表面粗糙度對滑動電接觸磨損率的影響*

張繼華 薛 磊 王智勇

(遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院 遼寧葫蘆島 125105)

在弓網系統中，受電弓滑板與接觸網的摩擦磨損現象時刻發生，由于材料不同，滑板的磨損遠大于接觸線，因此對于磨損率的研究主要針對受電弓滑板[1]。滑板磨損率的大小取決于弓網系統的運行條件，而磨損率的大小又決定著滑板的運行狀態與剩余壽命，因此對滑板磨損率的研究具有重要的理論意義與實用價值[2]。

目前，關于滑板磨損率的研究在國內外取得了一定的進展，但基本都是對滑板材料與接觸網-受電弓滑板接觸副之間受流、受力與速度的分析。文獻[3-5]測量了基于鋼的金屬復合材料在摩擦區內的耐磨性和電阻，認為在200 A/cm2下材料受電弧侵蝕發生劇烈磨損。文獻[6-10]研究了接觸電流、法向壓力、運行速度對于磨損率的影響，發現當速度超過200 km/h后滑板出現熱裂紋，直流電流在400 A時滑板磨損率為無電流時的53倍；同時還利用試驗數據擬合出磨損率模型。文獻[11-12]通過摩擦磨損試驗，得出放電頻率與電弧能量隨著拉出值的增大而增加，碳板溫升與磨損率隨著拉出值的增大而減小。文獻[13]在潤滑條件下對銅鋅合金進行摩擦磨損試驗，通過實時磨損率與表面粗糙度變化關系，建立磨損率模型。文獻[14]主要研究了滑板初始表面粗糙度與電弧能量、磨損率和摩擦因數之間的關系，得出表面粗糙度與燃弧率具有一定正相關性，磨損率隨著摩擦進行呈“U”形變化，摩擦因數先降低后升高。不過該文獻主要對滑板初始表面粗糙度與電弧之間的關系進行了研究，對初始表面粗糙度對磨損率的影響未做深入研究。文獻[15]研究了不同表面粗糙度下燃弧率與摩擦因數的關系，得出滑板表面越粗糙越容易起弧；無電弧時摩擦因數平滑，有電弧時劇烈波動，且在不同表面粗糙度下存在臨界起弧壓力，并隨著表面粗糙度的增大而增大。但該文獻僅考慮了滑板表面粗糙度與法向壓力對于磨損率與燃弧率的影響，實驗條件不夠全面，不能很好地模擬實際弓網運行下磨損率的變化情況。

本文作者在充分考慮接觸電流、法向壓力與運行速度對于磨損率影響的基礎上，在微觀層面考慮滑板初始表面粗糙度對于弓網運行中磨損率的影響，研究了弓網運行條件下滑板磨損率的變化規律；提出了臨界表面粗糙度，結合表面形貌分析了不同粗糙度滑板的磨損類型。

1 試驗設備與條件

試驗采用自行搭建的高速摩擦磨損試驗機，見圖1。步進電機連接并帶動轉盤轉動，接觸線固定在轉盤邊沿，與接觸線接觸受電的受電弓滑板固定在滑臺上，通過滑臺往復移動模擬電力機車實際運行中“Z”字型運動軌跡。試驗時通過調壓器控制電流強度，通過調節電機轉速控制滑板與接觸線的相對滑動速度，控制音圈電機等設備調節滑板與接觸線間壓力。該試驗機可以有效地模擬實際弓網中接觸線與滑板的摩擦磨損狀況。

圖1 摩擦磨損試驗機

滑板為浸金屬碳滑板，主要化學成分見表1，試驗所用接觸線為純銅導線，截面積為120 mm2，硬度為96.2HBS。

表1 浸金屬碳滑板化學成分

試驗所用接觸線與滑板的性能參數見表2。

根據試驗需求制定試驗參數,見表3。其中表面粗糙度使用輪廓算術平均偏差，經80、320、800、1 500目砂紙打磨。磨損率計算公式為

(1)

式中：Q為磨損率，g/(104km)；m0為滑板初始質量，g；m為滑板磨損后質量，g；l為相對滑動距離，km。

表3 試驗參數

試驗采取控制變量法，研究在不同運行速度、接觸電流、法向壓力下初始表面粗糙度對于受電弓滑板磨損率的影響。其中滑板磨損質量采用BSM電子天平進行測量，精度為0.000 1 g;表面粗糙度使用JD520型粗糙度測試儀，采樣長度為2.5 mm，測量精度為0.01 μm;采用XJP-6A 型倒置金相顯微鏡對滑板表面形貌進行觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 工況條件對磨損率的影響

取運行速度100 km/h、法向壓力70 N、接觸電流100 A為定值，分析不同電流、速度、壓力下磨損率隨滑板初始表面粗糙度變化規律，如圖2所示。可見，在不同運行條件下磨損率皆隨滑板初始表面粗糙度的增加而增加，隨接觸電流、法向壓力、運行速度的增加而增加。

圖2 不同運行條件下磨損率隨表面粗糙度變化

在運行速度與法向壓力一定的前提下，表面粗糙度越高，微凸峰頂與導線構成的接觸斑點越少，輪廓高度差越大，如圖3所示。其中圖3(a)、(b)和(c)分別為經過1 500、80目砂紙打磨和未打磨滑板輪廓圖。隨著電流強度增加，接觸斑點電通量上升，使得粗糙峰溫度升高，加劇峰頂的軟化甚至熔融，同時接觸面積低與高電流強度導致嚴重的電弧侵蝕現象，增加電氣磨損量，如圖2(a)所示。

在接觸電流與法向壓力一定的前提下，隨著運行速度增加表面粗糙度越高，其離線率與燃弧率越高，導致電氣磨損量增加(見圖2(b))；同時，速度的增加會產生大量的摩擦熱，結合電流產生的焦耳熱造成滑板的接觸溫度增加，高溫會降低滑板表面黏著強度，從而增加黏著磨損分量。

