剛性接觸網中浸金屬碳滑板在不同法向載荷下的載流摩擦磨損性能*

劉達毅 范 杰 董丙杰 李先航 陳光雄

(西南交通大學摩擦學研究所 四川成都 610031)

近年來，我國城市軌道交通發展迅猛，受電弓/接觸網系統作為地鐵列車主要的受流部件被廣泛應用于各地鐵線路上，弓網系統的運行狀況直接關系著地鐵運營的安全[1]。地鐵線路中的接觸網系統主要為柔性接觸網、剛性接觸網以及第三軌式接觸網，其中剛性接觸網具備零部件少、維護成本低等優點，被廣泛應用于地鐵隧道路段內[2]。由于剛性接觸網不具備彈性，因此在列車運行過程中，弓網系統之間的振動沖擊較大，隨著運行時間的增加，受電弓與接觸線之間的匹配關系逐漸惡化[3]，接觸線逐漸出現硬點等問題。硬點的出現會進一步加劇振動，導致弓網離線產生電弧，在機械沖擊和電弧燒蝕的共同作用下，滑板和接觸線的磨損問題日益嚴重。目前，已有許多學者對接觸網系統的結構類型、動力學性能、建設和維護標準等方面進行了研究[4-6]，但是針對剛性接觸網系統中受電弓碳滑板和接觸線磨損問題的研究較少。

浸金屬碳滑板材料具有優良的導電率，但其成本也較高[7]，因此，對浸金屬碳滑板的載流摩擦磨損性能進行研究，探究降低浸金屬碳滑板磨損的措施，對降低地鐵運營成本具有較強的現實意義。近年來，有些學者通過試驗模擬高速列車的運行工況，對浸金屬碳滑板的載流摩擦磨損性能進行了相關研究。楊紅娟等[8-9]研究了振動對浸金屬碳滑板載流摩擦磨損性能的影響，研究結果顯示，振動加速度與電弧能量存在顯著的相關性，振動加速度越大，滑板的電弧燒蝕現象越明顯。胡道春等[10]探究了不同電弧能量下浸金屬碳滑板材料的磨損機制，試驗結果表明，浸金屬碳滑板的磨損主要是由電弧燒蝕導致的，磨損機制表現為金屬材料的熔融噴濺。在目前的研究中，試驗滑動距離一般為100～200 km[11-13]，然而在實際情況下，浸金屬碳滑板的服役時間一般為3～4個月，運行里程可達100 000 km。為了使試驗更加貼近浸金屬碳滑板的實際運用場景，本文作者將每組試驗滑動距離設置為1 000 km，并使用高速載流摩擦磨損試驗臺模擬地鐵列車在剛性接觸網系統中的運行條件，研究浸金屬碳滑板在不同法向載荷作用下的載流摩擦磨損性能。

1 試驗

1.1 試驗設備

圖1示出的是高速載流摩擦磨損試驗機的結構，試驗機主要包括轉盤、升降臺、變頻電機、支架、底座、交/直流電源。轉動圓盤直徑為1 100 mm，轉速在20～400 km/h間連續可調。銅銀接觸線鑲嵌于轉盤的外沿，浸金屬碳滑板通過夾具固定在升降臺上，可隨升降臺做上下往復運動(±55 mm)，往復運動的頻率為0.15 Hz，以此模擬接觸線的“之”字形運動。試驗機通過滑輪機構施加法向載荷，通過增減砝碼可調整法向載荷的大小，試驗電壓為0～8 V，試驗供電系統可提供0～800 A的直流電源。

圖1 試驗機結構Fig.1 The structure of test system

圖2所示為試驗使用的數據采集系統，數據采集系統主要包括電流傳感器、電壓傳感器、切向力傳感器、數據采集裝置、紅外熱像儀和計算機。在試驗過程中，電流、電壓等信號通過采集系統傳輸到計算機，信號的采樣頻率為1 kHz。試驗中采用FLUKE Tix640型紅外熱像儀測量滑板的溫度場，每隔5 min記錄一次溫度數據，試驗前后使用精度為0.001 g的分析天平測量滑板的質量。

圖2 數據采集系統Fig.2 Data collection system

1.2 試驗材料和試驗參數

試驗使用的浸金屬碳滑板為地鐵線路常用型號，其化學元素含量如表1所示。試驗前將滑板加工成130 mm×34 mm×25 mm的試樣，以便裝夾。試驗中使用的銅銀合金接觸線中包含約99%的銅，剩余元素為銀和其他微量元素。

表1 浸金屬碳滑板的化學成分Table 1 Chemical compositions of metal-impregnated strip

為了模擬地鐵列車在剛性接觸網系統中的運行條件，以廣州地鐵3號線為例，受電弓和接觸線之間的接觸力設定值大約為120 N[14]，在四滑板受電弓中，平均每根滑板需要承載約30 N接觸力，地鐵列車時速一般介于40～100 km/h。基于以上討論，設計了表2所示的試驗參數。

