組裝式滑板對地鐵接觸線犁削磨損的影響*

黃之元 陳光雄 夏晨光

(西南交通大學摩擦學研究所 四川成都 610031)

弓網系統是軌道交通中重要的電力牽引系統，而受電弓與接觸線則是組成地鐵弓網系統的重要部件。受電弓與接觸線的磨損直接決定了弓網系統的維護成本，也成為影響軌道交通發展的重要因素[1-2]。

在實際工況中，組裝式碳滑板通常會因為振動等原因而在拼接處產生接縫縫隙，兩塊滑板間也有可能會產生錯位，形成一高一低的高度差。國內外學者針對接觸副間法向力、速度、溫度、電場等因素均進行過弓網系統磨損的研究[3-7]，但是目前的研究基本集中于一體式碳滑板，也很少針對接觸線的犁削磨損進行研究。本文作者通過試驗研究現有地鐵系統中組裝式浸金屬碳滑板接縫對接觸線犁削磨損的影響，分析接觸線犁削磨損現象的根本原因，為地鐵剛性接觸網滑板選型提供理論基礎。

1 試驗部分

1.1 試驗設備

試驗在高速載流摩擦磨損試驗機上進行，試驗機包括載流摩擦磨損試驗主機、直流恒流電源、控制臺以及數據采集系統等。試驗主機由底座、轉盤、驅動電機、伺服電機、夾具等組成，見圖1。

圖1 載流摩擦磨損試驗機和接觸副

試驗機轉盤直徑為1 100 mm，銅銀合金接觸線鑲嵌在轉盤圓周中的卡槽內。碳滑板通過夾具固定，并通過彈簧與伺服電動缸連接。伺服電機和滑板夾具以及傳感器組合成的模塊在恒轉矩變頻電機帶動下，實現相對轉盤的上下往復運動(±55 mm)，來模擬實際工況下的拉出值，頻率范圍為0.3～3.0 Hz。試驗臺能夠模擬20～400 km/h范圍內的弓網滑動速度。直流試驗電源分為兩組：高壓750～1 500 V時，直流輸出電流I≤100 A；低壓0～180 V時，直流輸出電流I≤700 A。

1.2 試驗方法

試驗材料為浸金屬碳滑板以及銅銀合金接觸線。滑板中銅的質量分數為42%～54%，錫及其他金屬質量分數為1.5%，剩余為碳。滑板接縫設計為斜向處于中央，高度差設計為上低下高。兩塊碳滑板拼接起來總長為120 mm，單塊寬33 mm，高23 mm，接縫傾斜角度22.5°。接觸線銅的質量分數為99.9%左右，銀的質量分數0.08%～0.12%。試驗材料均取自于地鐵實際工況下正在使用的受電弓滑板與接觸線，圖2為滑板實物裝夾圖。

圖2 滑板裝夾實物

表1 接縫間隙因素組試驗參數

表2 高度差因素組試驗參數

2 試驗結果與分析

2.1 滑板接縫間隙h1對弓網接觸副磨損的影響

首先針對接縫間隙試驗組試驗結果進行分析。在電流I=0、法向力F=20 N、速度v=60 km/h、接縫寬度h1=0.5 mm、高度差h2=0不載流試驗結束后，通過觀察發現接觸線出現了如圖3所示的兩處劃傷情況。不載流試驗沒有電氣損耗，只有機械損耗。滑板對稱拼接，接縫位于中心，滑板接縫縫隙使得碳滑板接縫邊緣與接觸線發生剮蹭，從而刮傷了接觸線，且劃痕均位于接觸線中心。刮痕較淺，沒有在接觸線上留下較深的溝槽，也沒有拉絲現象。

圖3 接觸線劃痕

此后在接觸線上，包含劃痕位置在內，設立了多處觀察點。每組試驗之后均觀察接觸線劃痕的變化以及是否產生新的劃痕。接下來的試驗中產生了新的接觸線劃痕，總長度約550 mm，占接觸線周長的1/2，但是劃痕沒有進一步加深，沒有出現溝槽和拉絲現象。載流試驗也未能造成劃痕的加深，可知接縫間隙對接觸線造成劃痕是機械磨耗，并非電氣磨耗(故不展示載流后圖片)。且滑板接縫縫隙因素對接觸線犁削的影響不大，并不是造成犁削磨損現象的主要原因。

