環境濕度對浸金屬碳滑板磨損及溫升的影響

曾子毅，何泉鑫，陳光雄，趙鵬鵬，董丙杰

(西南交通大學摩擦學研究所，四川成都 610031)

地鐵作為發展成熟的公共交通工具已經融入到人們的日常生活里，而隨著地鐵列車大量投入運營，近年來我國地鐵剛性弓網系統出現了嚴重的接觸線和受電弓滑板磨耗問題，而且發生異常磨耗的時間大約是每年11月到次年2月份這段時間，過后弓網材料的異常磨耗又趨于正常。地鐵運營部門經過大量的數據統計和參數測試，普遍認為空氣濕度是造成地鐵剛性接觸網系統弓網異常磨耗的最主要原因。統計結果發現，當空氣相對濕度低于30%時，弓網就會出現異常磨耗，當相對濕度為31%～40%時，弓網的磨耗就會趨于正常。

地鐵線路的弓網異常磨耗不僅加重了地鐵系統運維成本，嚴重時甚至危及列車的安全運行。因此研究弓網載流摩擦磨損，對于探究弓網異常磨損的機制，提高弓網受流質量，保證地鐵列車運行安全，節約運營維護成本至關重要。

以往對于弓網載流摩擦磨損的研究主要集中在電流大小、運行速度、法向壓力、摩擦材料的匹配等因素的影響，研究發現這些因素對于載流摩擦磨損性能有著明顯的影響[1-6]。而對于環境濕度對載流摩擦性能影響方面的研究，近年來也逐漸增加[7-8]。袁文征等[9]通過研究不同濕度下黃銅/鋼配副的滑動摩擦性能，發現接觸副摩擦因數、溫升、磨損率隨著環境濕度的增加而降低，增大環境濕度對于改善摩擦性能有積極作用。李含欣等[10]采用裝有濕度控制模塊的往復式載流摩擦磨損試驗機，研究了碳棒和銅棒在不同濕度下的載流摩擦磨損性能，研究發現：在一定的濕度范圍內接觸副摩擦因數隨濕度增加而降低，而超過該范圍則濕度的影響幾乎消失。王星星等[11]研究了紫銅與石墨在不同濕度大氣環境中的載流摩擦磨損性能，結果表明：濕度范圍為0～30%時水的毛細力作用會導致摩擦因數隨相對濕度的增大而增大，接觸電阻隨石墨在接觸面上鋪展面積的增大而增大，當濕度超過80%時摩擦因數又會因石墨的潤滑作用而減小。

綜上所述，載流摩擦磨損性能會隨著環境濕度的變化而發生改變，但由于試驗設備、材料參數等原因，不同研究人員得出的規律及結論各有差異，且試驗設備多為銷-盤試驗機等小型試驗臺，所能加載的電流和速度也十分有限，試驗結果與地鐵弓網材料的異常磨耗規律也不完全相同。因此本文作者采用環-塊式高速載流摩擦磨損試驗臺，進一步研究相對濕度對弓網摩擦副載流摩擦磨損性能的影響。

1 載流摩擦試驗

1.1 試驗設備

如圖1所示，試驗采用環-塊式高速載流摩擦磨損試驗臺，它是由基座、支架、驅動電機、回轉圓盤，以及鑲嵌在圓盤上的接觸線來模擬接觸線；由滑板、夾具、法向力推桿、砝碼、曲柄滑塊機構來模擬受電弓及實際運行中的拉出動作。該試驗臺的回轉速度在20～400 km/h范圍內連續可調，回轉盤直徑為1 100 mm，滑板往復上下的行程為115 mm。

圖1 試驗設備示意Fig.1 Schematic of test equipment

電源及數據采集系統如圖2所示，電源采用直流電源(DC)，其參數可調，分別為DC180 V/800 A、DC1500 V/100 A，最大功率為150 kW；采用德國BBM數據采集儀配合計算機軟件PAK將各傳感器采集到的電壓、電流、切向力、加速度等數據，放大、收集并儲存在計算機內，采集儀采樣頻率在1～50 kHz可調，文中試驗采用1 kHz。

使用FLUKE TiX640紅外熱成像儀采集接觸副溫度數據，其測量范圍為-40～1 200 ℃；濕度控制采用3～5臺多樂信HD-1386C除濕器，其額定功率為1 150 W，日除濕量110 L，用于降低環境濕度；采用奧克斯AJ-H811型加濕器維持試驗環境的高濕度，其額定加濕量1 500 mL/h。采用賽默飛Quattro S掃描電子顯微鏡觀察滑板表面形貌。

