空氣濕度對浸金屬碳滑板磨耗的影響研究

程軍營，陳 交，吳積欽，韓 峰，梁中林

0 引言

受電弓安裝于電氣列車車頂，電氣列車通過受電弓滑板與接觸線接觸取得電能。受電弓與接觸網構成的系統（即弓網系統）是電氣列車的主要取流方式，是固定設備和移動能量消耗設備（即車輛）之間聯系的紐帶[1]。在運行的過程中，弓網系統之間的摩擦磨損不可避免。浸金屬碳滑板既具有粉末冶金滑板機械強度高、電阻率小的特點，又具有純碳滑板對接觸線磨耗輕微、在接觸線摩擦表面易形成潤滑膜和耐電弧的優良性能，是對接觸線適應能力較強的滑板材料，在電氣化鐵路和城市軌道交通線路中得到了廣泛應用[2-4]。現場運行顯示，在冬季空氣干燥時，浸金屬碳滑板的磨耗速度會大幅提高，導致更換頻率高，維護成本急劇升高。

文獻[5]通過對浸金屬碳滑板進行浸泡、灑水模擬潮濕環境，發現隨著潮濕度增加，滑板磨損呈現“U”形變化趨勢，曲線的最低點即為空氣最佳潮濕度。空氣濕度高于或低于空氣最佳潮濕度，均會增大磨耗。本文從浸金屬碳滑板的摩擦磨損影響機理出發，利用空氣濕度可控的摩擦磨損等效試驗裝置進行試驗。

1 理論分析

在不同空氣濕度條件下，不同濃度的水蒸氣會吸附在摩擦接觸表面，不但影響摩擦界面的傳熱條件和接觸界面的表面膜，而且與空氣中的氧氣共同作用使摩擦副材料發生氧化等化學反應，生成不同的化學產物，影響弓網之間接觸電阻、造成燃弧放電等情況，降低弓網運行性能。空氣濕度對浸金屬碳滑板磨耗的影響機理主要可總結為以下3點：

（1）浸金屬碳是以碳材料為基體、銅等金屬為增強相的固體自潤滑復合材料，其發揮自潤滑作用的基礎是在滑板與接觸線之間形成一層連續完整的石墨潤滑膜，且潤滑膜層間具有較低的抗剪切強度。石墨是一種單質層狀固體潤滑劑，但其優異的摩擦學性能依賴于對水分子的吸附[6-7]。空氣濕度的變化會直接影響浸金屬碳滑板的自潤滑能力。

（2）接觸電阻與載流摩擦時接觸點產生的焦耳熱密切相關，會直接影響滑板溫升，對滑板磨損量造成影響。接觸電阻的大小由膜電阻和收縮電阻組成。

電流傳導面積減少造成局部附加電阻的產生，即為收縮電阻。假定ρ1、ρ2為接觸副材料的電阻率，導電斑點數目為n，導電斑點為半徑α的圓形，A為導電面積，則多個導電斑點的收縮電阻可表示為

可以看出，收縮電阻的大小取決于導電斑點的數目和總導電面積的大小以及材料的導電率。

膜電阻是電流流經接觸元件接觸表面上的粘著薄膜、表面晦暗膜及界面潤滑膜等其他薄膜時的附加電阻[8]。空氣濕度變化會直接影響接觸表面吸附的水膜狀態，影響導電斑點數目與膜層厚度。

（3）在浸金屬碳滑板與接觸線由接觸良好狀態轉為離線狀態后，兩者表面電位差增加，電子得到動能加速。電子碰撞粒子后產生大量新的電子和正離子，導致振蕩運動得到進一步加強，進而可能形成電子崩，最終產生電弧。根據湯遜理論，燃弧現象發生的基礎是電子崩的形成。空氣濕度的增加會提高空氣中水分子的數量，水分子體積較大，且容易在空氣中形成大水簇并吸附其他氣體分子。一方面，會增大自由電子與粒子碰撞的概率，使得自由電子與大水簇一次碰撞便可能產生多個自由電子；另一方面，水分子相對N2等氣體電離能較低，也更易被電離從而產生自由電子。此外，電子在濕度高的空氣中漂移速度遠大于其在干燥空氣中的漂移速度，這主要是由水分子較高的偶極矩引起。這些原因均導致空氣濕度增大會加劇燃弧現象。空氣濕度影響燃弧情況，直接對滑板磨耗造成影響。

