不同電流下的電弧侵蝕對浸銅碳滑板/鉻鋯銅接觸線磨損機理的影響

劉新龍, 周朝偉, 王冬云, 周新建, 胡明捷, 關 欣,張武略, 鄭伊亭, 高明生, 楊文斌, 肖 乾

(1. 華東交通大學 智能交通裝備全壽命技術創新中心, 江西 南昌 330013;2. 浙江師范大學 浙江省城市軌道交通智能運維技術與裝備重點實驗室, 浙江 金華 321004)

弓網系統是列車重要的引流裝置，它主要是由受電弓碳滑板/接觸線構成的一對摩擦副組成[1](圖1)，也是直接暴露在大氣環境中的關鍵部件之一，極易受到外部環境的影響. 良好的弓網匹配是保證列車快速、穩定運行的關鍵因素. 列車運行過程中，由于接觸線硬點、滑板磨耗不均、輪軌不平順以及橫風作用拉出值變化[2]等因素，會對弓網之間的接觸壓力產生負面影響，引起受電弓和接觸線分離，弓網離線瞬間，當碳滑板和接觸線之間的電壓高于臨界起弧電壓時，必然會引發離線電弧[3]，這種電弧會產生能量極高的電弧能量，直接導致碳滑板和接觸線表面發生熔焊、汽化和濺射等異常損傷[4-6]，嚴重加速了碳滑板的損傷，折損其服役壽命. 弓網電弧同時也會對接觸線產生破壞，使接觸線表面發生燒蝕，表面變得坑坑洼洼，甚至直接導致接觸網斷線.

Fig. 1 SEM and EDS analysis of carbon skateboard and contact wire圖1 碳滑板和接觸線表面的SEM照片和EDS表征

針對弓網電弧的研究，陳光雄等[7-8]的研究發現，碳滑板和接觸線之間的離線距離較小時，主要發生氧化和黏著磨損，離線距離較大時，主要發生電弧燒蝕，在較低電流時，主要磨損機制為機械磨損. 而在大電流或者高速工況下運行時，電弧燒蝕是其主要的磨損形式. 楊紅娟等[9-10]通過高速載流磨損試驗機，探討并研究了不同工況下的電弧放電對分層磨損的作用機理. 梅桂明等[11-12]探討了碳滑板的分層磨損和電弧形成機理，并指出電弧燒蝕加速了碳滑板的磨損量. 郝靜等[13]的研究發現碳滑板和接觸線的熔池半徑隨著電流的增加而增大. 劉恩鵬等[14]對重慶6號線列車受電弓碳滑板進行分析，確認導致碳滑板V型異常磨耗的原因是弓網拉弧導致溫升引起電氣磨耗加劇所致.于曉英等[15]使用紅外熱成像儀及基于光學方法，對弓網電弧進行檢測和分析，發現弓網電弧的能量場以及燃弧時長與電弧溫度呈正相關，隨著弓網電弧強度及持續時間的增長,電弧溫度呈現升高趨勢. 黃樹智等[16]對剛性接觸網運營后期弓網異常磨耗產生的原因進行了分析，并提出弓網之間在磨合期會產生大量的拉弧現象，服役壽命末期的碳滑板表面質量逐漸惡化，加速了弓網間的異常磨耗. 江麗[17]的研究發現，隨著電流的增大，燃弧尖峰電壓降低，電弧重燃次數增加，電壓與弓網間隙距離呈指數增長的函數關系. 在低電壓情況下的大電流是引發弓網離線電弧發生重燃的主要影響因素. 碳滑板和接觸線的動態摩擦系數和接觸電阻是評估其服役特性的主要參數[18]，當弓網接觸狀態不佳時，接觸電阻會急劇增大，在接觸區域引發嚴重的過熱現象[19-20]. 目前的研究極少探討不同電流強度電弧侵蝕之后碳滑板與接觸線的載流磨損機理演變規律，本文中通過設計不同強度的電流，對碳滑板進行電弧侵蝕. 接著再進行載流磨損試驗，分析電弧沖擊對碳滑板的損傷和性能衰減機理.

1 試驗部分

1.1 試驗材料及制備

本研究中碳滑板材料采用由東南某公司生產的浸銅碳滑板. 接觸線采用Cr-Zr-Cu合金接觸線，接觸副材料的主要成分及物理性能列于表1和表2中. 碳滑板和接觸線加工成小試樣，樣品的掃描電鏡(SEM)照片和能譜(EDS)分析如圖1所示，碳滑板表面的C和Cu成分緊密貼合，分布均勻. 為了消除初始表面粗糙度的影響，對碳滑板樣品的接觸表面進行拋光處理，接觸線表面分別用400#、800#、1000#和1500#的金剛石砂紙進行表面打磨，除去表面不規則顆粒和氧化層.試驗環境為室溫環境，工況為干摩擦.

