弓網系統滑動電接觸表面磨損特征研究*

馮一桐 王智勇 郭鳳儀 劉殊豪 王喜利

（1. 遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院 遼寧葫蘆島 125105；2. 溫州大學電氣與電子工程學院 浙江溫州 325035）

弓網摩擦副由受電弓滑板與架空接觸線組成， 接觸線在受電弓滑板表面往復摩擦來傳遞電能， 因此受電弓滑板的磨損是不可避免的。 隨著我國鐵路系統的不斷發展， 弓網摩擦副所承受的載流量不斷增加， 列車速度逐漸提高， 同時弓網電弧現象越來越頻繁， 使摩擦副的接觸條件不斷惡化， 導致摩擦副的磨損加劇， 縮短摩擦副使用壽命。 滑板表面磨耗形貌在不同運行條件下會發生改變， 但這種變化難以從宏觀角度進行分析， 而借助金相顯微鏡與表面粗糙度儀等儀器可以從微觀角度更清晰地觀察滑板磨耗后微觀變化的狀態特征， 從而探究滑板磨耗的變化規律。

微觀分析在弓網系統磨耗磨損研究中扮演了重要的角色， 受到了人們的廣泛關注。 文獻［1］研究發現， 受到電弧侵蝕后的浸銅碳滑板表面會形成由多個邊緣重疊的橢圓形燒蝕凹坑組成的燒蝕區， 且燒蝕區內還會出現裂紋。 文獻［2-3］認為在有電流條件下純碳滑板表面更加致密、 光滑和磨屑更少， 并且在電弧侵蝕發生后滑板表面出現的裂紋會進一步擴大直至表面材料剝落。 文獻［4］研究發現， 純碳滑板表面燒蝕坑的面積和深度隨著電流增大而增大。 文獻［5］研究發現， 當純碳滑板接觸壓力的波動振幅增大而波動頻率不變時， 滑板表面會出現裂紋和較大的電弧燒蝕坑。 文獻［6］指出隨著磨損時間的增加， 滑板的機械振動和電弧放電現象會加劇， 滑板表面燒蝕坑的數量和面積越來越大。 文獻［7］表明載流效率越低滑板表面磨損越嚴重， 滑板表面存在明顯的燒蝕坑。 文獻［8］研究發現， 隨著速度的增加， 摩擦副異常放電現象漸漸增加， 滑板表面裂紋數量有不斷增加的趨勢。文獻［9］研究發現， 電弧能量隨電流的增大而增大，隨接觸電壓的增大呈現先增大后減小的趨勢。 文獻［10］指出隨著載荷波動頻率和振幅的提高， 滑板表面剝落和電弧侵蝕現象變得更加明顯。

目前學者們對于弓網系統磨損現象與機制已經有一定認知， 并提出了滑板表面凹坑形態變化規律， 但是缺乏對表面燒蝕坑特征參數變化規律的定量研究，并且也沒有考慮滑板表面粗糙度參數的影響。

針對上述問題， 本文作者開展了滑動電接觸載流摩擦磨損實驗， 使用金相顯微鏡采集滑板表面形貌圖像并進行處理， 得到了不同工況下滑板表面凹坑的面積與數量； 使用粗糙度儀測量滑板表面粗糙度參數，分析了不同工況下的載流效率、 電弧能量、 摩擦因數和溫度及不同工況對凹坑與表面粗糙度的影響。

1 實驗設計

1.1 實驗系統

利用自行研制的滑動電接觸實驗機開展滑動電接觸載流摩擦磨損實驗， 實驗機原理如圖1 所示［11］。該實驗機由交流電機帶動滑臺左右移動來模擬列車行駛時接觸線與受電弓滑板的“之” 字型運動軌跡。通過改變負載阻抗控制滑板接觸電流。 通過上位機中LabVIEW 軟件調節滑板接觸壓力和滑動速度， 并對實驗中的電流、 電壓和摩擦因數等數據進行采集。

圖1 實驗機原理Fig.1 Schematic of experimental machine

1.2 實驗材料和參數

實驗采用浸銅碳滑板與純銅接觸線組成載流摩擦副， 材料物理性能參數如表1 所示。

表1 滑板和接觸線的物理性能參數Table 1 Physical performance parameters of strip and contract wire

采用單因素變量法設計多組實驗， 測試了接觸壓力、 滑動速度和回路電流對摩擦副磨損狀態的影響。實驗參數具體取值見表2。 每組實驗時間為30 min，實驗過程中通過FLR T100 熱像儀采集滑板表面溫度。