1.2 試驗材料

試驗采用的滑塊為浸金屬碳滑板，該滑板為國內某地鐵線路上正在服役的受電弓滑板。其化學成分如表1所示，主要成分為碳(C)和銅(Cu)，其余成分為雜質。將滑板切割成尺寸為130 mm×35 mm×25 mm的長方體試樣，每個試樣質量在200 g左右。接觸線采用雙溝槽銅銀合金接觸線，其化學成分如表2所示，主要成分為銅(Cu)、銀(Ag)。將接觸線裁切到合適長度，預先彎曲成圓環放置一周以消除內應力，然后安裝在一個直徑為1 100 mm的回轉圓盤上來模擬實際線路中架設在列車上方的剛性接觸網。

表1 浸金屬碳滑板試樣成分

表2 銅銀合金接觸線試樣成分

1.3 試驗參數

試驗設置2個相對濕度范圍：相對濕度在35%RH～80%RH之間為高濕度；相對濕度在10%RH～30%RH之間為低濕度。由于試驗過程中環境濕度在不斷變化，因此使用濕度計對濕度進行監控并及時干預，使用除濕器與加濕器相互配合使濕度穩定維持在35%RH以上或30%RH以下，以保證環境處于高濕度或低濕度。

通過加載砝碼來模擬升弓法向正壓力，驅動電機控制回轉圓盤的速度來改變滑動速度，變頻電機加曲柄滑塊機構實現滑板往復模擬拉出運動，詳細參數見表3。

表3 試驗參數

滑塊與接觸線摩擦的一側用800#砂紙打磨，用于去除表面一些較為明顯的凸起及加工過程產生的毛刺，使用95%體積分數的乙醇清洗表面，稱量質量后安裝于夾具上，如圖3(a)所示。試驗過程中，采用紅外熱像儀采集溫度場，如圖3(b)所示，其最高溫度達到了350 ℃。

圖3 摩擦接觸副(a)及溫度場(b)Fig.3 Friction contact pair(a) and temperature field(b)

2 試驗結果及分析

試驗溫升(θ)為滑板最高溫度(θmax)減去環境溫度(θe)，即θ=θmax-θe。由于試驗過程中環境溫度也會有所變化，文中環境溫度取試驗期間的平均環境溫度，溫度單位均為℃。

磨損量(m)為試驗前滑板質量(mb)減去試驗后的滑板質量(ma)，即m=mb-ma，單位均為g。

平均電弧能量(以下簡稱“電弧能量”)計算公式：

(1)

2.1 高、低濕度下滑動速度對電弧能量和滑板溫升的影響

浸金屬碳滑板溫升包括機械摩擦產生的摩擦熱，電弧放電產生的電弧熱及接觸電阻產生的焦耳熱[12]。圖4示出了法向力為35 N，不加載電流時碳滑板溫升隨滑動速度的變化曲線?？芍?，滑板溫升隨著滑動速度的增大而增大，表明滑動速度的增加加劇了接觸副間的機械摩擦，產生的摩擦熱使得滑板溫度升高。由于沒有電流的參與，此時摩擦熱是溫升的主要熱源。

圖4 滑動速度對溫升的影響(I=0，F=35 N)Fig.4 Influence of sliding speed on temperature rise (I=0，F=35 N)

圖5示出了在加載300 A電流時，高、低濕度工況下電弧能量及浸金屬碳滑板溫升隨滑動速度的變化曲線。由圖5(a)可知，高、低濕度工況下電弧能量隨滑動速度的增大而增大。這是由于滑動速度的增大，接觸副間的不穩定性增加，由此引發接觸線-滑板間的振動加劇，致使放電現象更加頻繁，電弧能量隨之升高。

由圖5(b)可知，高、低濕度工況下溫升均隨滑動速度的增加而增大?；瑒铀俣鹊脑黾右l振動加劇，使得電弧放電頻繁，電弧熱急劇升高；而電弧放電產生的瞬時高溫加快了接觸副表面氧化物的生成，此時接觸電阻增大，焦耳熱增加。于是在摩擦熱、電弧熱、焦耳熱的共同作用下，溫升較無電流時大幅升高，且電弧熱及焦耳熱成為導致浸金屬碳滑板溫升的主要熱源。

由圖5中還可看出，同樣工況下低濕度環境下的電弧能量及滑板溫升都比高濕度環境下要大。

2.2 高、低濕度下電流大小對電弧能量和滑板溫升的影響

圖6(a)示出了滑動速度40 km/h、法向力分別為15、25 N時，在高、低濕度下電弧能量隨電流的變化曲線。當接觸線上沒有加載電流時，此時無法產生電弧，其電弧能量為0。當接觸線加載電流時，電弧能量隨電流的增大而增大，且相同工況下低濕度時電弧能量更高。

