不同表面形貌的接觸線對浸金屬碳滑板載流摩擦磨損性能的影響

何泉鑫，曾子毅，陳光雄，任文娟，2，趙鵬鵬，董丙杰

(1.西南交通大學摩擦學研究所，四川成都 610031；2.四川建筑職業技術學院，四川成都 610031)

受電弓是列車受流的重要元器件，在列車實際運行過程中，由于軌道不平順、列車晃動等原因，弓網間會產生劇烈的振動，使得弓網間的接觸狀態惡化，影響弓網間的受流質量[1]。弓網間的受流質量直接影響了列車運行安全，因此研究受電弓-接觸網間的載流摩擦磨損行為是很有必要的。

與常規摩擦磨損研究不同，載流摩擦磨損是受電弓和浸金屬碳滑板在加載電流條件下的摩擦行為，具備電流大、速度快、溫度高等特點[2]。浸金屬碳滑板具有良好的導電性和耐磨性，廣泛應用在高鐵和地鐵上，但其價格昂貴[3]。浸金屬碳滑板使用壽命的長短直接影響了實際運營成本。因此，對弓網間載流磨損性能的探究有著重要意義。

近年來，諸多學者通過自主設計的模擬試驗臺開展了載流摩擦磨損的試驗研究。雒賢華[4]研究了不同粗糙度碳滑板的載流摩擦磨損性能，試驗結果表明，粗糙度越大的碳滑板磨損量越高，并且不同粗糙度的碳滑板在運行30 min后的摩擦因數趨于相同。HU等[5]研究了純銅接觸線和銅銀合金接觸線與3種材料(鋁、銅、純碳)滑板的磨損情況，試驗結果表明，3種摩擦副均存在嚴重的材料轉移，其中鋁材料最嚴重，銅材料次之，純碳材料最少。CHEN等[6]利用銷盤試驗機研究了不銹鋼/銅基燒結合金材料摩擦副的載流摩擦磨損性能，試驗結果表明，銅基燒結合金材料的磨損量和摩擦因數隨電流的增大而增大，磨損形式主要是氧化磨損和黏著磨損。然而，目前幾乎所有試驗都是圍繞正常型面的接觸線進行研究。

滑板磨耗的上升往往伴隨著接觸線的異常磨損，而接觸線的異常磨損又會加劇弓網間的不平穩。接觸線的異常磨損使得接觸線無法保持正常的廓形，在磨損過程中會產生不同的橫截面形狀，而接觸線形貌的改變可能會影響弓網間的接觸關系。為此，研究不同形貌接觸線與浸金屬碳滑板間的載流摩擦磨損性能，對于弓網載流摩擦磨損機制的研究以及減少列車運營成本都有重要意義。本文作者利用地鐵現役的浸金屬碳滑板和銅銀合金接觸線，在環-塊式高速載流摩擦磨損試驗機上，研究3種不同型面的銅銀合金接觸線對載流摩擦磨損性能的影響，比較了不同接觸線型面下浸金屬碳滑板的摩擦因數、磨損量和溫升等。

1 試驗部分

1.1 試驗設備

采用環-塊式高速載流摩擦磨損試驗機進行試驗。試驗臺主要由底座、主電機、往復滑動裝置、旋轉盤、伺服電機等構成，設備示意圖如圖1(a)所示。旋轉盤上鑲嵌銅銀合金接觸線，旋轉盤半徑為550 mm，旋轉盤的速度在30～300 km/h內連續可調節。尺寸為125 mm×35 mm×25 mm的長方體滑板安裝在夾緊裝置內，通過滑輪裝置給摩擦副施加法向力，法向力的加載范圍為10～90 N。伺服電機帶動升降臺做周期性上下運動，模擬實際受電弓-接觸網之間的‘之’字形相對運動，升降臺的往復頻率設置為0.25 Hz，拉出值為±55 mm。

