結(jié)果。每次試驗(yàn)結(jié)束，使用1000目的砂紙對接觸線表面進(jìn)行打磨，然后用酒精擦拭，保持接觸線表面粗糙程度一致。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

磨損率計(jì)算如下：

（1）

式中：ω為滑板磨損率；m1為試驗(yàn)前滑板質(zhì)量；m2為試驗(yàn)后滑板質(zhì)量；S為試驗(yàn)里程。

平均電弧能量計(jì)算如下：

（2）

式中： 為平均電弧能量；U為接觸線與滑板

間的壓降；I為接觸面流經(jīng)的電流，即電流傳感器收集到的電流數(shù)據(jù)；T為試驗(yàn)總時(shí)長。

摩擦系數(shù)計(jì)算如下：

（3）

式中：μ為摩擦系數(shù)； 為滑板所受切向力； 為滑板所受法向力。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕度對于磨損率的影響

圖3給出了不同環(huán)境濕度和滑動(dòng)速度下浸金屬碳滑板的磨損率。從圖中可以明顯看出，環(huán)境濕度對滑板的磨損率影響較大，隨著濕度的降低滑板磨損率出現(xiàn)明顯的上升趨勢。并且在20%濕度條件下，滑動(dòng)速度對滑板磨損率的影響也更為顯著。當(dāng)環(huán)境濕度增加至40%和60%時(shí)，雖然隨著滑動(dòng)速度的增加滑板磨損率有增大趨勢，但增速逐漸變緩，并且兩種濕度工況下的試驗(yàn)結(jié)果更為接近。圖4展示了濕度分別為20%和60%、速度為80 km/h試驗(yàn)過后滑板表面記錄照片，從滑板左端可明顯看出20%濕度工況下磨耗較60%濕度更為嚴(yán)重，且20%濕度工況的滑板表面出現(xiàn)了更多的燒蝕斑點(diǎn)。

弓網(wǎng)載流摩擦磨損主要分為兩個(gè)方面，一是接觸副相對運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械磨耗，二是加載電流時(shí)產(chǎn)生的電氣磨耗。下面分別探究濕度條件對于這兩個(gè)方面的影響機(jī)理。

2.2 濕度對于弓網(wǎng)機(jī)械磨耗的影響

不同環(huán)境濕度下摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度的變化如圖5所示。圖中，摩擦系數(shù)隨著滑動(dòng)速度的增加和環(huán)境濕度的降低而增大。20%濕度環(huán)境下，摩擦系數(shù)隨速度變化的增幅更為明顯。在濕度環(huán)境為20%時(shí)，空氣中水分子含量很低，接觸線和碳滑板的接觸摩擦類似于干摩擦，加之試驗(yàn)電流較低，試驗(yàn)產(chǎn)生的滑板顆粒硬度較高，在法向力的作用下對接觸線產(chǎn)生了犁削作用[9]，在接觸線表面形成明顯的犁溝。圖6給出了滑動(dòng)速度為80 km/h，環(huán)境濕度分別為20%和60%時(shí)接觸線同一位置試驗(yàn)后的表面磨損圖片。從圖6中可以看出環(huán)境濕度為60%時(shí)，試驗(yàn)后的接觸線表面較為平整，接觸線整體顏色較深，沒有明顯的劃痕。而環(huán)境濕度為20%時(shí)，試驗(yàn)后的接觸線表面出現(xiàn)明顯的劃痕和犁溝，整體呈現(xiàn)明亮的銅色。犁溝的產(chǎn)生使滑板和接觸線之間的接觸面變得粗糙，摩擦系數(shù)增大，這與圖5中摩擦系數(shù)的變化規(guī)律一致。