表2 浸銅滑板和接觸線的主要物理性能Table 2 Physical properties of carbon skateboard and contact wire

1.2 試驗方法

在進行載流磨損試驗之前，所有碳滑板樣品表面需經過電弧侵蝕處理，一共需要制備4種電流下(30、40、60和80 A)的電弧侵蝕樣品，每種工況至少制備3個樣品，并且有1組不經任何電弧侵蝕處理的碳滑板樣品作為對比分析.

碳滑板表面電弧侵蝕處理的方法如下：將碳滑板和接觸線安裝在試驗設備上下夾具上，使其處于良好的接觸狀態[圖2(a)]，接著分別施加不同的接觸副電流(30、40、60和80 A)；調整碳滑板和接觸線的接觸間隙，使碳滑板和接觸線逐漸脫離接觸，此時接觸載荷逐漸降為0 N，同時電弧開始燃燒，界面溫度迅速上升至1 200 ℃以上，碳滑板隨著電流的增加迅速被燒紅，如圖2(b)所示；隨后開啟試驗機，使電弧在碳滑板整個接觸區域進行燒蝕，當燃弧時間達到60 s時，立刻關閉電源和試驗機，表面電弧侵蝕的樣品已制備.

Fig. 2 Preparation method of electric arc erosion to the surface of carbon skateboard and the erosive samples圖2 碳滑板表面電弧侵蝕的制備方法以及制備好的樣品

采用SEM對碳滑板樣品電弧燒蝕損傷表面進行初步表征，并使用EDS對表面進行面掃測試，結果如圖3所示. 經過電弧侵蝕之后，碳滑板表面出現大量的離散顆粒和黑色侵蝕坑. 強烈的電弧能量導致銅顆粒從基體中析出，并熔焊在一起形成不規則的球狀顆粒[21-23]，沿著碳滑板電弧侵蝕區域堆積了大量的瘤狀物[圖3(a)和(d)黃色虛線以下、圖3(g)和(j)黃色虛線以上區域]，從EDS結果可知瘤狀物為銅的氧化物. 由SEM照片可知，在驟熱驟冷作用下形成的擴展裂紋，不平整的暗黑色區域主要為C元素分布. 隨著電弧侵蝕電流的增加，初始表面均勻的銅-石墨緊密結構被嚴重破壞，界面的Cu缺失更加嚴重. 碳滑板在經過電弧侵蝕之后，表面生成較厚的疏松層和熔焊層. 當電流達到80 A時，大量的球形瘤狀物在碳滑板邊沿處凝結[圖3(j)]，瘤狀物的直徑在10~90 μm左右.

Fig. 3 SEM micrographs and EDS analysis of tested carbon skateboard and contact wire by arc erosion:(a~c) 30 A; (d~f) 40 A; (g~i) 60 A; (j~l) 80 A圖3 電弧侵蝕后的碳滑板表面形貌的SEM照片以及EDS分析結果：(a~c) 30 A；(d~f) 40 A；(g~i) 60 A；(j~l) 80 A

經過電弧侵蝕之后的碳滑板作為塊試樣，在往復式載流摩擦磨損試驗機上采用塊-圓柱接觸方式進行碳滑板/接觸線的往復滑動磨損試驗，試驗設備如圖4所示. 本試驗主要是對比分析不同電流下的電弧侵蝕對碳滑板/接觸線載流摩擦磨損性能的影響，試驗參數設計為固定參數，具體參數列于表3中. 載流磨損試驗之后，采用SEM和白光干涉儀對碳滑板的磨損形貌進行分析測試，結合動態摩擦系數及接觸電阻，評估其服役性能差異. 為了減小試驗誤差，每個工況下的試驗均重復至少3次并采用平均值.