圖1 試驗機及摩擦副示意Fig.1 Schematic of test machine and friction pair：(a)schematic of current-carrying friction and wear test machine； (b)schematic of contact wire/strip friction pair

試驗采用KGBF-12-150 kW/180 V直流電供電，電流輸出范圍為0～600 A，輸出電壓0～180 V。利用精度為0.001 g的電子天平測得每組試驗前后滑板的質量來計算磨耗量。采用FLUKE Tix640型紅外測溫儀測得滑塊和接觸線50 min后(穩定運行階段)的溫度。用Quattor掃描電鏡(SEM)來觀察浸金屬碳滑板磨損后的表面形貌。此外，利用數據采集系統測得接觸摩擦副之間的壓降U、回路電流I、摩擦力Ff等數據，采集系統的采樣頻率為1 kHz。

1.2 試驗材料和試驗參數

試驗使用的浸金屬碳滑板為上海地鐵某線路正在服役的MY7A2型號，其元素含量如表1所示。試驗采用的銅銀合金接觸線銅、銀的質量分數分別為99.74%、0.08%。

表1 浸金屬碳滑板成分

以上海地鐵某線路實際運行工況為參考，選取地鐵穩定運行時的速度60 km/h為試驗速度，四滑板受電弓平均每塊滑板30 N的受力值[7]作為法向力進行模擬試驗。試驗所采用的3種形貌的接觸線分別為常規接觸線、麻點接觸線(麻點數量約占整個型面的20%)、斜切接觸線(傾斜角度為5°)。3種接觸線形貌如圖2所示。試驗接觸線形貌均是以地鐵線路服役的接觸線正常運營后測得的形貌為基礎進行設計的。每組試驗的滑動里程為60 km，每組參數重復進行多次，每組試驗結果取3次相近數據的平均值，試驗詳細參數如表2所示。

圖2 不同形貌接觸線實物圖和側視簡圖Fig.2 Physical drawing and side view diagram of the contact wires for different topography：(a)conventional topography contact wire；(b)contact wire with pitted morphology； (c)contact wire with slanted topography

表2 試驗參數Tab.2 Test parameters

1.3 試驗參數的計算

在試驗過程中，接觸副的摩擦力不斷在變化，為了反映其表面的接觸狀況，引入摩擦因數，其計算公式如下：

(1)

式中：K為樣本的總個數；FNi為實時采集的摩擦力數據；Fn為加載的法向力；μ為平均摩擦因數。

磨損量是衡量載流摩擦磨損性能的重要參數，其計算公式如下：

Δm=m1-m2

(2)

式中：m1為試驗前滑板的質量；m2為試驗后滑板的質量；Δm為試驗前后滑板的質量差值，即磨損量。

列車運行中弓網間的振動會引起滑板和接觸線的分離，在電流作用下會發生電弧放電現象。電弧能量的大小在一定程度上可以衡量滑板與接觸網在運行過程中的接觸情況，其計算公式如下：

(3)

式中：e為運行過程中的平均電弧能量；U為接觸線和滑板之間的壓降；I為線路實際通過的電流；t為每組試驗的時間。

2 試驗結果與討論

2.1 不同形貌接觸線對摩擦因數的影響

摩擦因數是衡量載流摩擦磨損性能的重要參數之一。圖3顯示了不同形貌接觸線在速度為60 km/h、法向力為30 N的情況下摩擦因數隨電流的變化曲線?？梢钥闯?，斜切接觸線的摩擦因數始終最高，麻點接觸線的摩擦因數次之，常規接觸線的摩擦因數最低。