表2 實驗參數Table 2 Experimental parameters

1.3 實驗結果和計算

圖2 所示是在回路電流100 A、 接觸壓力80 N、滑動速度50 km／h 條件下電流、 電壓和摩擦因數的變化曲線。 實驗過程中摩擦副接觸狀態不斷變化， 導致電流、 電壓和摩擦因數曲線存在一定的波動。

圖2 電流100 A、 接觸壓力80 N、 滑動速度50 km／h 條件下接觸電流（a）、 電壓（b） 和摩擦因數（c） 的變化曲線Fig.2 Variation curves of contact current （a）， voltage （b） and friction coefficient （c） at current of 100 A， contact pressure of 80 N and sliding speed of 50 km／h

為了反映摩擦副的導電能力與動態接觸狀態， 定義滑板接觸電流實測有效值與給定電流有效值的比值為載流效率， 其公式為

式中：η代表載流效率；代表實測電流有效值；I代表給定電流有效值。

摩擦副之間存在接觸電阻， 當有電流流過時會產生一個電壓降， 即接觸電壓。 可根據接觸電壓的大小反映摩擦副的接觸狀態。 當弓網離線出現電弧放電時，電弧能量可反映出電弧放電強度， 電弧能量公式為

式中：E代表電弧能量；U代表接觸電壓；I代表接觸電流；t代表燃弧時間。

摩擦因數波形在實驗初期變化幅度較大， 經過一小段時間的磨合后進入穩定狀態， 如圖2 （c） 所示。采用摩擦因數的平均值反映摩擦副的摩擦性能， 并利用標準差反映其波動幅度。

2 表面磨損特征計算

2.1 形貌圖像與粗糙度參數的采集

實驗用浸銅碳滑板的工作表面是15 cm×3 cm 的平行四邊形， 在實驗開始之前統一用1 200 ＃砂紙對滑板進行打磨使實驗前滑板表面粗糙度相同。 圖3 （a）所示是在回路電流100 A、 接觸壓力80 N、 滑動速度90 km／h 條件下實驗結束后的滑板表面形貌。中央條狀區域為主要磨損區域， 可見磨損區域除了較光亮區域外還分布著凹坑， 磨損區域下方還有電弧飛濺燒蝕的痕跡。

圖3 滑板磨損表面形貌（a） 和測量區域分塊圖（b）Fig.3 Wear surface topography of strip （a） and block diagram of measurement area （b）

為了能夠準確分析滑板整體的磨損情況， 將磨損區域中心位置分成10 個1 cm2正方形方塊， 如圖3 （b）所示。 在每個小方塊內使用JD520 型表面粗糙度測量儀測量表面粗糙度， 使用XJP-6A 型金相顯微鏡采集滑板形貌圖像。 為減小實驗誤差， 相同實驗條件重復測量3 次。

2.2 粗糙度參數選取和計算

采集表面粗糙度時設定取樣長度為2.5 mm， 測量精度為0.1 μm。 采用一個取樣長度內輪廓算術平均偏差Ra和最大輪廓谷深Rv來評定表面輪廓的粗糙度， 其中Ra和Rv值可直接由粗糙度測試儀給出。 采用所有分塊區域粗糙度參數的平均值代表該組的表面粗糙度。

2.3 形貌圖像處理和特征參數的計算

通過配套OPTPro 專業金相分析評級軟件采集金相顯微鏡圖片。 接觸壓力80 N、 回路電流150 A、 滑動速度90 km／h 條件下實驗前后滑板表面形貌如圖4所示。

圖4 實驗前（a） 和實驗后（b） 滑板表面形貌Fig.4 Surface morphology of strip before the experiment（a） and after the experiment （b）

圖4 （a） 所示的原始表面形貌中黑色部分為碳，小白點為金屬銅， 可見滑板原始表面較為平整， 碳板表面隨機鑲嵌著金屬銅材料。 在實驗過程中， 滑板溫度不斷升高使得表面材料軟化， 滑板接觸表面內鑲嵌的金屬銅在接觸線的往復剮蹭作用下覆蓋在滑板表面， 并形成一層氧化膜， 使得滑板表面形貌呈現金屬光澤， 如圖4 （b） 所示。 磨損后滑板表面出現了凹坑， 文中采用單個凹坑的面積和相同測量區域中凹坑的數量反映滑板磨損的嚴重程度。