圖6(b)示出了法向力為35 N、滑動速度分別為30、60 km/h時，在高、低濕度條件下滑板溫升隨電流的變化曲線。與電弧能量變化趨勢相似，滑板溫升隨電流的增大而增大，且隨滑動速度的增大而增大。其中I=300 A時滑板溫升隨速度變化的特性，與圖5(b)中I=300 A時的趨勢一致。

圖5 高、低濕度下滑動速度對平均電弧能量及溫升的影響Fig.5 Influence of sliding velocity on average arc energy(a)and temperature rise(b) at high humidity and low humidity

圖6 高、低濕度下載流大小對平均電弧能量及溫升的影響Fig.6 Influence of current on average arc energy(a) and temperature rise(b)at high humidity and low humidity

2.3 高、低濕度下法向力對電弧能量和滑板溫升的影響

圖7所示為電流為300 A、速度分別為30、50 km/h時，在高、低濕度下電弧能量和滑板溫升隨法向力的變化曲線?？梢灾庇^地看出，隨著法向力的增大，高、低濕度下的電弧能量及滑板溫升均逐漸降低，這是由于法向力的增大抑制了接觸副之間的振動，使得接觸情況得到改善，電弧起弧次數減少，產生的電弧熱降低，于是電弧能量及溫升都減小。

對比圖7中相同工況下高、低濕度環境下的電弧能量和滑板溫升可以發現，低濕度環境下的電弧能量和滑板溫升大部分都高于高濕度環境下的電弧能量和滑板溫升。這是由于高濕度環境氛圍下，空氣中水分含量較高，會在接觸面上形成多層水膜[13-17]，在一定程度上隔離了摩擦副之間的接觸，減輕了磨損；另外，載流摩擦磨損過程中電流會引發電化學氧化[18]，而形成的水膜在電化學氧化過程中生成大量離子，改善了電接觸狀態，從而一定程度上抑制了電弧的產生，導致電弧能量低于低濕度環境下的電弧能量；此外，水膜會吸收摩擦熱[19]且水的比熱容大，空氣中的水分充分接觸并吸收摩擦副產生的熱量，所以高濕度環境更有利于散熱。在低濕度情況下空氣中水分含量較少，接觸副產生的熱量僅通過熱對流、熱輻射散失到空氣中，散熱效果低于高濕度環境，因而溫升高于高濕度情況。

圖7 高、低濕度下法向力對平均電弧能量及溫升的影響Fig.7 Influence of normal force on average arc energy(a)and temperature rise(b) at high humidity and low humidity

2.4 相對濕度對電弧能量及滑板溫升的影響

圖8所示為圖5(a)中平均電弧能量-速度曲線的一階導數曲線，代表的是各工況下平均電弧能量的增長速率。由圖8(a)可知，在高濕度環境下，當法向力較小時，速度的增大會加劇電弧能量的增長速率；在較大法向力時(地鐵線路單條受電弓受壓力一般為30 N)，速度的增大會減緩電弧能量的增長速率。由圖8(b)可知，在低濕度環境下，不同法向力下速度對電弧能量的影響則截然相反。當法向力較小時，速度的增大會減緩電弧能量的增長速率；當法向力較大時，速度的增大會加劇電弧能量增長的速率，但法向力35 N下的增長速率大部分工況仍低于15 N下。以上分析說明高濕度環境下適當增大法向力能減緩電弧能量增長速率，地鐵列車大部分都運行在40～60 km/h的速度區間，根據電弧能量和滑板磨損率的關系[20]，結合2.3節所述法向力的影響，在夏季濕度較高的環境下可以適當增大升弓壓力以降低電弧能量，減少浸金屬碳滑板的磨損。而在濕度較低的冬季，可以適當增加升弓力同時降低列車行駛速度，來減小浸金屬碳滑板的磨損。

圖8 滑動速度對平均電弧能量一階導數的影響Fig.8 Influence of sliding velocity on 1st derivative of arc energy curves at high humidity (a) and low humidity(b)

2.5 相對濕度對滑板磨損的影響

圖9所示是電流為300 A、法向力為35 N時，高、低濕度環境下磨損量隨滑動速度的變化曲線?？梢灾庇^看出，浸金屬碳滑板的磨損量隨滑動速度的增大而逐漸增加，且低濕度環境下磨損量高于高濕度環境下。這是因為，隨著滑動速度的增大摩擦副間振動加劇，不穩定性增加，使得電弧放電現象頻繁，摩擦副表面不斷被電弧燒蝕，產生的凹坑、裂紋、熔融物使摩擦因數不斷升高，磨損量隨之增加；而高濕度環境下摩擦副表面附著的水膜起到一定的潤滑作用，且其較好的散熱作用減小了積溫的影響，使得磨損量低于低濕度環境下。

