地鐵受電弓碳滑板冬季異常磨耗特點微觀研究*

戎有鑫 黃 勉 趙 雷 張世強 呂 可 廖 貞 肖守訥 楊 冰

（1. 中車青島四方車輛研究所有限公司 山東青島 266031；2. 西南交通大學牽引動力國家重點實驗室 四川成都 610031）

地鐵受電弓是指地鐵車輛用于從接觸網上獲取電能的裝置， 其弓頭位置裝有滑板， 滑板為弓頭中可以更換的磨耗部件， 滑板表面直接與接觸網系統滑動接觸， 是一對典型的載流摩擦副［1］。 隨著軌道車輛運營時速和牽引功率的不斷提升， 滑板材料從最開始的軟鋼材料、 純碳材料逐漸發展到現在的粉末冶金和浸金屬材料。 由于浸金屬碳滑板具有更高的機械強度、 更好的受流耐磨性等優點， 目前被廣泛應用于軌道車輛的集電裝置中［2-4］。

滑板的磨耗率通常是指其高度磨耗比， 在正常情況下其磨耗率每萬公里小于1.5 mm［5］。 然而在國內某型地鐵線路上出現了部分冬季時段地鐵受電弓浸銅碳滑板磨耗率異常升高的現象（磨耗率每萬公里超過20 mm）， 對列車運行安全和運營成本控制均造成了較大影響。

國內外學者對弓網載流摩擦磨損性能的影響因素開展了大量研究， 主要集中于接觸條件和列車運行環境2 個方面。 在接觸條件研究方面： LIN 等［6］進行了碳塊和銅環的相對摩擦磨損實驗， 發現法向載荷和載流大小與接觸副表面電弧強度有一定關聯； 鐘傳枝等［7］通過試驗模擬地鐵弓網的實際運行狀況， 也發現了與地鐵車輛運行工況相關的載流大小、 法向載荷、滑動速度等因素對碳滑板的磨耗性能會產生一定影響； 丁濤等人［8］發現在載流工況下， 接觸副表面溫度會顯著增高， 并影響材料的摩擦磨損性能； 胡艷等人［9］研究了弓網接觸副由于電弧燒蝕、 滑動帶來的局部溫升現象對摩擦磨損性能的影響， 發現當其表面溫度長期處于或超過300 ℃時， 由于電弧燒蝕加劇和熱應力裂紋的大量萌生， 碳滑板的使用壽命會大幅降低； 武云龍等［10］研究了拉出值對電弧放電特性以及滑板／接觸線磨損性能的影響， 結果表明放電頻率、電弧能量都隨著拉出值的增大而增大。 在載流摩擦副所處運行環境相關因素的研究方面： LIU 等［11］比較了電刷與換向器在不同環境溫度下的載流摩擦磨損性能， 發現隨著溫度升高在接觸副表面生成表面膜的穩定性和完整性降低， 導致磨耗率升高； 李含欣等［12］研究了載流摩擦條件下環境濕度對磨損表面損傷行為的影響， 發現了載流工況下表面最低黏著磨損對應的最佳相對濕度值為55%。

綜上所述， 地鐵列車受電弓碳滑板磨耗率的影響因素錯綜復雜， 在運行過程中由于其可接近性較差等因素， 難以對弓網接觸副狀態進行有效監測， 導致碳滑板表面異常磨耗機制仍有待進一步研究。 本文作者針對受電弓碳滑板材料磨耗表面進行分析， 對比進入冬季后磨耗率異常升高的碳滑板（下稱異常磨耗碳滑板） 和正常運營時磨耗率在較低水平的碳滑板（下稱正常磨耗碳滑板） 表面形貌、 顯微組織、 化學成分等微觀信息， 分析異常磨耗出現原因。

1 試驗材料

試驗用浸銅碳滑板材料取自于國內某地鐵線路運營車輛， 浸銅碳滑板下方配有用于固定和支撐的鋁架。 浸銅碳滑板和銅銀合金導線材料的化學成分如表1 所示。

表1 試驗材料化學成分（質量分數）Table 1 Chemical constituents of test materials （mass fraction）

該型地鐵列車最高運營速度為80 km／h， 線路均為地下隧道運營， 供電電壓為DC 1 500 V， 單臺受電弓受流情況如圖1 所示， 最大瞬時電流為696 A。

