電流和壓力對接地裝置磨損的影響

牛凱，李強

（河南理工大學材料科學與工程學院，河南 焦作 454003）

接地裝置是動車組牽引系統(tǒng)的關鍵零部件，其穩(wěn)定性是影響動車組行車安全的重要因素之一，其磨耗性能在很大程度上影響了動車組的修程設置，也對行車安全有一定的影響。而接地裝置的摩擦磨損性能在摩擦副一定的條件下主要受電流和壓力的影響，研究摩擦副摩擦磨損性能受電流、壓力的影響規(guī)律，尋出符合服役環(huán)境的臨界值，即具有理論意義也是接地裝置運行安全需要的重要參數(shù)。動車組通過受電弓從接觸網(wǎng)接受電流，電流通過車載電氣設備后經(jīng)由動車組接地系統(tǒng)流入鋼軌，最終回流至牽引變電所。為了防止轉向架軸承通過大電流產(chǎn)生電蝕現(xiàn)象，在轉向架安裝了接地裝置［1-3］，接地裝置是整車接地系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

動車組的軸端接地裝置主要由摩擦盤、碳刷、碳刷架、恒力簧、接地蓋和電纜組成，其中摩擦盤和碳刷組成一對摩擦副，是該裝置的核心，不僅要求材料具有良好的導電性，還要具有耐磨性［4］，摩擦盤安裝在高速旋轉的軸端，其角速度和車輪相同，載流摩擦磨損形式可以分為3種［5-6］：純機械磨損；機械磨損＋電氣磨損；純電氣磨損。文中以動車接地裝置為研究對象，在自制動車組接地裝置仿真試驗臺上進行試驗，研究了不同電流和不同壓力對接地裝置磨損的影響。

1 試驗部分

通過自制動車組接地裝置試驗臺對接地裝置進行磨耗試驗，并采用掃描電鏡（SEM）對碳刷摩擦面進行形貌觀察，采用X射線衍射分析儀（XRD）對碳粉磨屑物進行衍射分析。

1.1 試驗材料和試驗設備

1.1.1 碳刷材料

碳刷材料為石墨/銅復合材料，石墨/銅復合材料不僅具有銅的良好機械性能，高的導電性、導熱性和耐磨性，而且具有石墨良好的自潤滑性能［7-8］。應用于導電性和耐磨性較高的零部件上，例如，動車組弓網(wǎng)系統(tǒng)的滑板，動車組接地裝置和各種滑動電接觸材料［9-10］。目前石墨/銅復合材料主要由粉末冶金工藝制成［11-12］，石墨/銅復合材料碳刷的化學成分見表1。

表1 碳刷的化學成分測試結果 質量分數(shù)：%

碳刷材料的主要機械性能見表2。

表2 碳刷材料的性能

1.1.2 摩擦盤材料

摩擦盤材質為錫青銅，其化學成分為見表3，摩擦盤材料的主要機械性能見表4。

表3 摩擦盤的化學成分測試結果 質量分數(shù)：%

表4 摩擦盤材料的性能

1.1.3 試驗設備

試驗所用設備為自制動車組接地裝置仿真試驗臺示意圖如圖1所示，由仿真試驗臺、六度空間振動試驗臺、可編程大電流發(fā)生器和操作臺組成。試驗臺兩端可以連接2套接地裝置，其原理為變頻電機通過一級帶傳動帶動摩擦盤運轉。運轉速度可通過變頻系統(tǒng)調節(jié)，電流從一個接地裝置流入，通過盤從另一個接地裝置流回，構成電流回路。其中溫度傳感器可以測量裝置內部的溫度。電流發(fā)生器可以改變電流的大小，該試驗臺機械部分建立動車組模型，能夠模擬出與動車組運行時相同的車速。

圖1 動車組接地裝置仿真試驗臺

1.2 試驗方法

試驗前取2套接地裝置，對每個碳刷進行標號，用精度為0.01 mm數(shù)顯游標卡尺測量碳刷長度，用精度為0.000 1 g的天平測量質量。為了保證試驗結果準確性，碳刷和摩擦盤均為同批次樣件，每組試驗結束更換新的碳刷和摩擦盤，將2套接地裝置裝配完成，安裝在試驗臺兩側，通過調速系統(tǒng)調節(jié)轉速，試驗臺模擬動車運行速度380 km/h轉換為試驗臺轉速為2 333 r/min，動車組接地裝置使用額定電流為470 A，該套接地裝置在動車組運行時所用恒力簧為28 N，根據(jù)電流變化范圍及恒力簧使用情況對試驗分2組進行，第一組設置不同的電流，相同的壓力和相同的速度：