2 磨損試驗

2.1 試驗設備

試驗在空氣濕度可控的摩擦磨損等效試驗裝置上進行。將接觸線安裝在旋轉圓盤上，通過圓盤旋轉帶動接觸線運動。受電弓固定裝置配有直線電機，可沿滑板橫向運行，實現受電弓實際“之”字形運行中對拉出值的模擬，如圖1所示。空氣濕度的控制則由防護房和除濕機配合實現，防護房為摩擦磨損試驗臺的運行提供密封環境，并使用除濕機控制防護房內的空氣濕度。

圖1 摩擦磨損等效試驗裝置

采用電壓、電流傳感器檢測接觸點兩端的電壓U、電流I，計算得到接觸電阻R（R=U/I）。

弓網離線燃弧時會產生大量的紫外光，可采用紫外光傳感器配合高速相機作為燃弧檢測設備，得到燃弧情況相關數據。用精密電子天平對試驗前后滑板的質量進行對比測量，求差得到磨損量。

2.2 試驗材料

試驗所用的浸金屬碳滑板為城軌地鐵現役浸金屬碳滑板，其組成成分為80%C，20%Cu，主要性能參數見表1。

表1 浸金屬碳滑板相關參數

2.3 試驗參數

試驗參數如表2所示。根據列車實際運行情況，單架受電弓靜態接觸力通常為120 N。試驗所用浸金屬碳滑板為雙滑板受電弓配套滑板，所以單滑板靜態接觸力設定為60 N。滑動速度選取地鐵實際運行中的常規速度，取80 km/h。

表2 試驗參數

2.4 試驗結果及分析

2.4.1 接觸電阻

圖2所示為不同空氣濕度下接觸電阻統計結果。可以看出，隨著空氣濕度的增加，接觸電阻呈現出先減小后增大的“U”形變化趨勢。空氣濕度為2 g/m3時，接觸副表面吸附的水分子較少，接觸斑點數目較少，僅由接觸表面的部分粗糙尖峰實現電流傳導。空氣濕度增大到4、6 g/m3時，由于毛細管力的作用首先會在接觸表面的凹谷聚集吸附，使得電流可能通過凹谷中吸附的水膜傳導，導致接觸斑點數目增多，減小了接觸電阻。但隨著空氣濕度的進一步增大，達到8、10 g/m3時，浸金屬碳滑板和接觸線的接觸表面都吸附了更完整、厚度更厚的水分子層，水膜的完整性和連續性得到增強，此時接觸斑點數目逐漸飽和，空氣濕度的變化并不會使接觸斑點數目發生很大變化，但膜電阻與水膜厚度呈正線性相關關系，故隨著接觸表面水分子厚度進一步增加，膜電阻和接觸電阻均逐漸增大。

圖2 不同空氣濕度下接觸電阻

2.4.2 燃弧情況

圖3為不同空氣濕度下燃弧次數、平均燃弧時間的數據統計圖。可以看出，燃弧次數、平均單次燃弧時間均與空氣濕度呈正相關性。在空氣濕度為10 g/m3時，燃弧次數相較空氣濕度2 g/m3時多了866次，增長了35.8%；平均燃弧時間增加了0.76 ms，增長了5.24%。空氣濕度為2 g/m3時，空氣中的水分子較少，要達到形成電子崩的條件較為困難，所以燃弧次數相對空氣濕度10 g/m3時大大減少。同理，隨著空氣濕度的增加，平均燃弧時間的增長也是因為空氣中水分子的增多使得放電閾值下降。電弧主要從3個方面對滑板產生侵蝕作用：接觸副質量變化、接觸副成分變化、接觸表面形貌變化。由于電弧等離子體對滑板材料的熱傳導會使得接觸區域溫度急劇升高，導致滑板中銅等浸漬金屬材料熔化腐蝕脫落、碳材料的升華等，還會促進材料的氧化、增大滑板接觸表面的粗糙度，進而加劇浸金屬碳滑板的磨損。

