载流摩擦参数对铜基复合材料起弧率及载流摩擦学性能的影响

2014-09-27吕乐华孙乐民上官宝张永振杨正海

机械工程材料 2014年1期

吕乐华，孙乐民，上官宝，张永振，杨正海

（河南科技大学河南省材料摩擦学重点实验室，洛阳 471003）

0 引言

我国高速铁路的快速发展对其运行安全及稳定性提出了更高的要求。受电弓滑板作为影响高速列车稳定运行的重要组成部分，它的质量与性能的稳定直接影响列车运行的稳定性。在列车运行中，受电弓滑板和接触网形成了一对特殊的摩擦副［1］，列车速度越高，弓网关系越不稳定，离线情况越严重［2］。离线造成的弓网电弧烧蚀［3］对电气化铁路安全稳定运行造成了很大威胁。目前，国内对弓网电弧烧蚀的研究较少，且大都停留在理论研究层面上。为此，作者通过自制试验机来模拟弓网运行的实际情况，采用测量光强的方法研究了不同载流摩擦参数对弓网起弧率及载流摩擦学性能的影响。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验原料包括粒径为75μm的电解铜粉以及粒径为150μm的石墨粉。先称量出石墨粉和铜粉，两者的质量比为1∶9，在V型混料机上充分混合后，在380MPa的压力下保压3min压制成规格为φ26mm×25mm的试样；然后将试样放入氨分解罩炉中烧结成型，烧结温度为860℃，保温1h，再进行复压，压力为320MPa；最后用线切割的方法将试样加工成φ9mm×25mm销试样。

1.2 试验方法

图1 高速载流摩擦磨损试验机结构Fig.1 Structural sketch of friction and wear tester

在自制的HST-100型销－盘式载流摩擦磨损试验机上进行载流摩擦磨损试验，试验机的结构如图1所示。试验机的数据采集系统能够同时采集速度、扭矩、电流和正压力四个参数。销试样为自制的石墨质量分数为10%的铜基复合材料，对偶盘为QCr0.5铜合金。试验中采用恒流交流电源，载流摩擦时间均为10s，载荷为70N。采用单因素（电流密度、摩擦速度）试验，电流密度分别为0.314 5，0.629，0.943 5，1.258，1.572 5A·mm－2，摩擦速度分别为15，20，25，30，35m·s－1。摩擦试验前后销试样的质量采用精度为0.1mg的LIr3200D型电子分析天平称量；扭矩由扭矩传感器输出至计算机中，经计算得到摩擦因数；并用Nano Focus型三维形貌仪对摩擦后销试样的表面形貌进行观察。

图2 电流密度对起弧率及载流效率的影响Fig.2 Arc rate and current-carrying efficiency vs current density