表2 試驗參數Table 2 Test parameters

1.3 電弧能量和載流效率的計算

在試驗過程中，滑板和接觸線表面并非完全接觸，而是存在著若干個接觸斑點[15]。接觸斑點中只有導電斑點承載著電流的導通，當摩擦副之間離線時，導電斑點溫度瞬間升高，使得材料融化甚至氣化，形成火花和燃弧。電弧能量可以表征摩擦副之間的離線放電情況，其計算公式如下：

(1)

載流效率可以反映弓網之間的受流質量，載流效率越高，意味著流經弓網摩擦副之間的電流越穩定，電能的損失越小。載流效率的計算公式如下：

(2)

2 試驗結果與討論

2.1 法向載荷對摩擦因數的影響

摩擦因數是研究弓網摩擦副摩擦特性的重要參數，圖3顯示了當電流為300 A、滑動速度為80 km/h時摩擦因數隨法向載荷增大的變化。可以明顯看出，摩擦因數隨著法向載荷的增大呈現出不斷增大的趨勢。摩擦副之間的摩擦因數主要取決于滑動過程中表面微凸體的粗糙變形、犁削作用以及金屬黏著點之間的剪切作用[16]，法向載荷、試驗電流大小等因素都會影響摩擦因數的大小。已有研究表明，較大的法向載荷能夠有效抑制電弧的發生，從而降低摩擦副的溫升，當溫度較低時，摩擦副表面的硬質顆粒不易軟化變形，摩擦過程中的犁削作用加劇，摩擦因數不斷增大[17-18]。此外，也有研究表明接觸線表面的氧化膜能夠有效降低摩擦因數[19]，然而當法向壓力較大時，犁削作用顯著，氧化膜難以形成，因此摩擦因數較大。

圖3 摩擦因數隨法向載荷的變化Fig.3 Variation of friction coefficient with normal force

2.2 法向載荷對電弧能量和載流效率的影響

圖4顯示了電弧能量和載流效率隨法向載荷的變化。當法向載荷較小時，摩擦副相對滑動過程中的振動較大，離線率較高，因此電弧能量較大，載流效率較低；隨著法向載荷的增大，摩擦副接觸面的微凸體偶對數量增加，實際接觸面積增大[20]，振動減弱，因此離線電弧減少[21-22]，電弧能量降低，載流效率隨之升高。從圖4中還可看出，電弧能量和載流效率具有一定的負相關關系，這與文獻[23]的結論一致。

圖4 電弧能量和載流效率隨法向載荷的變化Fig.4 Variation of arc discharge energy and current- carrying efficiency with normal force

2.3 法向載荷和滑動距離對磨損率的影響

圖5所示為浸金屬碳滑板磨損率隨法向載荷的變化曲線。可以看出，隨著法向載荷的增大，浸金屬碳滑板的磨損率逐漸降低。浸金屬碳滑板的磨損一般分為電弧燒蝕和機械磨損，其中電弧燒蝕磨損起主要作用[24-26]，在電流為300 A的條件下，電弧的燒蝕作用遠大于機械磨損，因此當法向載荷增大時，電弧放電次數下降，電弧燒蝕帶來的質量損失明顯減少，滑板的磨損率顯著降低。

圖5 滑板磨損率隨法向載荷變化Fig.5 Variation of wear rate of carbon strip with normal force

圖6顯示了浸金屬碳滑板在法向載荷分別為15和45 N時磨損率隨滑動距離的變化。可以看出，45 N條件下的磨損率明顯小于15 N。此外還可以看出，浸金屬碳滑板的磨損率隨著滑動距離的增加逐漸下降并趨于穩定。當試驗滑動距離為1 000 km時，磨損率最高，這是因為在試驗初期，滑板表面存在較多的孔隙和微凸體，非接觸區域的面積較大，因此電弧的發生頻率更高。在電弧的燒蝕作用下，浸金屬碳中的金屬元素被熔融，與接觸線中的金屬材料產生黏著磨損；與此同時，滑板中的黏合劑被高溫破壞，失去黏結的碳滑板材料疏松多孔，極易發生脫落，從而導致滑板的磨損率較高。隨著滑動距離的不斷增大，滑板表面變得平整，摩擦副實際接觸面積增大，電弧發生頻率下降，因此滑板磨損率降低并趨于穩定。

圖6 不同法向載荷下滑板磨損率隨滑動距離的變化Fig.6 Variation of wear rate of carbon strip with sliding distance under different force