圖9 不同濕度時磨損量隨滑動速度的變化Fig.9 Variation of wear mass with sliding speed under different humidity

圖10所示是電流為300 A、速度為40 km/h時，高、低濕度環境下滑板磨損量隨法向力的變化曲線?？芍?，高濕度環境下磨損量隨法向力的增大逐漸減小，而低濕度環境下磨損量隨法向力的增大而增大。

圖10 不同濕度時磨損量隨法向力的變化Fig.10 Variation of wear quantity with normal force at different humidity

高、低濕度環境下磨損量呈現出完全相反的趨勢，造成這一現象的原因可能是高濕度下隨著法向力的增大，摩擦副間的振動被抑制，電弧放電現象減少，電弧對于摩擦副表面的侵蝕作用減弱，加上水膜潤滑作用使其磨損量逐步下降。而低濕度情況下摩擦副間無水膜潤滑，由摩擦力計算公式可知，法向力的增大在減小接觸副振動的同時也增大了摩擦力。

圖11所示是相同工況下高、低濕度環境下浸金屬碳滑板磨損后的表面?？梢钥闯?，低濕度環境下滑板表面有大量沿速度切線方向的劃痕和犁溝，沒有明顯的燒蝕坑。高濕度環境下滑板表面以燒蝕斑點為主，劃痕較少。由此可見低濕度環境下機械摩擦造成的磨損加重并占據主導地位，于是隨著法向力的增大，磨損量不降反增。

圖11 不同濕度環境下試驗后的滑板表面(I=300 A、F=35 N、v=40 km/h)Fig.11 The surface of strips after test at different ambient humidity (I=300 A，F=35 N，v=40 km/h)

2.6 相對濕度對滑板磨損后表面形貌的影響

圖12所示是不同工況和高、低濕度環境下浸金屬碳滑板試驗后的微觀表面形貌，放大倍率為500倍。圖12(a)是高濕度未加載電流的工況，圖中有許多微小的磨屑，其余部分未見明顯損傷；圖12(b)是低濕度未加載電流的工況，圖中除了磨屑外還有大量劃痕犁溝，這說明低濕度環境下由于缺乏水膜的潤滑，滑板表面被磨損出大量劃痕犁溝，表面狀態較高濕度下更差。

圖12(c)是高濕度加載大電流及高速低法向力的惡劣工況，圖中可見大量燒蝕區域，磨屑顆粒與熔融顆?；祀s，鮮有裂紋，滑板表面電弧燒蝕嚴重。圖12(d)是圖12(c)對應的低濕度工況，可以看到圖中同樣有大量燒蝕區域和磨屑顆粒，除此之外還有大量熱應力裂紋、層狀剝落以及剝落坑，這說明滑板表面除電弧燒蝕外，嚴重的積溫導致其材料出現大量熱應力裂紋，隨后在嚴重機械摩擦作用下材料被剝離形成剝落坑，電弧繼而燒蝕更深層的滑板材料以致形成大量層狀剝落。宏觀表現為滑板材料燒蝕磨損嚴重，產生大量粉末狀碎屑。

圖12 不同工況下磨損后的滑板表面形貌(500×)Fig.12 Surface morphology of the strips after wear under different working conditions(500 times magnification)：(a)high humidity at I=0，F=25 N，v=60 km/h；(b)low humidity at I=0，F=25 N，v=60 km/h；(c)high humidity at I=300 A，F=15 N，v=60 km/h；(d)low humidity at I=300 A，F=15 N，v=60 km/h

3 結論

(1)不同環境濕度下滑動速度、電流強度、法向力對滑板溫升、電弧能量的影響規律一致。對比高濕度環境，低濕度環境下電弧能量更大，因空氣散熱效果更差導致滑板溫升更大。

(2)在中低速條件下，不同濕度環境會改變法向力對滑板磨損量的影響規律，高濕度環境下法向力的增大能降低滑板磨損量，而低濕度環境下機械摩擦導致的磨損增多，導致磨損量隨法向力的增大而增大。

(3)在濕度較高的夏季，可以適當增加升弓力(法向力)來減小浸金屬碳滑板的磨損。而在濕度較低的冬季，可以適當增加升弓力同時降低列車行駛速度，來減小浸金屬碳滑板的磨損。

(4)相比高濕度環境，低濕度環境下浸金屬碳滑板受到了更嚴重的機械摩擦，積溫導致的熱應力裂紋使得材料更易被剝落，表面狀態更差。