電 流為0、100、200、300、400、470 A，壓力 為28 N，速度為380 km/h。

第二組設置不同的壓力，相同的電流和相同的速度：

壓力為18、22、26、30、34 N，電流為470 A，速度為380 km/h。

每組試驗運行10萬km，再次測量碳刷的長度和質量，并記錄數(shù)據(jù)。試驗結束之后用掃描電鏡（SEM）對不同電流情況下碳刷摩擦表面形貌進行觀察，用X射線衍射分析儀（XRD）對碳粉進行衍射分析。

2 結果與分析

2.1 電流對載流摩擦磨損的影響

2.1.1 不同電流下摩擦副溫度

實驗室溫度為室溫條件，溫度為25℃左右，對接地裝置內部摩擦副附近進行監(jiān)控，結果顯示，溫升過程可以分為2個階段，快速上升階段和穩(wěn)定階段。在開始試驗后溫度急劇升高，升高的速度逐步緩慢，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)，隨著電流的增加，穩(wěn)定后溫度越高，載流摩擦磨損過程中，主要產(chǎn)生的熱量為摩擦熱、電阻熱和電弧熱［13］，穩(wěn)定后的溫度是摩擦熱量產(chǎn)生和散失的結果。另外，電流通過接觸點會形成收縮電阻，提高摩擦材料的溫度［10-11］。無電流時，只有摩擦熱產(chǎn)生，沒有電弧熱和電阻熱，溫度較低，隨著電流增大，產(chǎn)生的電弧熱和電阻熱增多，因此溫度升高。不同電流情況下，接地裝置內部摩擦副附近溫度，如圖2所示。無電流時溫度為58.3℃，電流100 A時溫度為75.6℃，電流200 A時溫度為83.2℃，電流300 A時溫度為95.6℃，電流400 A時溫度為106.3℃，溫度470 A電流時為114.5℃。

圖2 不同電流下溫度變化曲線

2.1.2 不同電流下碳刷磨損長度

由圖3可知，從0到470 A隨著電流的增大，碳刷磨損量先減小后增大，在0 A時磨損長度最大為2.12 mm，從100 A到470 A隨著電流的增大磨耗長度增加。在470 A時，磨耗長度為1.48 mm。

圖3 不同電流條件下碳刷磨損長度

2.1.3 不同電流下碳刷磨損質量

由圖4可知，磨損質量與磨損長度一致，從0到470 A隨著電流的增大，磨損量先減小后增大，在0時磨損量最大為7.74 g，從100 A到470 A隨著電流的增大磨耗質量也增加，在470 A時，磨耗質量為5.86 g。

圖4 不同電流條件下碳刷磨損質量

載流摩擦磨損初期，摩擦副接觸面真實接觸面積較小。在無電流時，碳刷主要的磨損方式是純機械磨損；有電流加入之后，磨損型式由純機械磨損變?yōu)闄C械磨損和電氣磨損并存，電流的加入使得在摩擦副表面生成氧化膜和潤滑層，能夠增加潤滑作用，降低磨損量；當電流繼續(xù)增大時，溫度升高，摩擦副表面形成的氧化膜被破壞，碳刷和摩擦盤的接觸狀態(tài)變差，容易產(chǎn)生電弧燒蝕，磨損量增大，電流主要通過電阻熱和電弧放電影響載流摩擦副的摩擦磨損性能。電阻產(chǎn)生的電阻熱使材料得到軟化，降低摩擦材料的磨損量，另一方面，電弧放電可以產(chǎn)生幾千度的瞬時高溫，降低材料的耐磨性，破壞摩擦副間的氧化膜和潤滑層。