2.4 浸金屬碳滑板的溫度變化

溫度是影響浸金屬碳滑板磨損率的重要因素，根據文獻[18]可知，摩擦副接觸區域的熱量可分成摩擦熱、焦耳熱和電弧熱，其中焦耳熱和電弧熱起主要作用。圖7所示是試驗過程中滑板最高溫度隨法向載荷增大的變化曲線。可以看出，隨著法向載荷的增大，滑板的最高溫度逐漸下降。當法向載荷為15 N時，摩擦副之間的離線率較高，電弧帶來的熱量使得滑板溫度顯著增加，因此溫度最高達到了152.2 ℃；隨著法向載荷的增大，振動被抑制，離線率降低，因此滑板溫度也逐步降低。

圖7 滑板最高溫度隨法向載荷的變化Fig.7 Variation of the maximum temperature of carbon strip with normal force

圖8所示為滑板溫度隨時間的變化，能夠明顯觀察到滑板的溫度在短時間內迅速升高，這是因為電流的加入使得焦耳熱迅速增加，并且在試驗初期，電弧的發生頻率較高，焦耳熱和電弧熱使得滑板溫度不斷攀升。隨著試驗時長的增加，滑板的溫度開始趨于穩定，這是因為電弧帶來的瞬間閃溫使摩擦副表面的微凸體逐漸軟化變形，接觸空隙得到填充，摩擦副之間的接觸狀態得到了一定的改善，離線率下降，電弧帶來的熱量減少，因此滑板溫度也隨之下降。在轉盤的高速轉動下，摩擦副的產熱和散熱逐漸達到了平衡狀態，滑板溫度趨于穩定。觀察圖8還可以發現，法向載荷越大，滑板溫度的波動越小，當法向載荷為45 N時，滑板溫度長時間保持在112 ℃附近，最高溫度僅為113.5 ℃。在較大法向載荷的作用下，離線率降低，電弧帶來的電弧熱減少使得滑板整體溫度下降并且更加穩定。

圖8 不同法向載荷下滑板溫度隨試驗時間的變化Fig.8 Variation of temperature of carbon strip with time under different normal force

2.5 浸金屬碳滑板磨損形貌分析

圖9顯示了浸金屬碳滑板在不同法向載荷作用下的磨損形貌。在電弧燒蝕以及機械磨損的作用下，滑板表面形貌呈現出多種特征，可觀察到燒蝕坑、片狀剝落、金屬熔融顆粒等現象。此外還可以看出，磨損表面存在不少白色區域，這是因為使用掃描電鏡觀察樣品時，樣品表面部分區域的導電性較差，電子堆積從而形成了白亮色區域[27]。觀察圖9(a)可以看出，滑板表面出現了較大的燒蝕坑。當法向載荷為15 N時，電弧發生的頻率較高，電弧產生的瞬間高溫使得燒蝕坑內的金屬熔融，形成了圓球狀的小顆粒，并在滑動或振動作用下向四周轉移，因此磨損表面有大量白色顆粒存在。此外還可以發現滑板表面存在著嚴重的裂紋拓展現象，如圖9(a)、(b)和(c)所示，均可發現裂紋拓展導致的材料剝落現象，這是因為法向載荷較小時，振動沖擊較大，且電弧閃溫導致的熱應力作用也較為嚴重。

圖9 不同法向載荷下浸金屬碳滑板表面形貌 (I=300 A,v=80 km/h)Fig.9 The surface topography of carbon strip under different normal force(I=300 A,v=80 km/h):(a)normal force of 15 N;(b)normal force of 25 N;(c)normal force of 35 N;(d)normal force of 45 N

對比圖9(a)—(d)可以看出，隨著法向載荷的增大，燒蝕坑的數量逐漸下降，裂紋逐步消失，白色區域的范圍逐漸變小。當法向載荷增大至45 N時，燒蝕坑和裂紋明顯減少，白色區域幾乎消失，但是可以觀察到明顯的劃痕和磨屑。綜合以上分析可知，法向載荷對浸金屬碳滑板磨損形貌的影響顯著，當法向載荷較小時，浸金屬碳滑板的磨損形式主要表現為層片狀剝落和電弧燒蝕，而當法向載荷較大時，磨粒磨損現象較為明顯。

3 結論

(1) 隨著法向載荷的增大，弓網摩擦副之間的摩擦因數呈現出增大的趨勢，載流效率提升，電弧放電能量下降，浸金屬碳滑板的磨損率也不斷下降。

(2) 浸金屬碳滑板的磨損率隨著滑動距離的增加不斷下降并逐漸趨于穩定，且需要較大的滑動距離滑板磨損率才能進入穩定階段。

(3) 滑板的溫度隨著法向載荷的增大而降低，較大的法向載荷可以降低電弧帶來的電弧熱，從而使滑板溫度較快到達平穩狀態。

(4) 適當增大法向載荷可以有效抑制電弧的燒蝕作用，使滑板表面的裂紋和燒蝕坑減少，當法向載荷增大至45 N時，磨粒磨損現象的出現表明機械磨損的作用正在增強，但此時電弧對滑板的燒蝕作用被進一步減弱，因此滑板的磨損率依然降低。