彈性接觸摩擦副的載流摩擦行為*

孫高昂 楊正海 倪 鋒 張永振

(1.河南科技大學高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯合工程實驗室 河南洛陽 471000；2.河南科技大學材料科學與工程學院 河南洛陽 471000)

彈性滑動接觸電連接器種類繁多，常見器件包括電刷、接插件、微小滑動開關等，在電力、電子、自動控制、大型武器裝備等領域大量使用[1]。例如，一架飛機中僅電連接器的使用量可達數千件[2]，其中，大部分為彈性接觸。單一器件良好性能是相關設備正常運轉的基礎，為提高相關設備的可靠性，需要對彈性滑動接觸電連接器開展相關研究。

載流摩擦副失效是彈性滑動接觸電連接器的核心問題[3-4]，研究載流摩擦副的動態行為與失效機制將為抑制載流摩擦副的失效提供理論支撐。對載流摩擦行為的研究發現，滑動載流摩擦是一個機械摩擦與電流相互耦合作用的行為[5]，并受到摩擦副材料[6]、滑動速度[7]、電流[8-9]、接觸載荷[10-11]與環境條件[12-13]等因素的影響，其主要失效形式為材料磨損與導電性能下降。但此類研究多是基于銷-盤式、環-塊式等剛性摩擦副或線-滑塊等柔性摩擦副進行的，對于彈性載流摩擦副，由于涉及到摩擦副的彈性形變與振動，其動態行為與失效機制變得更加復雜，需要進一步研究。目前對于彈性載流摩擦副的動態行為研究已經取得了一定成果，發現接觸力不足、瞬斷[14-15]是彈性載流摩擦副的主要失效形式，但對于其失效機制，目前研究還不全面。

絲板式摩擦副作為典型的彈性接觸載流摩擦副，其彈性接觸參數易通過絲試樣的形狀來控制。因此本文作者在自制載流摩擦試驗機上，以絲板式滑動載流摩擦副為研究對象，采用不同直徑的金屬絲，研究了彈性接觸摩擦副的載流摩擦行為。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

絲試樣與板試樣全部采用T2純銅制作，試驗前采用1200#的砂紙將表面氧化層去除，然后采用無水乙醇清理表面。為了防止砂紙打磨痕跡對試樣表面形貌分析時的干擾，板試樣安裝時，保持砂紙磨痕方向與試樣運動方向相互垂直。

1.2 試驗裝置及參數

試驗在自制載流摩擦試驗機上進行，試驗原理如圖1所示。將直徑為d的絲試樣彎曲成直徑為D的半圓，固定在專用夾具上，半圓形絲試樣與板試樣構成滑動載流摩擦副。夾具連接著力傳感器，可以實時記錄摩擦副的受力情況。試驗開始后載荷通過絲試樣施加，為了模擬摩擦副的實際載荷變化情況，試驗開始前通過絲試樣下壓施加一定載荷，在試驗過程中固定絲試樣與板試樣高度方向位置，往復滑動由板試樣完成，由步進電機通過絲杠、導軌推動工作臺實現。電源采用恒流源，電流從電源流出，依次經過絲試樣、板試樣，流回電源。該試驗機可以采集電流、電壓、載荷和摩擦力的動態數據，并通過采集卡記錄在計算機中，供試驗結束后分析使用。

圖1 試驗原理Fig 1 Experimental principle

試驗參數及選用范圍：滑動距離10 mm，滑動速度10 mm/s，循環周期為1 000次；絲試樣圓環直徑D分別取10、15 mm，絲試樣直徑d分別取0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mm，板試樣長40 mm、寬40 mm、厚2 mm。載荷與電流則是根據赫茲接觸理論計算，對應初始平均赫茲接觸壓力為600 MPa，初始電流密度為0.78 mA/μm2。

