載流摩擦參數(shù)對(duì)銅基復(fù)合材料起弧率及載流摩擦學(xué)性能的影響

呂樂華，孫樂民，上官寶，張永振，楊正海

（河南科技大學(xué)河南省材料摩擦學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，洛陽(yáng) 471003）

0 引 言

我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展對(duì)其運(yùn)行安全及穩(wěn)定性提出了更高的要求。受電弓滑板作為影響高速列車穩(wěn)定運(yùn)行的重要組成部分，它的質(zhì)量與性能的穩(wěn)定直接影響列車運(yùn)行的穩(wěn)定性。在列車運(yùn)行中，受電弓滑板和接觸網(wǎng)形成了一對(duì)特殊的摩擦副［1］，列車速度越高，弓網(wǎng)關(guān)系越不穩(wěn)定，離線情況越嚴(yán)重［2］。離線造成的弓網(wǎng)電弧燒蝕［3］對(duì)電氣化鐵路安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了很大威脅。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)弓網(wǎng)電弧燒蝕的研究較少，且大都停留在理論研究層面上。為此，作者通過(guò)自制試驗(yàn)機(jī)來(lái)模擬弓網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際情況，采用測(cè)量光強(qiáng)的方法研究了不同載流摩擦參數(shù)對(duì)弓網(wǎng)起弧率及載流摩擦學(xué)性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料包括粒徑為75μm的電解銅粉以及粒徑為150μm的石墨粉。先稱量出石墨粉和銅粉，兩者的質(zhì)量比為1∶9，在V型混料機(jī)上充分混合后，在380MPa的壓力下保壓3min壓制成規(guī)格為φ26mm×25mm的試樣；然后將試樣放入氨分解罩爐中燒結(jié)成型，燒結(jié)溫度為860℃，保溫1h，再進(jìn)行復(fù)壓，壓力為320MPa；最后用線切割的方法將試樣加工成φ9mm×25mm銷試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

圖1 高速載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural sketch of friction and wear tester

在自制的HST-100型銷－盤式載流摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行載流摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠同時(shí)采集速度、扭矩、電流和正壓力四個(gè)參數(shù)。銷試樣為自制的石墨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的銅基復(fù)合材料，對(duì)偶盤為QCr0.5銅合金。試驗(yàn)中采用恒流交流電源，載流摩擦?xí)r間均為10s，載荷為70N。采用單因素（電流密度、摩擦速度）試驗(yàn)，電流密度分別為0.314 5，0.629，0.943 5，1.258，1.572 5A·mm－2，摩擦速度分別為15，20，25，30，35m·s－1。摩擦試驗(yàn)前后銷試樣的質(zhì)量采用精度為0.1mg的LIr3200D型電子分析天平稱量；扭矩由扭矩傳感器輸出至計(jì)算機(jī)中，經(jīng)計(jì)算得到摩擦因數(shù)；并用Nano Focus型三維形貌儀對(duì)摩擦后銷試樣的表面形貌進(jìn)行觀察。

圖2 電流密度對(duì)起弧率及載流效率的影響Fig.2 Arc rate and current-carrying efficiency vs current density

起弧率η是指在載流摩擦過(guò)程中產(chǎn)生電弧的時(shí)間與載流摩擦總時(shí)間的比值，它是衡量載流摩擦過(guò)程中起弧現(xiàn)象的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算公式如下：

式中：t為載流摩擦過(guò)程中產(chǎn)生電弧的時(shí)間，s；T為載流摩擦總時(shí)間，s。

載流效率μ是摩擦副在滑動(dòng)摩擦中受流能力的一個(gè)重要參數(shù)，其大小為載流摩擦中實(shí)際傳輸電流的平均值與額定電流值I0之比，計(jì)算公式如下［4］：

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 電流密度對(duì)起弧率和載流效率的影響

由圖2可知，隨著電流密度的增大，復(fù)合材料的起弧率逐漸增大，而載流效率則逐漸降低，當(dāng)電流密度為1.572 5A·mm－2時(shí)，載流效率小于50%。載流條件下摩擦副在摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的熱主要來(lái)自三個(gè)方面：摩擦熱、接觸電阻熱和電弧產(chǎn)生的熱［5］，在載流其它條件相同的情況下，隨著電流密度的增加，電流產(chǎn)生的電阻熱和摩擦過(guò)程中由于離線產(chǎn)生的電弧熱成為影響載流摩擦學(xué)性能的主要因素。隨著電流密度的增大，摩擦表面的熱量增多，試樣表面的溫度升高，其表面會(huì)變軟甚至熔化（銅的熔點(diǎn)為1 084℃）［5］，故在摩擦過(guò)程中試樣與對(duì)偶盤之間會(huì)發(fā)生粘著現(xiàn)象，這使得試樣表面變得不平整；電流密度越大，粘著現(xiàn)象越嚴(yán)重，試樣表面越不平整，其與對(duì)偶盤的接觸就越差，因此，產(chǎn)生電弧的幾率就越高，即起弧率越高。同時(shí)，不平整的試樣表面使得電流的傳輸受到嚴(yán)重影響，故，電流密度越大，載流效率越低。另外，由于電弧對(duì)摩擦副的表面影響比較大，弧柱溫度高達(dá)3 000～50 000K［6］，因此起弧率越高，試樣表面的燒蝕就越嚴(yán)重，表面就越粗糙，載流效率就越小。