由于常規接觸線的表面平整、完好，在對摩過程中接觸良好，所以摩擦因數相對較低。麻點接觸線相對于常規接觸線，表面多了一些燒蝕坑，在接觸線與滑板運行過程中，接觸線上燒蝕坑底部相對于滑板產生了離線，進而發生電弧，增加了放電發生的頻率，從而惡化了接觸線與滑板的接觸[8]，故麻點接觸線接觸副的摩擦因數高于常規接觸線。斜切接觸線的接觸面是一個5°的斜面，相當于在接觸線與浸金屬碳滑板的某些位置直接制造了兩者離線的接觸狀態，接觸線與滑板的接觸面積與麻點接觸線相比更小。在試驗過程中，由于斜面的存在滑板與接觸線的接觸面積減小，并且接觸線的斜面始終與滑板保持離線的狀態，在電流的作用下產生持續的電弧，造成接觸線與滑板磨損的加劇。因此，與麻點接觸線相比斜切接觸線工況下的摩擦因數更高。

從圖3還可以看出，麻點、斜切接觸線工況下的摩擦因數隨著電流的增加呈現上升的趨勢，這是因為隨著電流的增加，麻點接觸線上的燒蝕坑和傾斜接觸線上的斜度使得接觸副間的放電更加劇烈，在電弧的作用下接觸線表面變得粗糙，接觸時的犁削分量和微凸體的變形量也會增加[9-10]，所以2種工況下的摩擦因數與電流大小成正比。由于麻點接觸線相對于斜切接觸線來說，放電頻率更低，故麻點接觸線的摩擦因數隨電流的變化率會稍低一些。常規接觸線下滑板的摩擦因數隨電流的增加而減小，這是因為隨著電流的增大，接觸副的溫度升高，使得材料發生軟化[11]，接觸線與滑板間接觸面積增大，同時試驗過程中氧化膜[12]的生成也減小了接觸副間的摩擦因數。

圖3 不同形貌接觸線的摩擦因數隨電流的變化Fig.3 Variation of friction coefficient of the contact wires of different morphologies with current

2.2 不同形貌接觸線對電弧能量的影響

在速度為60 km/h、法向力為30 N的情況下不同形貌接觸線的電弧能量隨電流的變化如圖4所示?？梢钥闯?，3種形貌接觸線的電弧能量都隨電流的增大而增大，其中傾斜形貌的接觸線放電強度最高，麻點形貌接觸線次之，正常形貌接觸線放電強度最低。電流的增加會引起放電強度的加劇，導致電弧能量的增大。在接觸壓力不變的情況下，與正常形貌接觸線相比斜切接觸線、麻點接觸線與滑板接觸面積的減小[13]也增加了運行的不穩定性。

圖4 不同形貌接觸線下電弧能量隨電流變化Fig.4 Variation of arc energy of the contact wires of different morphologies with current

在非正常形貌接觸線中，斜切接觸線由于斜面的存在與滑板在某些位置始終處于離線的狀態，載流運行時的持續放電是造成斜切接觸線電弧能量最大的主要原因。而麻點接觸線表面上存在燒蝕和凹坑，每個燒蝕坑底部與滑板之間也存在離線接觸的情況，這會產生許多很小的放電。與正常形貌接觸線相比，有麻點時的放電強度更大。故麻點接觸線的累計電弧能量高于正常形貌接觸線。

2.3 不同形貌接觸線對滑板磨耗量的影響

圖5所示為不同形貌接觸線下浸金屬碳滑板在速度為60 km/h、法向力為30 N的工況下磨損量隨電流的變化曲線?？梢钥闯?，3種接觸線形貌下浸金屬碳滑板的磨損量均隨電流的增大而增大。從已有的研究[14-15]來看，浸金屬碳滑板的磨損主要是由電弧燒蝕和機械磨損引起的，并且電弧燒蝕占主導作用。這是因為隨著電流的增大，離線產生的電弧會更加強烈，滑板表面的燒蝕現象更為嚴重，滑板磨損加劇。