圖3 不同空氣濕度下燃弧數據

2.4.3 磨損量

磨損量可以直觀清晰地反映出滑板的磨損情況。圖4顯示了不同空氣濕度下滑板磨損量。可以看出，隨著空氣濕度的增大，滑板磨損量逐漸下降，且下降趨勢逐漸放緩。

圖4 不同空氣濕度下滑板磨損量

在空氣濕度為2 g/m3時，滑板磨損量最大，達到了1.45 g，是10 g/m3時的4.68倍。這主要是因為浸金屬碳作為一種固體自潤滑復合材料，其發揮潤滑作用的基礎是在滑板與接觸線之間形成石墨潤滑膜，使相對運動發生在潤滑膜中。但石墨的潤滑作用非常依賴于對水分子的吸附，在空氣濕度為2 g/m3時石墨分子由于無法吸附到足夠的水分子，其潤滑作用極差，此時可以認為浸金屬碳滑板與接觸線之間發生的摩擦為干摩擦，接觸表面微凸體直接接觸，進而產生彈塑性變形，導致產生了較大的滑板材料磨損。且此時接觸電阻較大，滑板材料受到的熱應力更大，這也是磨損量較大的原因之一。

隨著空氣濕度的增加，在空氣濕度為4、6 g/m3時，滑板磨損量依次降低了0.76 g、0.32 g，均出現了大幅度的下降。這是因為空氣中水分子的增加使得石墨得以吸附更多的水分子，棱面的表面能下降，層與層之間更容易發生相對滑動，浸金屬碳滑板的自潤滑特性逐漸得以展現。空氣濕度的增加也降低了接觸電阻，使得滑板的溫升和溫度梯度得到了抑制，減少了熱應力分布不均引起的滑板材料表層及亞表層塑性形變乃至疲勞劣化。

隨后在空氣濕度為8、10 g/m3時，磨損量下降趨勢放緩，基本保持不變。一方面因為此時石墨吸附的水分子基本飽和，滑板表面已經基本可以形成水膜和石墨共同組成的潤滑層，空氣濕度的增加不能很好地繼續改善其潤滑性能；另一方面，空氣濕度的增大使得燃弧情況惡化，且接觸電阻的增大會使得接觸點的溫升增大，滑板材料受到的熱應力隨之增大，導致脆斷裂紋、層狀剝落等現象更易發生。上述原因都促進了滑板材料的損失，抑制了磨損量的下降趨勢。

2.4.4 表面形貌

圖6所示為空氣濕度為2、10 g/m3時滑板的摩擦表面形態。可以看出：空氣濕度為2 g/m3時，滑板表面產生較多的犁溝、凹坑和劃痕，磨損痕跡明顯，基本沒有明亮光滑的潤滑膜存在；空氣濕度為10 g/m3時，滑板表面磨損痕跡相對較少，僅滑板下半部分存在一些較為密集的劃痕，且明亮光滑的潤滑膜已經覆蓋在接觸表面的大部分區域。

圖6 不同空氣濕度下滑板表面形態

3 結論

（1）隨著空氣濕度的增加，弓網接觸電阻呈現出先減小后增大的“U”形變化趨勢。主要原因是在空氣濕度較低時空氣濕度的增加首先起到了增加接觸斑點數目的作用，而在空氣濕度較高時則主要增加了接觸表面吸附的水膜厚度。

（2）燃弧次數、平均燃弧時間與空氣濕度具有正相關性。因為水分子電離能較低，更易被電離產生自由電子，且空氣中更多的水分子會增大自由電子與粒子碰撞的概率。

（3）空氣濕度變化顯著影響浸金屬碳滑板的磨損量。在空氣濕度較低時，滑板磨損量激增，在空氣濕度大于6 g/m3后，磨損量基本不變。空氣濕度達到或大于6 g/m3時，浸金屬碳滑板磨損量相對較小。

（4）空氣濕度為2 g/m3時，滑板表面磨損痕跡明顯，基本沒有潤滑膜；空氣濕度為10 g/m3時，滑板表面磨損痕跡較少，潤滑膜已經覆蓋在接觸表面大部分區域。