表3 試驗參數Table 3 Test parameters

Fig. 4 Friction test：(a) main body of tester; (b) data collection system; (c) sample sizes (1. skateboard fixture,2. wire fixture, 3. semiconductor cooling plate, 4. refrigeration fluid inlet and outlet)圖4 磨損試驗設備：(a)試驗機主體部分；(b)數據采集系統；(c)碳滑板與接觸線尺寸(1.碳滑板夾具，2.接觸線夾具，3.支撐板)

2 結果與討論

2.1 摩擦系數和接觸電阻

圖5 (a~b)是5組摩擦副的動態摩擦系數和接觸電阻(ECR)演變圖. 可見，摩擦副的摩擦系數隨著電弧侵蝕電流增加而上升，從0.036一直上升到0.065，電弧侵蝕電流為80 A時摩擦系數達到最大值(0.065)，當電弧侵蝕電流高于40 A時，摩擦系數的波動較為明顯，說明強烈的電弧沖擊導致碳滑板接觸界面發生了惡劣的變化，接觸匹配質量下降導致了接觸副的摩擦系數上升，5種工況下的摩擦系數總體演變趨勢較為平緩，沒有發生大幅度的上下波動. 從圖5(b)可見，無電弧侵蝕的碳滑板接觸副最大接觸電阻為6.2 mΩ，磨損過程中保持在5 mΩ左右波動. 侵蝕電流為30 A時，其接觸電阻為18 mΩ左右，高于40 A的接觸電阻. 隨著侵蝕電流達到60 A，其對應的接觸電阻發生了劇烈的波動，其瞬時最大電阻為28.7 mΩ. 在80 A時最大接觸電阻達到了34 mΩ，且波動幅值較大. 接觸電阻的劇烈波動說明強烈的電弧侵蝕破壞了碳滑板表面Cu/C的均勻組織結構. 接觸界面形成球形瘤狀物(圖3)隨著磨損的進行逐漸剝落成第三體顆粒，直接導致了接觸電阻的上升和波動. 從圖5(c)所示的平均摩擦系數和接觸電阻可知，摩擦系數隨著電弧侵蝕電流的增加而逐漸上升. 接觸電阻的總體趨勢隨著侵蝕電流的增加而上升，然而在40 A時出現較低的平均接觸電阻值，碳滑板的初始表面粗糙度隨著侵蝕電流的上升而增加，接觸電阻的總體變化趨勢與侵蝕電流成正比. 然而，當侵蝕電流為40 A時，存在1個表面粗糙度最佳值，在這個表面粗糙度下接觸電阻的總體變化較穩定且處于較低值[20].

Fig. 5 Friction coefficient and ECR of all tested samples：(a) friction coefficient; (b) ECR, (c) average friction coefficient and ECR圖5 接觸副的摩擦系數和接觸電阻：(a)摩擦系數；(b)接觸電阻；(c)平均摩擦系數和接觸電阻

2.2 接觸區域的溫升效應

圖6 所示為試驗過程中，采用紅外熱成像儀捕捉的接觸界面的紅外成像，以及在載流磨損試驗過程中接觸界面的溫升. 從圖6中可知，不同電流下的接觸區域溫升差異明顯，接觸區域的溫度主要集中在碳滑板和接觸線接觸區域. 無電弧侵蝕的碳滑板接觸副界面溫升是68.8 ℃. 在侵蝕電流為30 A工況下，其接觸區域的瞬時最大溫度為91 ℃，而在40 A時溫升略有下降，為73.4 ℃. 侵蝕電流為60 A時的界面溫度是108.4 ℃. 當侵蝕電流為80 A對應的是124.5 ℃. 可見接觸區域的溫升與前文所述的平均接觸電阻成正比.界面的溫升主要是由機械摩擦和焦耳熱產生的. 由于試驗參數一致，5種工況下的機械摩擦熱基本相似，差異較大的是碳滑板/接觸線界面焦耳熱導致的界面溫升，焦耳熱與接觸電阻的平方值成正比，因此當接觸電阻波動劇烈且處于較高值時，接觸區域的界面溫升也會上升至較高值[24].

Fig. 6 Infrared thermal imaging and the temperature rise of the contact areas圖6 接觸區域的紅外熱成像及溫升

2.3 磨損形貌及磨損機理

圖7 (a~d)是4種侵蝕電流工況下，碳滑板磨損形貌的SEM照片. 可見，4種工況下都未能觀察到連續的磨痕，表面磨痕邊沿處殘留了大量球狀顆粒凝結. 在磨損區域有明顯的犁溝，非磨痕區域有不規則的擴展裂紋和未被磨平的熔焊層[如圖7(a)和(b)中放大圖所示]. 由EDS圖可知，灰白色區域主要是Cu的氧化物分布，暗黑色區域的元素主要是C元素. 大小不一的電弧侵蝕坑出現在非磨損區域[如圖7(b)所示黃色箭頭所示]，并且當侵蝕電流增加時，電弧侵蝕坑更加密集.這是由于強烈的電弧能量沖擊導致碳滑板中的銅相大量析出并殘留下侵蝕坑. 另外，界面出現了不同程度的塊狀剝落，這是電弧侵蝕形成的疏松層和熔焊層與碳滑板基體的結合力較弱，在磨損的過程中容易發生塊狀剝落和脫離，并形成更多的離散顆粒[25-26]. 由以上結果可知，在4種電流工況下損傷界面均有明顯的犁溝，因此不同工況下主要的磨損機制為磨粒磨損和氧化磨損.