在環(huán)境濕度高的空氣氛圍中水分子含量高，水分子會(huì)聚集在碳滑板表面形成多層水膜[10]，在接觸副中起到一定的潤滑作用，且水膜即使受到頻繁摩擦和消耗也能在環(huán)境中得到補(bǔ)充從而持續(xù)潤滑摩擦副。濕度越高的環(huán)境中潤滑水膜補(bǔ)充越快，所以在其他試驗(yàn)參數(shù)相同的情況下，環(huán)境濕度為60%的工況對比其他濕度工況都保持最小水平。這也使得高濕度下的接觸線表面更為平整。而在低濕度環(huán)境下，由于缺少水膜的潤滑作用，接觸副間的機(jī)械磨損較為惡劣，犁溝的出現(xiàn)使得碳滑板只能與接觸線的凸起位置接觸，接觸線的凹坑位置由于無法與滑板接觸保持了原有的銅色，這也使得低濕度下的接觸線整體呈現(xiàn)亮銅色。此外，浸金屬碳滑板本身也是一種自潤滑材料[11]，潮濕的環(huán)境會(huì)增加材料接觸界面的滑移速度，改善潤滑性能。

2.3 濕度對于弓網(wǎng)電氣磨耗的影響

載流條件下，浸金屬碳滑板的磨耗率與電弧能量緊密相關(guān)，且碳滑板磨耗率隨著電弧能量的增大而增大[12]，所以探究載流條件下環(huán)境濕度對于磨損率的影響也就是探究環(huán)境濕度對于電弧能量的影響。

電弧能量隨滑動(dòng)速度以及環(huán)境濕度的變化規(guī)律如圖7所示，在其它試驗(yàn)參數(shù)不變時(shí)，電弧能量隨滑動(dòng)速度的提高而上升，這與以往的研究結(jié)果一致[13]。在滑動(dòng)速度恒定時(shí)，電弧能量隨濕度的增加而降低，并且在較高滑動(dòng)速度下，濕度變化對電弧能量的影響更為明顯。在80 km/h工況下，當(dāng)濕度降低為20%，與濕度為40%和60%時(shí)的電弧能量值相比差異更大，該濕度下弓網(wǎng)間的接觸狀態(tài)最差。

環(huán)境濕度對于電弧能量主要有兩方面影響，一是對于電流回路的導(dǎo)通作用，二是對于接觸副之間的振動(dòng)影響。

首先水膜的存在擴(kuò)大了接觸副回路的通流面積。在弓網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，滑板和接觸線的實(shí)際接觸面積比較小，往往是由數(shù)個(gè)點(diǎn)接觸構(gòu)成，滑動(dòng)過程中，接觸點(diǎn)的位置會(huì)不斷變化，當(dāng)電壓施加在滑板和接觸線之間時(shí)，電流從若干個(gè)接觸點(diǎn)中通過，由于接觸點(diǎn)電阻的存在，在接觸點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)電壓降，當(dāng)電壓降大于最小起弧電壓時(shí)就會(huì)出現(xiàn)放電現(xiàn)象。水膜的存在使接觸副之間的實(shí)際接觸面積增大，充當(dāng)了電流傳遞的“水橋”，分散了回路中的電流[14]，而且載流摩擦磨損過程中電流會(huì)引發(fā)電化學(xué)氧化[15]，該水膜在電化學(xué)氧化過程中會(huì)生成大量離子，改善了電接觸狀態(tài)，從而一定程度上抑制了電弧的產(chǎn)生。接觸點(diǎn)中存在的電阻在電流流過時(shí)會(huì)產(chǎn)生焦耳熱聚集，使接觸點(diǎn)升溫，而后高溫材料在接觸副的相對運(yùn)動(dòng)中脫落。水膜造成的電流分散使得接觸點(diǎn)產(chǎn)生的焦耳熱降低，材料升溫不足不易從滑板表面脫落，減少了滑板表面的破壞程度。高濕度氛圍還能加速熱量的傳遞，及時(shí)帶走接觸副表面的焦耳熱，使接觸點(diǎn)降溫。