2 結果與分析

2.1 摩擦因數

圖2所示為絲徑0.8 mm、環徑10 mm試樣與平板試樣配副，在往復行程10 mm、載荷1.23 N、電流1.605 A條件下的摩擦因數動態變化曲線?？梢钥闯?，摩擦因數在前200 s快速增加，在200 s后在1上下波動，波動幅度超過0.5，波動較大。試驗初期，表面氧化膜因為塑形變形和犁溝作用被破壞，摩擦副之間形成二體接觸，表面黏著迅速增加，摩擦因數迅速增加。在大約200 s后，表面氧化膜被完全破壞，摩擦因數不再上升，因為黏著磨損，摩擦因數波動較大。

圖2 絲徑0.8 mm、環徑10 mm絲試樣與平板試樣配副時的動態摩擦因數Fig 2 Dynamic friction coefficient when wire sample ofdiameter of 0.8 mm and ring diameter of 10 mmmatched with the plate sample

圖3所示為平均摩擦因數隨絲徑的變化曲線。可以看出，隨著絲徑的增加，總體上平均摩擦因數保持在1左右，變化不大。環徑為10 mm，絲徑分別為0.4、0.6 mm時，平均摩擦因數較小，只有0.25左右，原因可能是載荷較小，試驗過程中未能破碎接觸表面氧化膜，摩擦副之間黏著傾向小。

圖3 平均摩擦因數隨絲徑的變化Fig 3 Variation of average friction coefficient with wire diameter

2.2 接觸載荷

圖4所示為絲徑0.8 mm、環徑10 mm試樣與平板試樣配副，在往復行程10 mm、載荷1.23 N、電流1.605 A條件下接觸載荷的動態變化曲線。

圖4 絲徑0.8 mm、環徑10 mm絲試樣與平板試樣配副時的動態接觸載荷Fig 4 Dynamic contact load when wire sample of diameter of0.8 mm and ring diameter of 10 mm matchedwith the plate sample

由圖4可以看出，接觸載荷呈現“L”形下降趨勢，前200 s接觸載荷快速下降。從100～150 s的動態接觸載荷細節圖可知，最大接觸載荷為設定載荷的1.2倍，最小僅為0.2倍，接觸載荷波動較大，且存在周期性。通常磨損和應力松弛可能導致彈性接觸摩擦副載荷下降，而應力松弛是高溫條件下或長時間應力釋放的結果，因此認為圖4中接觸載荷下降是摩擦副高度方向磨損令摩擦副彈性變形量減小導致的。隨著磨損的進行，磨斑面積增加，磨損速度下降，試樣高度方向磨損呈現“Г”形增長趨勢，接觸載荷與試樣高度方向磨損存在高度負相關關系，因此接觸載荷呈現“L”形下降趨勢。從保持正常接觸壓力，從而維持摩擦副正常性能角度看，應抑制載荷過度下降，即減少試樣高度方向的磨損量。載荷波動大且存在周期性可能是在摩擦副運動路徑上存在障礙，摩擦副運動到此產生較大彈性變形，導致載荷出現周期性大幅度波動。

圖5所示為載荷保持率(平均載荷與給定載荷的比值)隨絲徑變化的曲線?？梢钥闯觯S著絲徑的增加載荷保持率呈現下降趨勢。這是因為隨著絲徑的增加，摩擦副剛度上升，磨損后其彈性變形力損失更多，因此有效載荷比呈現下降趨勢。

圖5 載荷保持率隨絲徑的變化Fig 5 Variation of load retention rate with wire diameter

2.3 接觸電阻

圖6所示為絲徑0.8 mm、環徑10 mm試樣與平板試樣配副，在往復行程10 mm、載荷1.23 N、電流1.605 A條件下動態接觸電阻的變化曲線。可以看出，初期接觸電阻較為穩定，在 0.1 Ω以下，從230 s之后，雖然大部分時間接觸電阻處于0.1 Ω以下，但是常有超過0.3 Ω的大接觸電阻出現，其持續時間很短，只有十幾毫秒。一般認為，接觸電阻超過0.3 Ω，即可認為接觸異常，接觸對失效(摩擦副導電性能失效)，由于失效時間很短因此稱其為瞬斷失效。

圖6 絲徑0.8 mm、環徑10 mm絲試樣與平板試樣配副時的動態接觸電阻Fig 6 Dynamic contact resistance when wire sample ofdiameter of 0.8 mm and ring diameter of 10 mmmatched with the plate sample