2.1.4 不同電流下碳刷掃描電鏡（SEM）形貌分析

試驗采用Merlin Compact型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）對不同載流條件下碳刷摩擦磨損表面形貌進行觀察，圖5中a、b、c電流分別為0、100、470 A，速度為380 km/h，壓力為28 N條件碳刷摩擦面掃描電鏡（SEM）形貌圖。電流為0時，摩擦表面主要為不規(guī)則的，大的片狀坑，表面粗糙不平，有一些犁溝并且表面粘著些許磨屑，典型的機械磨損中的磨粒磨損和黏著磨損。電流為100 A時，碳刷表面分布較少犁溝，并且表面較為光滑。當電流增大到470 A時，隨著電阻熱和電弧熱共同作用，使得接觸截面處材料性能弱化，塑性變形加劇，會增加碳刷和摩擦盤接觸點熔焊的現(xiàn)象，導致黏著結點不斷地被剪斷和形成，如此不斷地循環(huán)更易形成黏著磨損，在碳刷表面有較多電弧燒蝕的麻點是典型的電弧燒蝕。

圖5 不同電流摩擦磨損SEM圖

2.1.5 不同電流下碳粉X射線衍射（XRD）分析

試驗采用Smart-lab型X射線衍射儀，對壓力為28 N，速度為380 km/h，電流分別為0、100、200、300、470 A條件下碳刷粉末進行衍射分析，試樣的2θ角均為20°～110°，由圖6可知，碳刷主要成分為Cu和C，加載電流進行試驗之后試樣生成Cu2O，Cu2O作為氧化膜覆蓋在碳刷表面，將摩擦形式由最開始的干摩擦轉變?yōu)榱黧w潤滑摩擦。無電流時，碳刷與摩擦盤直接接觸摩擦，摩擦類型為干摩擦，磨損量較大；有較小電流加載時，有部分氧化物生成覆蓋在摩擦副表面，使得摩擦方式轉變?yōu)榱黧w潤滑摩擦，磨損量較小；隨著電流增加，由于電弧影響越來越大，使得氧化層破壞，磨損量有所增加。

圖6 不同電流下碳粉XRD衍射分析

2.2 不同壓力對載流摩擦磨損的影響

2.2.1 不同壓力下碳刷磨損長度

不同壓力條件下碳刷磨損長度如圖7所示，壓力由18 N增加到22 N時，碳刷磨耗由1.09 mm下降到0.95 mm；壓力由22 N增加到26 N時，碳刷磨耗由0.95 mm增長到0.96 mm基本保持穩(wěn)定；壓力由26 N增長到30 N時，碳刷磨耗由0.96 mm增加到1.03 mm；壓力由30 N增長到33 N時，碳刷磨耗迅速增加，由1.03 mm增加到1.16 mm。

圖7 不同壓力條件下碳刷磨損長度

2.2.2 不同壓力下碳刷磨損質量

不同壓力條件下碳刷磨損質量如圖8所示，當壓力由18 N增加到22 N時，碳刷的質量磨損由5.2 g下降的4.5 g，下降了0.7 g；壓力由22 N增加到26 N時，碳刷的質量磨損保持在4.5 g沒有發(fā)生變化；當壓力由26 N增加到30 N時，碳刷的質量磨損由4.5 g增加到了4.9 g，增加了0.4 g；當壓力由30 N增加到33 N時，碳刷的質量磨損由4.9 g增加0.6 g，達到5.5 g。

圖8 不同壓力下碳刷磨損質量

運行10萬km，當壓力由18 N增加到22 N時，隨著壓力的增大，機械磨損逐漸增加，電氣磨損逐漸減小，且電氣磨損的減小量大于機械磨損的增加量，導致磨耗降低；當壓力由26 N增加到33 N時，由于此時施加于碳刷的壓力較大，碳刷的表面潤滑膜被破壞，導致磨損量增加，機械磨損的增加量大于電氣磨損的減小量；當壓力為22 N到26 N之間時，隨著壓力的增加，產(chǎn)生電弧的數(shù)量持續(xù)減少，機械磨損持續(xù)增加，此時電氣磨損與機械磨損達到最佳，碳刷磨耗最小。

3 結論

（1）在速度為380 km/h、壓力為28 N條件下，電流從0增加到470 A，隨著電流增大，摩擦副溫度由58.3℃增長到了114.5℃。

（2）在速度為380 km/h、壓力為28 N條件下，電流從0增加到470 A，隨著電流增大，碳刷磨耗量先減少再增加，在電流為100 A時，磨損量最小。

（3）在速度為380 km/h，電流為470 A條件下，壓力從18 N增加到34 N，磨損量先減少再增加，24 N左右時碳刷磨損量最小。

（4）碳刷的磨損方式電氣磨損和機械磨損共同作用，機械磨損主要為磨粒磨損和黏著磨損，電氣磨損主要為電弧燒蝕。