高環(huán)境濕度中形成的水膜還可以起到緩沖的作用，降低放電頻率，減少滑板材料的脫落。由圖8可知，振動(dòng)加速度幅值隨滑動(dòng)速度的提高而增大，圖8（a）為20%濕度條件下三種速度的加速度數(shù)據(jù)對比，可以看出，加速度的幅值隨著速度的提高增長趨勢明顯。圖8（b）為60%濕度條件下三種速度的加速度數(shù)據(jù)對比，可以看出，速度為40 km/h和60 km/h時(shí)，加速度幅值差距比較明顯，而當(dāng)速度進(jìn)一步提高，加速度幅值增長趨勢不明顯，說明在高環(huán)境濕度中，接觸副之間形成的水膜可以減小滑動(dòng)速度對于振動(dòng)的影響。對比圖8（a）和（b），同種工況下，低濕度下的振動(dòng)加速度幅值都要大于高濕度，而且當(dāng)速度提升到80 km/h，濕度對于振動(dòng)加速度的影響進(jìn)一步增大。

接觸副之間振動(dòng)加劇會(huì)導(dǎo)致弓網(wǎng)離線頻率增大，電弧放電現(xiàn)象也會(huì)隨之增多[16]，加劇碳滑板表面的燒蝕。振動(dòng)加速度越大，接觸副的接觸狀態(tài)越差，運(yùn)行時(shí)接觸點(diǎn)受到的沖擊也隨之加大，導(dǎo)致更多的升溫材料從滑板表面脫落，而在高環(huán)境濕度中，接觸點(diǎn)的溫度較低，振動(dòng)加速度較小，表面材料不宜脫落，磨耗量較小。

2.4 磨損形貌

如圖9所示，給出了環(huán)境濕度分別為20%、40%、60%時(shí)，速度為80 km/h的碳滑板微觀形貌，放大倍數(shù)500倍。從圖9（c）中可以明顯看出濕度為60%時(shí)，碳滑板表面較為平整，只有少量電弧燒蝕痕跡，高濕度保護(hù)了碳滑板的表面沒有進(jìn)一步被磨損；在環(huán)境濕度為40%的圖9（b）中，可以看出電弧燒蝕區(qū)域擴(kuò)大，并可以看到滑板表面出現(xiàn)少量材料脫落形成剝落坑的現(xiàn)象，說明在40%濕度的環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，放電頻率增加，濕度的減小使得碳滑板表面損傷加劇；在環(huán)境濕度為20%的圖9（a）中，剝落坑數(shù)量增加，出現(xiàn)少量磨屑，同時(shí)伴隨著大量裂紋的出現(xiàn)，說明隨著濕度的進(jìn)一步降低，接觸副之間振動(dòng)加劇，接觸狀態(tài)變差。

以上分析的電氣磨耗結(jié)果可知，20%濕度條件下的試驗(yàn)反應(yīng)更為劇烈，磨耗也更嚴(yán)重，相比高濕度的試驗(yàn)，會(huì)產(chǎn)生更多的滑板碳屑，而由圖6可見，20%濕度條件下試驗(yàn)的接觸線表面更為光亮，說明在電流為100 A的載流試驗(yàn)中，機(jī)械摩擦對于碳滑板整體的磨耗發(fā)揮了較大的作用。

3 結(jié)論

（1）環(huán)境濕度對碳滑板磨損率影響較大，隨著濕度的減小，滑板的磨耗率呈上升趨勢，且速度越大不同環(huán)境濕度下的差異越明顯。

（2）在低濕度（20%）環(huán)境中，滑板與弓網(wǎng)之間的摩擦類似于干摩擦，滑板磨粒會(huì)損壞接觸線表面形成犁溝，接觸線表面的破壞又會(huì)反過來作用于滑板表面，使得接觸副間摩擦系數(shù)增大，滑板磨損量增加。

（3）在高濕度（60%）環(huán)境中，空氣中的水分子會(huì)潤滑接觸表面降低接觸副之間的摩擦系數(shù)，還可以起到一定的緩沖作用，減少滑板材料的脫落，保護(hù)碳滑板表面。

（4）接觸副之間的振動(dòng)加速度幅值隨速度的增加而增大，在低環(huán)境濕度中，增大趨勢明顯；而在高環(huán)境濕度中，由于接觸副之間存在

的水膜的緩沖作用，當(dāng)滑動(dòng)速度大于60 km/h時(shí)，加速度幅值隨速度的增加趨勢不明顯。

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