圖4所示為法向力F=20 N，速度v=60 km/h，高度差h2=0時，滑板接縫間隙h1變化產生的碳滑板磨耗變化。從圖4(a)可知，在不載流試驗條件下，有接縫間隙滑板磨耗略小，因為1 mm的接縫使得滑板間縫隙無法與接觸線接觸，導致接觸的總面積變小，從而減小了磨耗量。從圖4(b)可知載流試驗條件下，有接縫間隙的磨耗量略大。原因是高速運動中，接縫處的不完全接觸造成了接觸副的“虛接”[10]，產生更大的電氣磨耗。

圖4 磨耗量隨相對滑動距離變化的曲線

2.2 滑板存在高度差時對弓網接觸副磨損的影響

在試驗電流I=400 A、法向力F=70 N、速度v=30 km/h、接縫縫隙h1=1 mm和高度差h2=0.5 mm時，在接觸線上觀察到了較嚴重的接觸線劃痕溝槽，如圖5所示。

圖5 接觸線溝槽

溝槽均出現在接觸線的底部，此后在接觸線上，包含溝槽位置在內，設立了多處觀察點。每組試驗之后均觀察接觸線溝槽的變化，發現載流與不載流試驗都會產生溝槽，且變化程度基本一致。由此斷定接觸線溝槽是機械磨耗造成的(故不展示其他圖片)。原因為下高上低的滑塊結構使得每次滑塊上下往復運動時，都會使滑塊下半部分接縫邊緣與接觸線最下方進行非常劇烈的機械磨耗。溝槽的形貌與地鐵實際工況中接觸線拉絲現象幾乎相同，見圖6。由此確定接觸線拉絲現象的原因是滑板接縫高低差所致。

圖6 實際工況下接觸線犁削溝槽

圖7示出了高度差h2=0.5 mm不變，各組試驗磨耗量隨法向力變化的曲線。可知，載流時的磨耗量Δm要比不載流時大1～3個數量級。這是因為無電流時，摩擦副以機械磨損為主，磨損形式主要是黏著磨損，因此摩擦副材料的損傷較小，所以滑板的磨損量也很小[11]。從圖7(a)可看出不載流時，相同法向力下接縫間隙h1=1 mm時的滑板磨耗量總體比接縫間隙h1=0.5 mm時小。即便法向力變大，接縫間隙為1 mm時的磨耗量依舊與0.5 mm時的磨耗量相差不大。說明不載流情況下，接縫間隙較大時，磨耗更低，這是因為較大的接縫縫隙使得滑板與接觸線接觸部分變小。法向壓力F=80 N是機械磨耗的分界點，該點處不載流的平均磨耗量最大，最容易造成犁削磨損。而接縫0.5 mm的平均磨耗量大于接縫1 mm，說明接縫0.5 mm更容易刮傷接觸線。實際工況中隨著工作時間的延長，接縫總會變得越來越寬，建議選擇80 N以上的法向力來緩解磨耗。

圖7 磨耗量隨法向力變化的曲線

從圖7(b)可看出，載流400 A下，F=90 N時磨耗表現最佳，比F為70 N與80 N小一個數量級。原因是接觸壓力減小，導致摩擦副之間的離線也增加，所以產生離線電弧的頻率也逐漸增大。在滑板離線過程中,電弧放電造成的侵蝕作用會使摩擦副材料熔化、氣化和噴濺，使滑板的磨損量大大增高，并且伴有材料轉移現象。而大接觸壓力會使滑塊表面燒蝕的材料一直遺留在滑板上，不能全部飛濺出，從而形成氧化膜[12]，進而減小摩擦因數，使得滑板比不載流時摩擦因數更低[13]。圖7(b)中2條曲線走向一致，說明載流時相同的工況下法向力變化對磨耗量的影響不明顯。載流時表現最好的是接縫0.5 mm、高低差0.5 mm、法向力90 N試驗組。總體規律為：法向力越大[14-15]，碳滑板越趨近于平整無縫，磨耗量越小。理論上，材料一樣時，一體式碳滑板的摩擦磨損性能要略好于組裝式碳滑板。