起弧率η是指在载流摩擦过程中产生电弧的时间与载流摩擦总时间的比值，它是衡量载流摩擦过程中起弧现象的一个标准，计算公式如下：

式中：t为载流摩擦过程中产生电弧的时间，s；T为载流摩擦总时间，s。

载流效率μ是摩擦副在滑动摩擦中受流能力的一个重要参数，其大小为载流摩擦中实际传输电流的平均值与额定电流值I0之比，计算公式如下［4］：

2 试验结果与讨论

2.1 电流密度对起弧率和载流效率的影响

由图2可知，随着电流密度的增大，复合材料的起弧率逐渐增大，而载流效率则逐渐降低，当电流密度为1.572 5A·mm－2时，载流效率小于50%。载流条件下摩擦副在摩擦过程中产生的热主要来自三个方面：摩擦热、接触电阻热和电弧产生的热［5］，在载流其它条件相同的情况下，随着电流密度的增加，电流产生的电阻热和摩擦过程中由于离线产生的电弧热成为影响载流摩擦学性能的主要因素。随着电流密度的增大，摩擦表面的热量增多，试样表面的温度升高，其表面会变软甚至熔化（铜的熔点为1 084℃）［5］，故在摩擦过程中试样与对偶盘之间会发生粘着现象，这使得试样表面变得不平整；电流密度越大，粘着现象越严重，试样表面越不平整，其与对偶盘的接触就越差，因此，产生电弧的几率就越高，即起弧率越高。同时，不平整的试样表面使得电流的传输受到严重影响，故，电流密度越大，载流效率越低。另外，由于电弧对摩擦副的表面影响比较大，弧柱温度高达3 000～50 000K［6］，因此起弧率越高，试样表面的烧蚀就越严重，表面就越粗糙，载流效率就越小。

2.2 摩擦速度对起弧率和载流效率的影响

由图3可知，摩擦速度小于30m·s－1时，随着摩擦速度的增大，复合材料的起弧率平缓增大，载流效率则略有下降。当摩擦速度较小时，摩擦产生的摩擦热和电流作用下的电阻热使试样表面的温度升高并软化，粘着使试样和对偶盘的接触状态变差，容易出现电弧。随着摩擦速度的增大，试样和对偶盘间的冲击和振动加剧，当速度过大时，就会发生离线现象，即试样和对偶盘在摩擦过程中出现脱离，这时产生电弧的几率更高。当速度超过30m·s－1时，起弧率迅速增大，载流效率明显下降。这主要是因为摩擦速度较小时，起弧率比较小，试样和对偶盘的接触较为良好，而随着摩擦速度的增大，试样和对偶盘之间的离线现象变得频繁，故起弧率急剧增大，试样表面烧蚀得比较严重，并变得凸凹不平，严重影响了电流的传输；另外，试样和对偶盘间较为严重的脱离现象使得在某段时间内，试样和对偶盘间没有电流通过，故而载流效率大幅下降。

图3 摩擦速度对起弧率及载流效率的影响Fig.3 Arc rate and current-carrying efficiency vs friction welocity

2.3 电流密度和摩擦速度对摩擦学性能的影响

由图4可知，随着电流密度的增大，摩擦因数逐渐减小，磨损率逐渐增大。这是因为，随着电流密度的增大，试样表面因温度升高而出现软化，同时试样中的石墨起到了润滑作用，故摩擦因数比较低；另外，随着电流密度的增加，起弧率增大，而磨损主要以电弧烧蚀为主，因此试样的磨损率比较大。

图4 摩擦速度为25m·s－1时电流密度对摩擦因数和磨损率的影响Fig.4 Effects of current density on friction coefficient and wear rate at friction velocity of 25m·s－1

由图5可知，随着摩擦速度的增大，摩擦因数和磨损率均逐渐增大。这是因为，随着摩擦速度的增大，起弧率逐渐增加，电弧的烧蚀作用使得试样表面变得粗糙，因此摩擦因数随着摩擦速度的增加逐渐增大；另外，起弧率的增大使试样的烧蚀时间变长，因此磨损率增大。

图5 电流密度为0.943 6A·mm－2时摩擦速度对摩擦因数和磨损率的影响Fig 5Effects of friction velocity on friction coefficient and wear rate at current density of 0.943 6A·mm－2

2.4 磨损表面的三维形貌

由图6（a～c）可以看出，在相同的电流密度下，即摩擦速度越高，试样表面越粗糙。这是因为，随着摩擦速度的增大，起弧率增大，载流效率下降，试样表面烧蚀严重，同时，摩擦过程中试样和对偶盘的接触变得不稳定，容易起弧，故而试样表面更加粗糙、不平整。由图6（c），（d）可以看出，在相同的摩擦速度下，0.943 5A·mm－2电流密度下试样的表面比较平整，有较多的犁沟，主要是磨粒磨损；1.572 5A·mm－2电流密度下试样表面的高尖峰比较多，磨损表面高低不平。这是因为，电流密度越大，起弧越严重，所以磨损表面越粗糙。