從圖5中還可以看出，在電流較低時，常規接觸線下的滑板磨耗量略低于麻點接觸線，在電流到達300 A時，它們的差距驟增。這是因為低電流時，麻點接觸線上燒蝕坑的放電頻率較低，而且接觸副相對運動速度較快，電弧剛剛產生就被熄滅，因此兩者差距較小。大電流時，麻點接觸線燒蝕坑與滑板間的電場強度變大，任何細微的振動沖擊都有可能導致電弧放電的產生，使滑板磨耗增大。斜切接觸線下滑板的磨耗量始終高于常規接觸線和麻點接觸線，這是因為，斜切接觸線與滑板的接觸面積減小，并且無論是否存在沖擊，接觸線斜面與滑板始終處于離線狀態，使得電弧頻繁產生，并且電弧強度隨電流的增加而增大，所以與斜切接觸線組成摩擦副的滑板磨耗量始終高于其他2種。

圖5 與不同形貌接觸線對摩時滑板磨損量隨電流的變化Fig.5 Variation of the wear amount of strip with current when rubbing with the contact wires of different morphologies

2.4 不同形貌接觸線下浸金屬碳滑板的溫升

溫度是衡量滑板磨損量的重要因素，摩擦副的熱量由機械摩擦熱、電弧熱、焦耳熱組成[16]，并且電弧熱和焦耳熱是熱量產生的主要來源。圖6給出了速度60 km/h、法向為30 N工況下不同形貌接觸線下滑板溫度與電流的關系。圖6中，3種形貌接觸線作用下的滑板溫度均隨電流的增加而升高，其中傾斜接觸線作用下的滑板溫度最高，麻點接觸線次之，正常接觸線作用下的滑板溫度最低。

圖6 與不同形貌接觸線對摩時滑板溫升隨電流的變化Fig.6 Ariation of the temperature rise of strip with current when rubbing with the contact wires of different morphologies

載流條件下，由于機械磨損產生的熱量很低，可忽略不計，故文中主要討論電弧熱和焦耳熱。焦耳熱的公式為

Q=I2·R·t

(4)

式中：Q為焦耳熱；I為加載的電流；R為接觸電阻；t為試驗運行的總時間。

從相關的試驗可以得出，試驗中接觸電阻的值很小，并且變化范圍不大[17]。此外，文中滑動距離與滑動速度恒定，各工況下的試驗運行總時間t相同。從公式(4)中可以看出，電流增大時，回路中的焦耳熱會增加，產生的電弧能量也越大，加之滑板吸收電弧產生的能量，使得溫度隨電流的增大而升高。從公式(4)中還可以得到，在電流大小不變時，不同形貌接觸線作用下產生的焦耳熱近似相等，因此3種形貌接觸線溫升的差異主要是電弧熱的不同。根據前面的分析可以知道，斜切接觸線產生的電弧能量最大，對應的溫升也最高，常規接觸線產生的電弧能量最小，對應的溫升也最小。

2.5 不同形貌接觸線下滑板磨損形貌分析

圖7顯示了3種不同形貌接觸線與浸金屬碳滑板在電流200 A、法向力30 N、速度60 km/h條件下滑板磨損前后表面形貌?？梢钥闯?，由于受到電流作用，滑板表面均出現了燒蝕坑和麻點，并且接觸線與滑板之間存在相對運動，在滑板表面出現了劃痕。

從圖7(b)可見，麻點接觸線下滑板表面出現了肉眼可見的麻點，是因為接觸線上麻點與滑板之間產生短弧放電形成的。

從圖7(c)可見，斜切接觸線下滑板表面出現了較大的燒蝕坑，這說明滑板與接觸線之間遭受了嚴重的電弧燒蝕。

圖7 浸金屬碳滑板磨損前后表面形貌Fig.7 The surface topography of metal-impregnated carbon strip before and after wear：(a)rubbing with conventional contact wire；(b)rubbing with pitted contact wire； (c)rubbing with slanted contact wire