圖7示出了某一次瞬斷失效處的載荷與電阻變化曲線，可以看出，瞬斷與載荷的波動存在對應關系，可以推測整個瞬斷的過程為：絲試樣運動過程中遇到阻礙，絲試樣產生較大彈性變形，通過阻礙后，絲試樣的彈性變形不能立即恢復，導致摩擦副出現短暫分離，電流通道斷開，導致瞬斷失效。

圖7 異常電阻Fig7 Abnormal resistance

圖8所示為相同條件下板式樣磨痕的局部三維形貌，可以看到，磨損溝槽不均勻，也不連續，甚至不完全在一條直線上，且在行程中間存在堆積物?？梢詳喽?，因為磨損的不均勻，摩擦過程中彈性金屬絲運動不平穩，出現扭轉和跳躍，從而導致瞬斷失效。

圖8 板試樣磨損三維形貌Fig 8 3D wear morphology of plate sample

圖9所示為平均電阻隨絲徑大小變化曲線。可以看出，隨著絲徑的增加平均接觸電阻呈現下降趨勢。這是因為，隨著絲徑的增加，摩擦副之間的接觸面積增加，電流導通通道增加，從而令接觸電阻減小。

圖9 平均接觸電阻隨絲徑的變化Fig 9 Variation of average contact resistance with wire diameter

2.4 磨損率與磨損形貌

圖10所示為絲徑大小對磨損體積的影響。可以看出，整體上磨損體積隨著絲徑的增加，呈現逐漸上升的趨勢。由于初始平均接觸壓力相同，隨著絲徑的增加，摩擦副接觸面積增加，因此磨損量呈上升趨勢。

圖10 絲徑對磨損率的影響Fig 10 Effect of wire diameter on wear rate(a)wear volume of wire samples;(b)wear volumeof metal plate samples;(c)combined wear volume

圖11所示為部分板試樣磨痕處的局部形貌。圖11(a)所示為與環徑10 mm、絲徑0.6 mm絲試樣對磨的板試樣的磨痕形貌，可以看到磨痕處只有輕微的犁溝和塑性變形，未發現明顯的黏著磨損，因此該條件下摩擦因數較小。圖11(b)所示為與環徑10 mm、絲徑0.8 mm絲試樣對磨的板試樣的局部磨痕形貌，可發現表面有明顯的電弧燒蝕痕跡，有大量的熔融噴濺，這說明試驗過程中絲板摩擦副出現過短暫分離，從而導致電弧產生。圖11(c)所示為與環徑10 mm、絲徑1.0 mm絲試樣對磨的板試樣的局部磨痕形貌，可以看到表面存在嚴重的黏著磨損和磨粒磨損，并且磨痕軌跡不是完全平直，存在彎曲和不連續的現象，這說明絲試樣運動過程中發生了扭轉和彈跳。

圖11 與不同絲試樣配副的板試樣的磨痕表面形貌Fig 11 Wear scar surface morphology of plate samples matched with different wire samples (a) mild wear(against wire sample of 0.6 mmdiameter);(b) arc ablation(against wire sample of 0.8 mm diameter);(c) severe wear(against wire sample of 1.0 mm diameter)

3 結論

(1)對于絲板式彈性載流摩擦副，隨著絲徑的增加，載荷保持率與接觸電阻呈現下降趨勢，磨損體積呈現上升趨勢，磨損高度呈增加趨勢，磨損形式為黏著磨損和磨粒磨損和電弧燒蝕。

(2)彈性接觸載流摩擦副失效形式主要是瞬斷，其原因是運行中彈性器件的彈跳和扭轉導致摩擦副短暫分離從而失效。彈性器件產生彈跳和扭轉的主要原因是非均勻磨損、磨屑堆積、彈性器件變形。

(3)為提高彈性接觸摩擦副壽命，保證合理的實際接觸載荷，應控制載荷保持率，減小試樣高度方向磨損量；同時，提高摩擦副運行的平順性，減少彈性器件彈跳、扭轉等引起的瞬斷失效。