圖1 單臺受電弓受流情況Fig.1 Current collection of single pantograph

圖2 所示是正常磨耗和異常磨耗情況的碳滑板表面。 由圖2 （a） 可見， 正常磨耗碳滑板表面呈現出光滑鏡面狀態。 由圖2 （b） 可見， 出現異常磨耗的碳滑板其中間區域首先出現異常磨耗現象， 截面長約65 mm， 繼續磨耗后擴展至碳滑板整個表面， 如圖2 （c）所示。

圖2 碳滑板磨耗表面Fig.2 Carbon strip wear surface： （a） carbon strip surface in normal wear； （b） carbon strip wear surface with abnormal wear in the central area； （c） carbon strip surface in abnormal wear

正常磨耗試樣取自于進入冬季前磨耗到限的受電弓滑板（運營里程約為100 000 km， 平均磨耗率約為每萬公里1.4 mm）； 異常磨耗試樣取自于進入冬季后磨耗率異常升高的滑板試樣表面 （運營里程約為11 000 km， 平均磨耗率約為每萬公里10 mm）。 以實際磨耗區域邊緣處為基準， 列車運行方向為y、 垂直于列車運行方向為x建立取樣坐標， 通過線切割加工獲取碳滑板磨耗中心區域磨耗面積約為15 mm×20 mm 試樣便于后續觀察， 如圖3 所示。

圖3 碳滑板磨耗區域取樣示意Fig.3 Sample schematic of wear zone of carbon strip

2 表面觀察與分析

碳滑板磨耗率很大一部分取決于表面形貌。 由于受到電弧燒蝕、 機械磨損等多種磨耗形式的共同作用， 表面形貌發生改變， 從而影響磨耗。 文中通過對地鐵受電弓碳滑板出現異常磨耗前后的表面形貌特征進行對比分析， 來揭示異常磨耗出現的本質原因。

2.1 表面宏觀形貌分析

利用電子顯微鏡獲取了受電弓碳滑板表面宏觀形貌， 結果如圖4 所示。 由圖4 （a） 可看出， 正常磨耗試樣的宏觀表面分布有與列車運行方向（y向） 一致的黑色流線［3］； 同時其表面還出現了大面積的裂紋， 長度為1 ～10 mm， 主要是由于弓網之間的電弧燒蝕、 滑動摩擦和振動沖擊所導致的。 這些裂紋將表面材料分為多個形狀不規則的片狀區域， 伴隨著弓網摩擦的進行， 裂紋長度和數量都將繼續增長， 隨后片狀區域內的材料開始脫落， 致使碳滑板產生磨耗。

圖4 不同磨耗試樣表面宏觀形貌Fig.4 Surface macrograph of different wear samples： （a） normal wear surface； （b） abnormal wear surface

由圖4 （b） 可看出， 異常磨耗碳滑板表現出與正常磨耗碳滑板完全不同的宏觀表面形貌， 其表面分布有大量的電弧燒蝕痕跡。 因此， 對比2 種受電弓碳滑板宏觀表面形貌可知， 異常磨耗表面已經發生了顯著改變， 暴露出更多的銅物質， 說明在異常磨耗過程中接觸區域的溫度遠遠超過正常磨耗過程。

2.2 表面微觀分析

借助日本OLYMPUS OLS4100 激光共聚焦顯微，從微觀角度分析正常磨耗和異常磨耗表面形貌。 圖5 （a）所示為碳滑板正常磨耗試樣表面， 在磨損的過程中由于機械摩擦、 電流、 電弧燒蝕等帶來的高溫作用， 碳滑板表層和次表層的潤滑材料快速析出， 呈現出了比較多的碳基體［13］， 所以整體顏色以灰、 黑色為主； 同時表面出現了數條沿著y向的黑色流線和部分電弧燒蝕孔洞。 圖5 （b） 所示為碳滑板異常磨耗試樣表面， 表面顏色及微觀形貌與正常磨耗情況存在較大差異， 整體以亮紅色為主， 出現了大量的電弧燒蝕痕跡， 接觸表面幾乎無法看出碳基體和潤滑材料的痕跡。