如圖2(b)所示，在運行速度接觸電流一定的前提下，磨損率隨表面粗糙度的增加而增加，但在90 N下，磨損率變化趨勢變緩，表明隨著壓力增大，滑板初始表面粗糙度對磨損率的影響降低。這是因為法向壓力較低時，表面粗糙度高，滑板與接觸線間接觸面積少，燃弧率較高；當壓力增加，滑板表面微凸峰頂發生塑性形變，接觸面積增大，燃弧率降低，使滑板初始表面粗糙度對磨損率的影響降低。

圖3 不同粗糙度滑板的表面輪廓曲線

2.2 臨界表面粗糙度確定

各運行條件下不同初始表面粗糙度滑板對摩過程中的表面粗糙度隨時間變化曲線見圖4。隨著對摩進行，不同滑板的表面粗糙度都在0.6 μm附近趨于穩定。當滑板初始表面粗糙度小于該值時，其表面粗糙度會先增加再減小，滑板表面粗糙度趨向穩定的時間最短(6～12 min)；當滑板初始表面粗糙度大于該值時，滑板表面粗糙度趨向于穩定的時間較長(12～20 min)。不同條件下滑板表面粗糙度趨向于一條漸進線，并圍繞該漸近線上下波動。將表面粗糙度漸進線值定義為在滑板表面粗糙度衡量尺度下的跑合期進入穩定期的界限[16]，稱為臨界表面粗糙度。

圖4 不同初始表面粗糙度的滑板的表面粗糙度隨時間變化

分別使用2 000、1 500、800、80、60目砂紙打磨滑板與未摩擦滑板其表面粗糙度見表4。

表4 不同滑板表面粗糙度

在不同運行條件下各初始表面粗糙度滑板20 min磨損率見圖5。可見在不同運行條件下0.458 μm初始粗糙度滑板的磨損率最低，低于和高于0.458 μm初始粗糙度時滑板的磨損率增大。結合臨界粗糙度可以看出，低于臨界粗糙度的滑板在對摩過程中表面粗糙度存在先增大再減小的過程。這是由于低表面粗糙度滑板摩擦副黏著效應增強，容易發生黏著磨損，黏著磨損傷害滑板表面，增加其表面粗糙度；隨著試驗的進行，機械磨損磨去表面凸峰，使得滑板表面粗糙度降低并趨向穩定。當高于臨界粗糙度時，滑板表面粗糙度越高，對摩過程中其表面粗糙度變化幅度越大，因為粗糙度越高的滑板表面微凸峰越高且稀疏，與接觸線的接觸點的數量越少，接觸點的剪切抗力更低，更容易被剪斷，且更容易發生電弧侵蝕[17]，在電氣與機械雙重磨損下，滑板表面粗糙度與磨損率變化劇烈。比較不同初始表面粗糙度滑板的表面粗糙度變化與磨損率，可知滑板初始表面粗糙度為臨界粗糙度值時磨損率最低。

圖5 不同運行條件下不同初始表面粗糙度試樣的磨損率

2.3 表面形貌分析

圖6所示為浸金屬碳滑板在接觸電流100 A、法向壓力70 N、運行速度100 km/h運行條件下對摩不同時間的表面形貌。其中滑板1、2試驗前分別經過1 500、80目砂紙打磨。

比較圖6(a)與(b)可以看出，經1 500目砂紙打磨過的滑板1表面平滑，微凸峰與波谷差很小，而經80目砂紙打磨后的滑板2表面較為粗糙，峰谷差大，同時兩滑板試樣表面為黑色，說明碳成分高于金屬成分。

圖6(c)和(d)所示是滑板試樣在規定運行條件下運行12 min后的表面形貌。試樣表面呈現金屬光澤，是高速與高電流產生的溫升效應，使得低熔點金屬向滑板表面遷移，形成金屬氧化膜。滑板1由于表面過于光滑，摩擦副黏著效應強，發生黏著磨損；同時由于滑板表面硬度較導線低，滑板表面發生材料損失，造成表面粗糙度增加。滑板2在高速摩擦磨損過程中，表面峰頂受到橫向剪切力的作用脫離滑板表面，形成磨粒磨損。由于滑板表面微凸峰頂受到剪切力作用，峰頂高度下降，同時產生的顆粒一部分填補到滑板波谷處，造成表面粗糙度的劇烈下降。

圖6(e)和(f)所示是運行30 min后兩滑板試樣的表面形貌。兩滑板表面粗糙度接近，其表面形貌特征也相似，此時滑板處于穩定磨損期。在持續高速與高電流下，滑板受到電弧熱、摩擦熱與焦耳熱的共同作用，高溫熔融的金屬液膜在導線的壓應力作用下冷卻形成魚鱗狀金屬形貌；同時表面非金屬材質變軟，受到金屬顆粒磨損，犁溝現象變得更加嚴重。由于高溫高速作用，滑板的疲勞磨損也較為嚴重。

圖6 不同初始表面粗糙度滑板在不同運行時間下表面形貌

3 結論

(1)磨損率隨滑板初始表面粗糙度、接觸電流、法向壓力、運行速度的增加而增加，壓力為90 N以上時，滑板初始表面粗糙度對于磨損率的影響降低，磨損方式以機械磨損為主。

(2)滑板從磨合期進入穩定摩擦期存在一個臨界粗糙度，滑板初始表面粗糙度為臨界粗糙度值時其磨損率最低。

(3)滑板初始表面粗糙度不同，其在跑合期磨損過程存在差異，在穩定期內，不同初始表面粗糙度滑板磨損過程相似，且表面粗糙度相近。