為了精確計算滑板表面的凹坑面積及數量， 需要對表面形貌圖像進行數字處理， 其流程圖如圖5所示。

圖5 磨損圖像處理流程Fig.5 Wear image processing flow

圖像采集后先經過高斯平滑濾波預處理， 去除圖像采集與傳輸過程中產生的噪聲； 再經過圖像分割將凹坑特征提取出來， 并由形態學開運算處理消除磨屑等噪聲的影響； 最后對凹坑部分進行連通域標記計算與分析。

圖像分割是區分凹坑與其余磨損區域的重要環節， 其算法的選擇直接影響著圖像處理的效率與準確性。 圖像分割算法主要有固定閾值算法與自適應閾值算法兩類。 固定閾值算法在每次處理不同工況下收集而來的大量磨損圖片都需要人為設定閾值， 比較繁瑣， 效率低。 而采取自適應性的閾值算法， 例如Otsu閾值分割算法， 由算法多次自動計算閾值， 可以避免多次設置閾值。 文中采用Otsu 算法完成圖像分割。Otsu 算法是經典的自適應閾值分割算法［12］， 其核心思想可由式（3） 表示：

假設圖像閾值為T，u0為灰度值小于T的像素平均值，w0為灰度值小于T的像素概率，u1為灰度值大于T的像素平均值，w1為灰度值大于T的像素概率，u為全部像素點平均值。 當g取得最大值時的T則為最佳閾值， 如公式（4） 所示。

式中：f（x，y） 為點（x，y） 的像素值；h（x，y）是分割后的二值圖像。

表面形貌圖像可被式 （4） 分為凹坑部分與背景。

對二值圖像采用形態學中開運算和閉運算處理后可平滑凹坑部分的輪廓， 再使用Matlab 中bwareaopen函數刪除面積小于0.004 mm2的凹坑以消除磨屑與微小的凹坑影響。

在二值分割完成后的磨損圖像中， 凹坑部分具有相同的灰度值， 也就組成了一個連通域， 每個連通域都是一個獨立的凹坑。 對連通域進行掃描標記處理后， 圖像中具有相同標記值的像素就組成了同一個連通區域， 每個連通域上都被標數并被方框圈起， 圖4 （b）經過圖像處理后的最終結果如圖6 所示。

第二十七條規定：“流域管理機構負責組織流域內全國重要江河湖泊水功能區的監測評價，對含有省界斷面的水功能區（包括省界緩沖區）、流域管理機構直接管理的河道（河段）、湖泊、水庫的水功能區水量、水質、水生態實施日常監測評價，對其他水功能區實施監督性監測?！?/p>

圖6 圖像處理結果Fig.6 Image processing results

依據顯微鏡圖像實際視野大小與磨損圖片的分辨率換算得到每個像素點為1 μm2的小面積塊， 使用度量圖像區域屬性的函數regionprops 可測得各個連通域的像素點總數， 進而可計算出單個凹坑的面積。 文中先計算出所有圖像的單個凹坑面積平均值， 再計算其平均值作為滑板表面的單個凹坑值。 相同測量區域的凹坑數量也為所有圖像中平均凹坑數量的平均值。

3 結果與討論

3.1 電流對滑板表面磨損特征的影響

圖7 （a） — （d） 所示是在接觸壓力80 N、 滑動速度90 km／h、 不同電流條件下的載流效率、 電弧能量、 摩擦因數和溫度實測曲線。 電流對磨損表面特征的影響如圖7 （e）、 （f） 所示。

圖7 接觸電流對載流效率（a）、 電弧能量（b）、摩擦因數（c）、 溫度（d）、 凹坑面積和數量（e）、 粗糙度參數（f） 的影響Fig.7 Effect of the contact current on current-carrying efficiency（a）， arc energy （b）， friction coefficient （c），temperature（d）， size and number of pits （e）， roughness parameter （f）

由圖7 （f） 可知， 電流為0 時Rv值最大， 當加入電流后Rv值先迅速減小， 然后隨著電流的增大有略微減小的趨勢。 當電流為0 時摩擦副沒有傳導電流， 此時摩擦副的滑動摩擦作用是導致接觸表面狀態改變的主要因素， 滑板磨耗的機制是機械磨損。 由圖7 （d） 可知， 當線路不載流時， 滑板表面溫度只有43.6 ℃， 此時摩擦副表面熱量主要來源于機械摩擦生熱； 當電流升高到250 A 時， 滑板表面溫度為258℃， 在接觸壓力與滑動速度不變的條件下， 溫度升高的主要原因是由于接觸電流的增大， 使焦耳熱隨之迅速增加。 隨著溫度的升高， 滑板接觸表面內鑲嵌的銅金屬材料與空氣發生氧化反應， 并在表面形成具有潤滑作用的氧化膜［13］， 因此摩擦因數減小， 滑板表面越來越光滑， 所以隨著電流增大粗糙度參數呈減小趨勢。