2.2 摩擦速度對(duì)起弧率和載流效率的影響

由圖3可知，摩擦速度小于30m·s－1時(shí)，隨著摩擦速度的增大，復(fù)合材料的起弧率平緩增大，載流效率則略有下降。當(dāng)摩擦速度較小時(shí)，摩擦產(chǎn)生的摩擦熱和電流作用下的電阻熱使試樣表面的溫度升高并軟化，粘著使試樣和對(duì)偶盤的接觸狀態(tài)變差，容易出現(xiàn)電弧。隨著摩擦速度的增大，試樣和對(duì)偶盤間的沖擊和振動(dòng)加劇，當(dāng)速度過(guò)大時(shí)，就會(huì)發(fā)生離線現(xiàn)象，即試樣和對(duì)偶盤在摩擦過(guò)程中出現(xiàn)脫離，這時(shí)產(chǎn)生電弧的幾率更高。當(dāng)速度超過(guò)30m·s－1時(shí)，起弧率迅速增大，載流效率明顯下降。這主要是因?yàn)槟Σ了俣容^小時(shí)，起弧率比較小，試樣和對(duì)偶盤的接觸較為良好，而隨著摩擦速度的增大，試樣和對(duì)偶盤之間的離線現(xiàn)象變得頻繁，故起弧率急劇增大，試樣表面燒蝕得比較嚴(yán)重，并變得凸凹不平，嚴(yán)重影響了電流的傳輸；另外，試樣和對(duì)偶盤間較為嚴(yán)重的脫離現(xiàn)象使得在某段時(shí)間內(nèi)，試樣和對(duì)偶盤間沒有電流通過(guò)，故而載流效率大幅下降。

圖3 摩擦速度對(duì)起弧率及載流效率的影響Fig.3 Arc rate and current-carrying efficiency vs friction welocity

2.3 電流密度和摩擦速度對(duì)摩擦學(xué)性能的影響

由圖4可知，隨著電流密度的增大，摩擦因數(shù)逐漸減小，磨損率逐漸增大。這是因?yàn)椋S著電流密度的增大，試樣表面因溫度升高而出現(xiàn)軟化，同時(shí)試樣中的石墨起到了潤(rùn)滑作用，故摩擦因數(shù)比較低；另外，隨著電流密度的增加，起弧率增大，而磨損主要以電弧燒蝕為主，因此試樣的磨損率比較大。

圖4 摩擦速度為25m·s－1時(shí)電流密度對(duì)摩擦因數(shù)和磨損率的影響Fig.4 Effects of current density on friction coefficient and wear rate at friction velocity of 25m·s－1

由圖5可知，隨著摩擦速度的增大，摩擦因數(shù)和磨損率均逐漸增大。這是因?yàn)椋S著摩擦速度的增大，起弧率逐漸增加，電弧的燒蝕作用使得試樣表面變得粗糙，因此摩擦因數(shù)隨著摩擦速度的增加逐漸增大；另外，起弧率的增大使試樣的燒蝕時(shí)間變長(zhǎng)，因此磨損率增大。

圖5 電流密度為0.943 6A·mm－2時(shí)摩擦速度對(duì)摩擦因數(shù)和磨損率的影響Fig 5Effects of friction velocity on friction coefficient and wear rate at current density of 0.943 6A·mm－2

2.4 磨損表面的三維形貌

由圖6（a～c）可以看出，在相同的電流密度下，即摩擦速度越高，試樣表面越粗糙。這是因?yàn)椋S著摩擦速度的增大，起弧率增大，載流效率下降，試樣表面燒蝕嚴(yán)重，同時(shí)，摩擦過(guò)程中試樣和對(duì)偶盤的接觸變得不穩(wěn)定，容易起弧，故而試樣表面更加粗糙、不平整。由圖6（c），（d）可以看出，在相同的摩擦速度下，0.943 5A·mm－2電流密度下試樣的表面比較平整，有較多的犁溝，主要是磨粒磨損；1.572 5A·mm－2電流密度下試樣表面的高尖峰比較多，磨損表面高低不平。這是因?yàn)椋娏髅芏仍酱螅鸹≡絿?yán)重，所以磨損表面越粗糙。

圖6 不同摩擦速度和電流密度下試樣磨損表面的三維形貌Fig.6 3Dmorphology of worn sample surface at different friction velocity and current density

3 結(jié) 論

（1）隨著電流密度的增大，復(fù)合材料的起弧率和磨損率逐漸增大，摩擦因數(shù)和載流效率逐漸下降。

（2）隨著摩擦速度的提高，復(fù)合材料的起弧率、磨損率和摩擦因數(shù)逐漸增大，載流效率則逐漸下降。

（3）隨著電流密度和摩擦速度的增大，試樣在摩擦過(guò)程中的燒蝕變得越發(fā)嚴(yán)重，磨損表面變得更加粗糙。

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