圖5 不同磨耗試樣表面微觀形貌Fig.5 Surface micro-graphs of different wear specimens：（a） normal wear surface； （b） abnormal wear surface

2.3 表面三維形貌及粗糙度分析

利用OLYMPUS OLS4100 激光共聚焦顯微測試分析系統配備的軟件， 對試樣表面形貌進行三維云圖重構。 圖6 （a） 所示為受電弓碳滑板正常磨耗試樣表面的三維云圖， 可知正常磨耗碳滑板表面分布有少數的電弧燒蝕坑及電弧燒蝕麻點， 微觀圖中表現出的黑色流線區域， 在云圖上也反映出了少許凹陷痕跡。 圖6 （b） 所示為碳滑板異常磨耗試樣表面的三維云圖，可以看出表面高低起伏較大， 電弧燒蝕孔洞已成片分布， 面積和深度都遠超正常磨耗試樣表面， 電弧燒蝕面積已大于觀察區域面積的50%， 此時弓網接觸副已遭受嚴重破壞， 接觸面積大幅減少。

圖6 不同磨耗試樣表面三維云圖Fig.6 Three-dimensional cloud images of different wear samples surface： （a） normal wear surface；（b） abnormal wear surface

進一步， 測試了2 種磨耗表面的粗糙度， 如表2所示。 相較于正常磨耗試樣， 異常磨耗試樣表面的粗糙度明顯增加。 同時結合上述三維形貌差異， 可知異常磨耗試樣表面的接觸面積減少、 接觸條件惡化是導致磨耗異常的直接原因之一。

表2 不同磨耗試樣表面的粗糙度Table 2 Surface roughness of different wear samples

2.4 SEM、 EDS 分析

利用日本電子JSM-IT500LV 掃描電鏡， 獲取試樣表面微觀信息。 圖7 所示為2 種磨耗區域表面SEM圖。 正常磨耗區域可以清楚地看見沿著豎向的弓網摩擦痕跡以及明顯的燒蝕形貌， 表面萌生了多條裂紋并蔓延至燒蝕坑中。 而異常磨耗試樣表面無法觀察到明顯的機械磨痕， 但表面相較于正常磨耗試樣更為粗糙， 電弧燒蝕區域增加， 表面出現了更多的淺色區域。 載流效率對碳滑板表面受流質量有較大的影響，在載流效率較高的工況下， 碳滑板表面以機械磨損為主， 并伴隨少量電弧燒蝕， 與觀察到的正常磨耗試樣表面的磨損痕跡較為相似； 而在載流效率較低的情況下， 碳滑板表面出現大面積的電弧燒蝕痕跡， 與所觀察到的異常磨耗試樣表面微觀特征相同［14］。

圖7 不同磨耗試樣表面SEM 圖Fig.7 SEM images of surface of different wear specimens：（a） normal wear surface； （b） abnormal wear surface

為進一步探究不同磨耗試樣表面微觀形貌上的差異， 獲取了更高倍率下的碳滑板表面圖像， 并運用掃描電鏡搭載的能譜儀進行了EDS 分析。 圖8 （a） 所示為獲取的500 倍下正常磨耗試樣表面SEM 圖， 圖8 （b）— （d） 對應圖8 （a） 中紅色區域內的塊狀淺色區域的EDS 面掃描結果。 圖8 （d） 中出現Cu 元素聚集現象， 判斷為在電弧燒蝕產生的高溫作用下，位于碳滑板表層和銅合金接觸線上的Cu 高溫熔化后凝固在碳滑板表面所致。

圖8 正常磨耗試樣表面SEM 圖及EDS 面掃描結果Fig.8 SEM image and EDS surface scanning results of normal wear specimen： （a） SEM image； （b） EDS analysis result；（c） C spectra； （d） Cu spectra； （e） O spectra