由圖7 （e） 可知， 滑板表面凹坑面積和數量隨電流的增大而增大。 電流增大會溫度升高從而造成滑板表面材料的軟化和力學性能降低， 加劇塑性形變，增大摩擦副間接觸面積， 加劇了黏著磨損， 使得表面凹坑面積和數量隨電流增大而增大。 如圖7 （b） 所示， 當電流增大時， 電弧放電能量增大， 表面滑板受到的電弧侵蝕更加嚴重［14］， 使得滑板表面凹坑面積不斷增大。

3.2 接觸壓力對滑板表面磨損特征的影響

圖8 （a） — （d） 所示是在電流150 A、 滑動速度90 km／h、 不同接觸壓力條件下的載流效率、 電弧能量、 摩擦因數和溫度實測曲線。 接觸電流對磨損表面特征的影響如圖8 （e）、 （f） 所示。

圖8 接觸壓力對載流效率（a）、 電弧能量（b）、摩擦因數（c）、 溫度（d）、 凹坑面積和數量（e）、 粗糙度參數（f） 的影響Fig.8 Effect of the contact pressure on current-carrying efficiency（a）， arc energy （b）， friction coefficient （c），temperature（d）， size and number of pits （e） and roughness parameter （f）

由圖8 （e） 可知， 當接觸壓力增大時， 滑板表面凹坑面積逐漸減小， 凹坑數量呈現先減小后略微增大的趨勢。 摩擦副在工作狀態下是由無數個微凸峰相接觸導電與承受載荷的， 接觸壓力的大小直接影響著微凸峰的形變情況， 相同條件下接觸壓力越大微凸峰接觸半徑越大。 由圖8 （a）、 （b） 可知， 當接觸壓力增大時， 離線率下降， 電弧能量減小， 摩擦副載流效率增大。 接觸壓力的增大使得摩擦副微凸體更加緊密， 導電微凸體數量的增加提高了載流效率， 但增加到90 N 后導電微凸體數量到達飽和值， 載流效率趨于平穩。 在接觸壓力為60 N 時的電弧釋放能量最大，說明發生了多次電弧放電， 電弧對滑板表面的頻繁侵蝕使得在接觸壓力較小時凹坑面積較大、 數量較多。當接觸壓力為100 N 時， 微凸峰所受法向壓力足夠大到其變形甚至剝落， 加劇了黏著磨損， 凹坑數量略微升高。

如圖8 （d） 所示， 隨著接觸壓力的上升滑板表面溫度呈下降趨勢。 這是因為接觸壓力上升， 電弧能量減小。 電弧放電時會產生3 000 ～5 000 K 的高溫［15］， 雖然摩擦熱隨著接觸壓力的增大而增大， 但頻繁發生的電弧仍是影響溫升的主要因素［16］。

由圖8 （f） 可知， 粗糙度參數隨著接觸壓力的增大而減小。 圖9 所示為接觸壓力為60 N 時的表面形貌圖像， 圖像中凹坑面積平均值為0.039 6 mm2，凹坑數量有24 個， 可以看出此時滑板表面凹坑面積較大且數量較多， 受電弧侵蝕明顯。 在接觸壓力較小時的粗糙度參數都偏大， 原因是電弧的頻繁燒蝕造成滑板表面的燒蝕坑增多， 滑板表面十分粗糙， 同時這也是該條件下摩擦因數較大的原因。 接觸壓力的增大使得電弧侵蝕現象減少， 滑板表面凹坑深度減小， 因此， 粗糙度參數Rv隨著接觸壓力的增大而減小。

圖9 接觸壓力為60 N 條件下的表面形貌Fig.9 Surface morphology under contact pressure of 60 N

3.3 滑動速度對滑板表面磨損特征的影響

圖10 滑動速度對載流效率（a）、 電弧能量（b）、摩擦因數（c）、 溫度（d）、 凹坑面積和數量（e）、 粗糙度參數（f） 的影響Fig.10 Effect of the sliding velocity on current-carrying efficiency（a）， arc energy （b）， friction coefficient （c）， temperature（d）， size and number of pits （e）， roughness parameter （f）