圖8 所示為碳滑板磨損區域的三維形貌和二維輪廓圖. 碳滑板磨痕區域外有許多不規則的坑洼區(如紅色箭頭所示)，這些是殘留的電弧燒蝕坑和剝落的熔焊層. 隨著侵蝕電流的增大，碳滑板的最大磨損深度呈非線性增加，其中40和60 A的最大磨損深度較為接近，分別是262.17和275.98 μm. 由圖8(d)可知，侵蝕電流為80 A的碳滑板磨損深度最大，為328.96 μm，幾乎是30 A的3倍，說明電弧侵蝕能量破壞了碳滑板表面的Cu/C組織結構，Cu/C之間的結合力降低，在磨損過程中易發生剝落.

Fig. 8 3D morphology and 2D profile of wear traces under different erosive current：(a) 30 A; (b) 40 A; (c) 60 A; (d) 80 A圖8 不同侵蝕電流下碳滑板磨損區域的三維形貌和二維輪廓圖：(a) 30 A；(b) 40 A；(c) 60 A；(d) 80 A

不同的侵蝕電流導致碳滑板表面出現大量的電弧侵蝕坑，且電弧的侵蝕能量與電流強度有關，電弧侵蝕導致接觸區域大量的銅顆粒液化并凝結是誘發磨粒磨損的主要原因. 在40 A時碳滑板/接觸線的摩擦系數和接觸電阻均出現了較低值，因此40 A對應的碳滑板粗糙度是“粗糙度最佳值”. 當侵蝕電流為30和40 A時，隨著載流磨損測試的進行，接觸界面的侵蝕坑逐漸磨平，接觸界面的磨損區域平穩；然而侵蝕電流為60和80 A時，由于電弧產生的侵蝕坑較深，磨損測試結束后，碳滑板接觸區域仍然殘留較多電弧侵蝕坑，在接觸區域有較多的接觸“凸峰”，容易產生應力集中導致界面持續產生磨屑. 綜上所述，電弧侵蝕之后的碳滑板表面凝結了大量的球狀顆粒，這主要是從基體材料析出的銅的氧化物[圖9(a)]，并在碳滑板表面形成不規則的熔焊層以及裂紋. 載流磨損測試開始時，這些球狀物顆粒與接觸線接觸，此時界面的有效導電路徑(圖9黃色箭頭所示)較少，因此初始接觸電阻較高. 載流磨損試驗過程中，球狀物逐漸被磨平并發生剝離[圖9(b)]，形成大量磨損顆粒. 隨著磨損試驗的進一步持續進行，接觸區域的磨損顆粒逐漸增多，接觸線和碳滑板的接觸狀態持續惡化，因此接觸電阻發生劇烈的波動. 然而由于碳滑板表面不規則區域逐漸磨平，一定程度上增加了界面的電流通過路徑[圖9(c)]，因此磨損后期接觸電阻有一定的下降趨勢.

Fig. 9 The wear mechanism during the current-carrying process：(a) copper substrate material precipitation process;(b) wear stripping process; (c) diagram of current path圖9 載流磨損過程中磨損機制分析：(a)銅基體材料析出；(b)磨損剝離過程；(c)電流路徑示意圖

3 結論

本文中探討了不同的電流下產生的電弧侵蝕對碳滑板表面載流磨損機理的影響，分析了不同的電流能量沖擊對碳滑板的損傷行為，比較了不同工況下的磨損機制和電弧的影響作用規律，結論如下：

a. 電弧侵蝕電流強度增加，碳滑板表面的Cu缺失更加嚴重，同時留下不規則電弧侵蝕坑、熔焊層和擴展裂紋.

b. 經電弧侵蝕之后，Cu從碳滑板表面大量析出并在碳滑板表面凝結成瘤狀物，Cu/C間的均勻結構被破壞是導致摩擦系數和接觸電阻上升的主要原因.

c. 載流磨損過程中，碳滑板/接觸線界面主要發生了磨粒磨損和剝落，引起接觸電阻劇烈波動；在磨損試驗后期，界面的不規則凹凸區域逐漸被磨平，接觸電阻有一定的下降趨勢.