圖9 （a）、 （f） 所示均為異常磨耗試樣表面的SEM 圖。 在圖9 （a） 中， 試樣表面出現了大面積的Cu 聚集現象， 遠超在正常磨耗試樣表面所觀察到的情況， 可以反映出異常磨耗表面電弧燒蝕程度及發生磨損時， 接觸副溫度遠高于正常磨耗試樣表面。 大面積Cu 熔融物覆蓋在碳滑板表面， 大幅降低碳滑板表面所含潤滑材料的能效， 進一步導致碳滑板表面溫度升高， 使得其表面狀態不斷惡化； 同時異常磨耗試樣表面溝壑密度和深度增加。 對比圖8 （b） 和圖9 （b）所示的EDS 結果， 可看出異常磨耗試樣表面Cu 峰明顯增強。 從圖9 （d）、 （h） 中的Cu 分布情況可以看出， 異常磨耗碳滑板試樣表面Cu 的分布不再具有均勻散布的特性， 而是集中分布在電弧燒蝕坑或表面熔融物質覆蓋區域， 未電弧燒蝕區域表面只分布極少量的Cu。

圖9 異常磨耗試樣表面SEM 圖及EDS 面掃描結果Fig.9 SEM images and EDS surface scanning results of abnormal wear specimen： （a） SEM image of zone 1； （b） EDS analysis result of zone 1； （c） C spectra of zone 1；（d） Cu spectra of zone 1； （e） O spectra of zone 1；（f） SEM image of zone 2； （g） C spectra of zone 2；（h） Cu spectra of zone 2； （i） O spectra of zone 2

圖10 所示為2 種不同磨耗試樣表面電弧燒蝕孔洞的5 000 倍SEM 圖。 其中正常磨耗表面的電弧燒蝕孔洞面積較小， 電弧燒蝕情況較輕， 表面有少數顆粒狀磨屑黏附在摩擦表面； 而異常磨耗表面的電弧燒蝕孔洞面積已經超出視場范圍， 顆粒狀磨屑大小、 數量、 電弧燒蝕坑深度均超出前述正常磨耗情況， 異常磨耗表面的磨粒磨損遠遠大于正常磨耗情況。

圖10 碳滑板表面電弧燒蝕孔洞SEM 圖Fig.10 SEM images of arc ablation holes on carbon strip surface：（a） normal wear surface； （b） abnormal wear surface

3 異常磨耗原因討論

從上述結果中可以看出， 異常磨耗碳滑板試樣表面電弧燒蝕、 磨粒磨損加劇是產生異常磨耗的直接原因。 異常磨耗碳滑板試樣表面在多種測試分析中都顯現出表面更加崎嶇、 粗糙度和磨粒直徑更大、 電弧燒蝕區域更廣等特征， 其接觸條件明顯惡化、 接觸面積大量減少。 影響受電弓碳滑板載流磨損的主要因素包括摩擦副材料、 潤滑條件、 表面粗糙度、 法向壓力、電流大小、 拉出值、 電弧燒蝕率等［5-7］。 由于該型地鐵列車運營線路、 速度相對固定， 其載流大小、 接觸壓力、 摩擦副材料、 潤滑條件、 拉出值均無明顯變化， 因此重點從地鐵運營隧道內的環境參數進行考量， 發現異常磨耗的出現與空氣濕度的降低存在較大關聯。 圖11 所示為該型地鐵車輛在運行過程中磨耗率、 溫濕度隨時間變化的曲線。 可以看出， 進入冬季后， 碳滑板的磨耗率出現了2 次較為明顯的激增情況。 第一次出現在第40 ～50 天， 此時隧道內溫度由初始的23 ℃下降至19 ℃， 空氣相對濕度由68%下降至17%， 磨耗率由每萬公里1 ～2 mm 激增至10 mm；隨后空氣濕度出現了一定程度的回升， 溫度持續小幅度下降， 磨耗率呈現出一定的下降趨勢。 第二次出現在第70～100 天， 此階段隧道內溫度最低下降至12℃， 空氣相對濕度最低時為18%， 磨耗率由每萬公里3～5 mm 激增至21 mm； 隨后溫濕度均有一定程度的回升， 磨耗率也再次出現下降趨勢。