圖8示出了法向力F=80 N不變，不同接縫間隙以及高度差試驗組的滑板的磨損率。不載流試驗的磨損率相對載流試驗非常小。接觸線溝槽主要是機械磨耗，不載流試驗中接縫寬h1=1 mm、高度差h2=0.5 mm試驗組的磨損率最大，說明該工況最容易造成接觸線犁削磨損。單純的接縫縫隙會因為接觸面積變小而減小機械磨耗，而高度差會使接縫凸起形成“臺階”，滑板與接觸線間還伴隨著沖擊，在高速且長時間沖擊下接觸線會產生犁削磨損。

圖8 不同接縫間隙及高度差試驗組的磨損率

載流試驗中，h1=0.5 mm、h2=0.5 mm組的磨損率最高。電氣磨耗與機械磨耗的邏輯不同，小尺寸的接縫間隙以及“臺階”高度差難以影響弓網的平穩接觸，不會產生較大離線，對大電流下的弓網間能量傳輸并不會產生很大的影響。h1=1 mm、h2=0試驗組的磨損率只略高于正常情況。h1=0.5 mm、h2=0.5 mm組正好能夠形成合適的“臺階”，使得每次弓網接觸都會輕微跳動形成微小離線，加大了短弧放電，增大了磨耗。h1=1 mm、h2=0.5 mm組中接縫是高度差的2倍，高度差因素被稀釋，無法形成臺階，等同于只有接縫間隙。因此，研究得到的總體規律為：高度差為主要誘因，在有高度差的情況下，接縫間隙會加大接觸副磨耗。

2.3 碳滑板表面形貌分析

圖9所示為I=400 A、F=20 N試驗條件下滑塊表面SEM圖。其中圖9(a)為無接縫間隙無高差組，圖9(b)為只有接縫間隙無高差組，圖9(c)為有接縫間隙有高差組。可以看出，有接縫間隙組的燒蝕裂紋和白色氧化區要略多于無接縫間隙組；高度差組的燒蝕裂紋最多，滑板表面被全部燒蝕。印證了高度差因素對滑板間電氣磨損的影響最大的結論。

圖9 I=400 A、F=20 N下碳滑塊表面磨損形貌

圖10示出了有無高度差情況下的滑板表面摩擦磨損特征。對比只有接縫間隙無高度差的滑板摩擦表面圖10(a)與有接縫間隙有高度差的滑板摩擦表面圖10(b)發現，接縫間隙組存在較少的燒蝕坑，高度差組則有很多的燒蝕坑,且顏色更暗，說明深度更大;燒蝕坑附近存在剝離層及大型裂紋，高度差組裂紋更多更深；高度差組滑板表面還有接觸副間剮蹭留下的劃痕，該痕跡為機械犁溝，伴有塑性變形，正是這種接觸造成了接觸線的溝槽。圖11示出了接觸線的材料轉移，可看出接縫間隙組圖11(a)中有少量的銅轉移現象，呈現為反光的細小銅顆粒，而高度差組圖11(b)的銅轉移現象較為嚴重，大型的銅顆粒在室溫下凝固之后分布在燒蝕坑中[16]。

圖10 I=400 A，F=20 N下碳滑塊表面磨損形貌特征

圖 11 I=400 A，F=20 N接觸線的材料轉移

上述研究結果表明，高度差因素對滑板的電氣磨耗和機械磨耗都有很大影響，且對接觸線的磨耗有極大影響。

3 結論

(1)組裝式碳滑板的接縫間隙因素會在接觸線上留下劃痕，但是對接觸副磨耗接觸線犁削磨損影響小；接縫間隙0.5 mm比1 mm更容易刮傷接觸線，造成犁削磨損，說明不是接縫間隙越大滑板的磨耗也就越大。

(2)滑板間的高度差會嚴重刮傷接觸線，是接觸線犁削磨損的主要原因。存在滑板間高度差時滑板會出現機械劃痕，電氣磨耗和接觸線材料轉移也比較嚴重。

(3)80 N以上的法向力會顯著減小滑板的磨損率，這是因為法向力越大，碳滑板越趨近于平整無縫，因而磨耗量越小。