圖8顯示了3種不同形貌接觸線作用下浸金屬碳滑板在500倍掃描電鏡下的微觀形貌?；宓谋砻娉尸F不同的狀況，包括裂紋、燒蝕坑和熔融物等。圖中白色區域導電性差，為電子堆積所形成[18]。常規形貌接觸線作用下滑板有較多的熔融物和少許的剝落塊，沒有大裂紋和凹坑產生(見圖8(a))。這說明在運行過程中，滑板主要發生了氧化磨損，并且伴隨著輕微的磨粒磨損。

麻點接觸線下滑板表面出現了裂紋和燒蝕坑，表面出現了很多磨屑，在燒蝕坑和裂紋附近伴隨有剝落層的出現(見圖8(b))。說明滑板受到了嚴重的電弧侵蝕，使得滑板的材料軟化并從表面剝離出來，且遭受了比較嚴重的磨粒磨損。

斜切接觸線作用下滑板形貌最為惡劣，其表面出現了巨大的裂紋和犁溝，在燒蝕區出現了很多白色點狀的熔融物(見圖8(c))。這是因為斜切接觸線作用下的摩擦副在持續不斷地放電，電弧產生的持續高溫使滑板表面材料與空氣發生反應形成大量氧化物。

圖8 浸金屬碳滑板磨損后表面形貌(I=200 A，Fn=30 N，v=60 km/h)Fig.8 The wear surface topography of carbon strip(I=200 A，Fn=30 N，v=60 km/h)：(a)rubbing with conventional contact wire；(b)rubbing with pitted contact wire； (c)rubbing with slanted contact wire

綜上所述，在相同試驗工況下，斜切接觸線由于與滑板接觸面積的減小和離線的存在是3種不同形貌接觸線中與滑板匹配性能最差的，其對應的滑板磨損也最為嚴重。因此，在實際運營中應盡量控制弓網間離線產生的頻率，同時在接觸線磨損變形嚴重時應及時更換。

圖9顯示了磨損前后滑板能譜分析結果?？梢钥闯?，磨損后滑板表面銅元素含量增大，說明銅銀合金接觸線中的銅元素發生了材料轉移。由已有的文獻可知，電弧放電瞬間溫度高達幾千攝氏度[19]，會使得接觸線表面材料軟化并且在相對運動作用下發生黏著磨損，高溫也會發生氧化反應，故磨損后滑板表面氧元素和銅元素含量會增加。

3 結論

(1)在相同工況下，常規接觸線下的摩擦副的摩擦因數最小，磨損量也最低；斜切接觸線下的摩擦因數最高，磨損量也最高；麻點接觸線下的摩擦因數和磨損量位于3種形貌接觸線之間。

(2) 常規接觸線因其表面完好，與浸金屬碳滑板接觸時放電概率低，故該工況下的電弧能量最低。麻點接觸線的麻點易造成摩擦副的短弧放電，電弧能量高于常規接觸線。斜切接觸線下的摩擦副由于一直存在離線，電弧在運行過程中長期存在，故電弧能量最高。

(3) 滑板的溫升主要是由焦耳熱和電弧熱共同引起的，在相同工況下，焦耳熱大致相等。不同接觸線形貌下滑板溫升的變化主要取決于電弧熱，故滑板溫升與電弧能量成正相關。浸金屬碳滑板溫升從低到高的配副依次是常規形貌、麻點形貌、斜切形貌接觸線。

(4) 不同形貌接觸線配副下浸金屬碳滑板的微觀形貌有較大差異，常規接觸線下浸金屬碳滑板表面有較多熔融物，基本無裂紋和凹坑，主要是氧化磨損。麻點接觸線下浸金屬碳滑板產生了裂紋和較多的剝落層，有磨屑出現，磨損形式主要是電弧燒蝕和磨粒磨損。斜切接觸線下浸金屬碳滑板有大的裂紋和很深的犁溝出現，燒蝕區域出現了大量白色點狀熔融物，磨損形式主要是電弧燒蝕。