圖11 碳滑板運行相關參數變化曲線Fig.11 Variation curves of relevant parameters of carbon strip operation： （a） change curve of carbon strip wear rate；（b） change curve of relative humidity inside the tunnel；（c） change curve of temperature inside the tunnel

有研究表明［15］， 環境溫度的降低會導致空氣密度出現變化， 使得受電弓頂部部件氣動升力波動的幅度增大， 導致弓網接觸穩定性變差。 但是由于隧道內整體溫差變化較小， 且地鐵運行速度較低， 對受電弓氣動壓力的影響極小。 除此以外， 根據傳熱學相關理論， 放熱熱量與放熱溫差成反比， 環境溫度的降低將會增大溫差， 從而增加滑板表面的散熱量， 使得滑板表面溫度有所降低， 滑板表面磨耗有所改善［16］。 據此判斷， 小范圍的溫度變化并非引起滑板表面出現嚴重異常磨耗現象的主要原因。

但是如圖11 （b） 中所示， 在運行環境相對濕度大約下降至30%以下時， 就會出現磨耗率激增的情況， 且環境濕度長期處于這個水平以下時磨耗率會持續升高。 表3 中給出了異常磨耗和正常磨耗表面主要元素含量。 可以看出異常磨耗試樣表面Cu 的質量分數比正常磨耗試樣多出8.8%， C 的質量分數減少了9.2%， 這將會導致表面由C 元素組成的潤滑膜厚度減少， 潤滑能效降低， 使得潤滑膜對滑板表層浸漬銅相的保護作用減小， 導致其與接觸網線接觸概率增加， 磨損及電弧燒蝕加劇［17-19］。

表3 不同磨耗試樣表面元素質量分數 單位：%Table 3 Surface element mass fraction of different wear samples Unit：%

有研究表明［11-12，20-25］， 水蒸氣會吸附在摩擦副表面， 在濕度較高的環境下， 摩擦材料表面將會形成較為完整的吸附水膜， 使得C 元素在滑板試樣表面的鋪展越來越充分， 同時大氣中的水分子還會插入表面潤滑層間， 使得表面潤滑層的潤滑能效進一步得到提升； 然而在低濕度條件下 （相對濕度小于30% ～35%［12，19-20］）， 分布在滑板表面的潤滑層將無法提供潤滑作用， 將會出現大量磨粒。 這是由于在低濕度的條件下， 水分子缺失， 無法形成能夠完全覆蓋整個磨耗表面的水膜， 導致表面材料的自由能增大， 在弓網滑動摩擦的作用下， 表面的C 和Cu 更容易脫離， 并形成大量磨粒［20，23］。

因此， 試樣表面潤滑層失效和表面磨粒磨損加劇可能與空氣濕度的下降有一定關系， 在二者的共同作用下， 試樣表面形貌出現異常、 粗糙度增加、 接觸副出現異常升溫、 弓網離線率上升等， 弓網接觸關系不斷惡化， 最終導致碳滑板磨耗率出現異常。

4 結論

（1） 發生異常磨耗的碳滑板表面， 電弧燒蝕情況更加嚴重， 電弧燒蝕區域更廣， 表面熔融物的覆蓋面積更大， 表面材料分布遭到破壞， 使得表面的潤滑效果降低。 由于表面形貌遭到破壞， 在持續運行過程中， 還將導致離線率上升， 摩擦條件持續惡化。

（2） 發生異常磨耗的碳滑板表面C 含量降低，潤滑層的厚度減少， 潤滑能效降低， 同時誘發大量磨粒的產生， 使得接觸副出現形貌崎嶇、 異常溫升、 電弧燒蝕和磨粒磨損加劇等狀況， 最終磨耗率出現異常。

（3） 異常磨耗的出現與空氣濕度的下降存在一定關聯， 濕度減小對受電弓滑板磨耗的影響還有待通過臺架試驗進行進一步驗證。