由圖10 （e） 可知， 滑板表面凹坑面積和數量隨滑動速度的增大而增大。 滑動速度的增加代表著摩擦副微凸峰間的接觸時間縮短并且剪切作用力更大， 這種劇烈的摩擦使得摩擦副機械振動加重， 微凸峰的加速分合使電弧頻繁發生， 增大了電弧放電的概率。 摩擦副載流效率和電弧能量如圖10 （a）、 （b） 所示，隨著滑動速度的增加， 弓網接觸穩定性變差且電弧燒蝕頻發導致載流效率下降和電弧釋放能量提高［17］。由圖10 （d） 可知， 滑板表面溫度隨著滑動速度的增大而升高， 原因是電弧熱與摩擦熱隨著滑動速度的增大而增大。 摩擦熱Q的公式定義為

式中：μ代表摩擦因數；F代表接觸壓力；v代表滑動速度。

溫度升高使得滑板表面材料軟化， 減小了摩擦因數， 對溫升起到一定抑制作用［18］。 因此凹坑面積與數量隨速度增大的原因是高溫材料軟化造成的黏著磨損加劇以及電弧侵蝕嚴重。

由圖10 （f） 可知， 粗糙度參數隨著滑動速度的增大而增大。 載流效率在110 km／h 時最小， 表明此時接觸狀態最差。 圖11 所示為該條件下的表面形貌圖像， 可觀察到較寬的犁溝與較大的凹坑。

圖11 滑動速度為110 km／h 條件下的表面形貌Fig.11 Surface morphology under sliding velocity of 110 km／h

接觸線的材料為銅， 滑板主要材料為碳， 兩者在相對運動時硬度較大的銅在滑板上會剮蹭下來磨屑， 磨屑在摩擦副接觸表面上滾動使得碳滑板表面形成犁溝。 滑板表面存在一些較大的凹坑， 說明發生過嚴重的黏著磨損或電弧侵蝕。 在高速條件下微凸峰橫向變形加劇， 嚴重的黏著磨損和電弧燒蝕使得滑板表面更加粗糙， 凹坑深度增大。

3.4 不同材料的滑板表面磨損特征分析

為了探究不同滑板材料的表面磨損特征規律結論是否一致， 將浸銅碳滑板更換為純碳滑板， 并以相同實驗方法進行測試。 圖12 所示是在接觸壓力80 N、滑動速度90 km／h、 不同電流條件下碳滑板磨損區域中央位置的表面形貌。 可知， 當接觸電流為50 A 時，滑板表面凹坑面積較小， 表面存在多條較窄的犁溝；隨著接觸電流的增大， 滑板表面凹坑面積和數量逐漸變大， 說明黏著磨損與電弧侵蝕現象逐漸加劇。 雖然2 種滑板的材質存在差異， 但在相同實驗條件下的磨損機制相同， 因此可初步判定這2 種滑板的表面磨損特征規律大致相同。

圖12 不同接觸電流下碳滑板表面形貌Fig.12 Surface morphology of carbon strip under different contact current conditions： （a） 50 A；（b） 100 A； （c） 150 A； （d） 200 A

為了準確分析2 種碳滑板的凹坑面積與數量變化趨勢， 進一步對純碳滑板的磨損表面圖像進行處理，處理結果如圖13 所示， 可見2 種滑板表面的凹坑面積和數量的變化趨勢相同， 且純碳滑板的凹坑面積和數量總是小于浸銅碳滑板。 這是由于浸銅碳滑板表面浸漬的銅金屬易與純碳接觸線發生黏著磨損， 表面材料剝落現象更加嚴重， 使得滑板表面更易出現大面積的剝落坑。 金屬銅的相變溫度低于碳， 在發生電弧燒蝕時銅材料更易發生氣化， 材料損失現象更嚴重， 因此浸銅碳滑板表面的燒蝕坑面積大于純碳滑板表面的燒蝕坑面積［19］。

圖13 不同接觸電流下純碳滑板和浸金屬碳滑板表面磨損特征Fig.13 Surface wear characteristics of pure carbon strip and immersed metal carbon strip：（a） pit area； （b） pit number

4 結論

（1） 提出使用滑板表面凹坑面積、 凹坑數量、粗糙度參數Ra和Rv反映滑板磨損特征。

（2） 滑板表面粗糙度參數Ra和Rv隨電流和接觸壓力的增大而減小， 隨滑動速度的增大而增大。

（3） 滑板表面單個凹坑的面積和凹坑數量隨電流和滑動速度的增大而增大。 隨著接觸壓力的增大滑板表面凹坑面積減小， 凹坑數量呈先減小后略微增加趨勢。